FI-1201 Fisika Dasar IIA

PHYSI S FI-1201Fisika Dasar IIA Kuliah-15 Bunyi dan Efek Doppler

Bunyi • Bunyi adalah gelombang longitudinal dalam sejumlah bahan • Bahan dapat berupa padat, cair, atau gas • Bunyi bergerak dalam 3-dimensi • Tetapi banyak persoalan fisika dapat dianalisis dalam 1-dimensi • Kita sudah tahu semua tentang gelombang longitudinal 1-dimensi • All we need to find out is the linear mass density rland the elastic modulus K

Bunyi dalam zat padat • Sebuah batang dapat dipandang sebagai pegas yg sangat kaku (very stiff spring) • Dapat tertekan & terregang oleh gaya • Berapa modulus elastic K? • Modulus elastic didefinisikan sebagai • K bergantung pada material dan ketebalan batang • Sebanding dengan penampang lintang batang F l Dl

Modulus Young • Dapat ditulis K = YA • A adalah penampang lintang (m2) • Y adalah modulusYoung dari material • satuannya Newtons/m2 • Hooke’s law dapat dituliskan sebagai • LHS: gaya persatuan penampang lintang • RHS: modulus Young  deformasi relatif • Ini adalah hukum microscopic dari elastisitas, yang mana tidak bergantung pada bentuk spesifik dari batang

Rapat Massa • Rapat massa linierrl • Asumsikan rapatmassa volume rv • Massa batang rv  A  l • Bagi dengan panjang  rl = rv  A • Sekarang kita dapat menghitung semuanya.

Kecepatan bunyi dalam zat padat • Kecepatan bunyi dalam zat padat • Ini adalah tetapan material • Contoh: besi Y = 21011 N/m2, rv = 7800 kg/m3 • Lihat di referensi Young’s modulus Volume mass density

Bunyi dalam zat cair • Cairan meneruskan bunyi dgn cara yg sama dengan zat padat • Tinjau suatu pipa yang diisi dengan cairan • Gaya F mengubah volume dari penampang kecil cairan F A l Dl

Modulus Bulk • Elastisitas cairan dijelaskan oleh perubahan volume sebagai respon terhadap tekanan. • Cairan tidak memiliki bentuk yg tetap  Can’t use “length” or “area” • MB adalah “modulus bulk” dari cairan • K dapat dihitung dari MB

F A l Dl Bunyi dalam zat cair… • Modulus elastik K = MBA • Rapat massa linier rl = rvA • Kecepatan gelombang • Contoh: air Bulk modulus Volume mass density

Bunyi dalam gas • Bunyi dalam gas dapat dianalisis dengan cara yg sama • Gas sangat compressible, dan sangat ringan • Untuk gas, kita tahu banyak ttg. konstanta-konstanta • Banyak gas pada T & P normal dekat dengan gasideal • gasideal terdiri dari molekul2 yg sangat kecil yg tidak berinteraksi satu sama lain • Sifat-sifat gas ideal ditentukan oleh massa molekular • MB dan rv dapat dihitung.

Rapat Volume dari Gas Ideal • 1 mole gas ideal terdiri dari 22.4 liter pada STP. • Jika tidak STP, 0°C1 atm mass of 1 mole temperature (K) pressure (N/m2) gas constant 8.31 J/K volume (m2) amount (moles)

Kompressibilitas dari Gas Ideal • Bagaimana tekanan gas bereaksi terhadap kompresi? • Hk. Gas Ideal PV = nRTimplikasi • Temperatur naik ketika gas ditekan • Kenaikan temperatur kadang lebih tinggi • g = 5/3 for monoatomic gasses (He, Ne, etc.) • g = 7/5 for diatomic gasses (H2, N2, O2, etc.) Wrong g = ratio of specific heats > 1

Modulus Bulk dari Gas Ideal • Modulus bulk MB didefinisikan sebagai • gunakan

Kecepatan Bunyi di Udara • Udara: 80% N2 + 20% O2 • Berat 1 mol • rv pada STP • N2 dan O2 adalah diatomic  sehingga udara

Kecepatan Bunyi di Udara • Jika tidak pada STP? • Mmol = 0.0288 kg/m3, g = 7/5 gives • Kecepatan bunyi pada suatu (ideal) gas • Tidak bergantung pada tekanan P • Dalam penerbangan, periksa suhu di luar pesawat • Jika T = -60°C,

Intensitas Bunyi • Intensitas bunyi (how “loud”) diberikan oleh energi yang dibawa oleh bunyi. • Karena bunyi menyebar ke segala arah, kita membutuhkan rapat energi per satuan luas How much power(in Watts) goesthrough this area?

Intensitas bunyi… • Satuan SI untuk intensitas bunyi adalah Watt per meter kuadrat (W/m2) • Intensitas bunyi diukur dalam skala desibel (dB), yang merupakan skala logaritmik perbandingan antara intensitas suatu gelombang bunyi (I) dengan intensitas minimum yang dapat dideteksi (I0) I0 = 10-12 (W/m2)

Sensitivitas Manusia terhadap Bunyi • Manusia dapat mendengar bunyi: 20 Hz – 20 kHz • Rentang intensitas: 10-12 W/m2 – 1 W/m2 • Pembicaraan normal ~10-6 W/m2 • Kita merasakan frekuensi dan intensitas dalam skala log (b antara 0 – 120 dB) • Relatif terhadap 400 Hz • 800 Hz adalah 1 oktaf lebih tinggi • 1600 Hz adalah 1 oktaf lebih tinggi lagi • Relatif terhadap 10-6 W/m2 • 10-5 W/m2 adalah nyaring • 10-4 W/m2 adalah dua kali lebih nyaring

kecepatan sumber lebih rendah dari kecepatan bunyi Supersonic: Subsonic: Bilangan Mach (Mach Number) - kecepatan sumber lebih tinggi dari kecepatan bunyi = Kecepatan benda (sumber) Bilangan Mach Kecepatan bunyi

Frekuensi dari beberapa sumber bunyi

Efek Doppler Doppler & Son

Efek Doppler • Muncul karena perubahan frekuensi akibat gerakan • Gejala ini dapat terjadi pada gelombang bunyi maupun cahaya

Sumber bunyi & pendengar diam Mobil van dalam keadaan diam Suara mesin terdengar pada pola titik nada yang tetap

Sumber bunyi mendekati pendengar Mobil van mendekati pendengar Pola titik nada mesin meningkat • v = kecepatan bunyi • vs = kecepatan sumber • = panjang gel. Awal f0 = frekuensi awal

Sumber bunyi mendekati pendengar… Mobil van mendekati pendengar Cahaya dari mobil van terlihat “bluer”

Sumber bunyi menjauhi pendengar Cahaya dari mobil van terlihat “redder”

Efek Doppler pada Cahaya o   Increasing wavelength

Contoh soal Sebuah kapal selam (Kapal A) bergerak dalam air dengan laju 8,0 m/s, memancarkan gelombang sonar pada frekuensi 1400 Hz. Kecapatan suara dalam air adalah 533 m/s. Kapal selam kedua (Kapal B) terletak sedemikian sehingga kedua kapal tersebut bergerak mendekat satu sama lain. Kapal B bergerak dengan laju 9,0 m/s. a). Tentukan frekuensi yang dideteksi oleh pengamat yang berada di Kapal B ketika kapal saling mendekat. b). Kedua kapal saling melewati. Tentukan frekuensi yang dideteksi oleh pengamat yang berada di Kapal B ketika kapal saling menjauhi satu sama lain.

Contoh soal … a). Kapal selam saling mendekat b).Kapal selam saling menjauh

FI-1201 Fisika Dasar IIA