Getaran, Gelombang, dan Bunyi

Modul Olimpiade IPA SD — Bab 8

Saat hujan badai, kamu melihat kilat menyambar. Beberapa detik kemudian barulah terdengar guruh menggelegar. Padahal keduanya terjadi pada saat yang sama.

Atau ini: kalau kamu menempelkan telinga ke rel kereta api, suara kereta terdengar jauh lebih dulu daripada lewat udara. Rel dan udara sama-sama menghantarkan bunyi, tetapi kecepatannya berbeda jauh.

Bab ini menjelaskan keduanya, dan juga banyak hal lain: mengapa kelelawar tidak menabrak walaupun terbang di kegelapan, mengapa senar bas gitar dibuat paling tebal, dan mengapa suara kita terdengar aneh ketika direkam.

Semuanya bermula dari satu hal sederhana: sesuatu yang bergetar.

Getaran

Perhatikan Gambar Getaran pada Bandul. Getaran adalah gerak bolak-balik melalui titik keseimbangan.

Titik keseimbangan adalah tempat benda berhenti kalau tidak diganggu — pada bandul, itulah titik terendah tepat di bawah tali. Jarak simpangan terjauh dari titik keseimbangan disebut amplitudo.

Perhatikan bahwa amplitudo diukur dari titik keseimbangan ke salah satu sisi saja, bukan dari ujung kiri ke ujung kanan. Kalau bandul berayun dari titik A di kiri sampai titik C di kanan, maka jarak A–C sama dengan dua amplitudo.

Perhatikan Gambar Satu Getaran Penuh. Menghitung jumlah getaran adalah sumber kesalahan yang paling sering, jadi aturannya perlu dipegang erat.

Ingat! Satu getaran penuh berarti benda kembali ke tempat semula dengan arah gerak yang sama. Kalau bandul dilepas dari A, satu getaran penuh adalah A → B → C → B → A.

Dari aturan itu muncul pecahannya. Perjalanan A → C baru setengah getaran, dan A → B baru seperempat getaran. Jadi kalau soal menyebut bandul bergerak dari A sampai C saja, jangan langsung dianggap satu getaran.

Periode dan Frekuensi

Perhatikan Gambar Periode dan Frekuensi. Ada dua besaran yang menggambarkan cepat lambatnya sebuah getaran, dan keduanya saling berkebalikan.

Periode (T) adalah waktu yang diperlukan untuk satu getaran. Rumusnya T = \dfrac{t}{n}, dengan t waktu total dan n jumlah getaran. Satuannya sekon.

Frekuensi (f) adalah banyaknya getaran tiap detik. Rumusnya f = \dfrac{n}{t}. Satuannya hertz (Hz).

Karena keduanya adalah kebalikan satu sama lain:

f = \frac{1}{T} \qquad \text{dan} \qquad T = \frac{1}{f}

Cara mengingatnya: periode menjawab "berapa lama satu getaran", frekuensi menjawab "berapa banyak getaran tiap detik". Makin cepat sebuah benda bergetar, makin kecil periodenya dan makin besar frekuensinya.

Ingat! Kalau soal menyebut "bergetar 1.000 kali dalam 60 detik", angka 1.000 itu adalah jumlah getaran — bukan frekuensi. Frekuensinya baru diperoleh setelah dibagi waktu, yaitu sekitar 16,7 Hz.

Contoh Soal 1

Sebuah bandul bergetar dari titik A. Waktu untuk gerak A–B–C–D–E–D adalah 2,5 detik. Berapa frekuensi bandul itu?

Pembahasan:

Langkah 1 — hitung langkah perpindahannya, jangan hitung hurufnya. Lintasan A–B–C–D–E–D berisi 5 perpindahan: A ke B, B ke C, C ke D, D ke E, dan E kembali ke D.

Langkah 2 — hitung satu getaran penuh dalam satuan langkah yang sama. Satu getaran penuh adalah A–B–C–D–E–D–C–B–A, yaitu 8 langkah.

Langkah 3 — cari waktu satu langkah, lalu waktu satu getaran. Kalau 5 langkah memerlukan 2,5 detik, satu langkah memerlukan 0,5 detik. Maka 8 langkah memerlukan 8 \times 0{,}5 = 4 detik. Inilah periodenya.

Langkah 4 — ubah menjadi frekuensi.

f = \frac{1}{T} = \frac{1}{4} = 0{,}25 \text{ Hz}

Jawaban: 0,25 Hz.

Getaran Teredam

Perhatikan Gambar Getaran Teredam. Dalam kenyataannya tidak ada getaran yang berlangsung selamanya — semua akhirnya berhenti.

Penyebabnya adalah gesekan, baik dengan udara maupun pada titik gantungnya. Sedikit demi sedikit energi getaran berubah menjadi panas dan terbuang, sehingga simpangannya makin kecil. Getaran yang amplitudonya makin mengecil seperti ini disebut getaran teredam.

Yang penting diperhatikan: yang menyusut hanya amplitudonya. Frekuensi getaran tetap sama, karena frekuensi ditentukan oleh sifat benda itu sendiri — pada bandul, oleh panjang talinya.

Resonansi

Perhatikan Gambar Resonansi Bandul. Resonansi adalah ikut bergetarnya suatu benda karena ada benda lain yang bergetar dengan frekuensi alami yang sama.

Setiap benda punya frekuensi alami sendiri, yaitu frekuensi yang paling mudah ia getarkan. Pada bandul, frekuensi alami ditentukan oleh panjang talinya — bukan oleh berat bebannya.

Kalau beberapa bandul digantung pada satu tali mendatar lalu salah satunya diayun, getaran akan merambat ke seluruh tali. Tetapi hanya bandul yang panjang talinya sama yang akan ikut berayun kuat. Bandul lain mungkin bergoyang sedikit, tetapi tidak pernah berayun besar.

Ingat! Dua alasan yang sering muncul sebagai pengecoh keduanya salah: bandul tidak ikut berayun karena beratnya sama, dan tidak karena letaknya berdekatan. Satu-satunya penentu resonansi adalah kesamaan frekuensi.

Resonansi tidak hanya terjadi pada bandul. Kotak kayu gitar dan biola ikut bergetar bersama senarnya sehingga suaranya menjadi jauh lebih keras — itulah gunanya kotak resonansi.

Gelombang Transversal dan Longitudinal

Kalau getaran merambat dan memindahkan energi dari satu tempat ke tempat lain, kita menyebutnya gelombang. Yang dipindahkan gelombang adalah energinya, bukan zat perantaranya — air laut tidak ikut bergerak ke pantai bersama ombak.

Perhatikan Gambar Gelombang Transversal. Pada gelombang transversal, arah getar partikel tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

Bayangkan tali yang digoyang naik-turun: talinya bergerak ke atas dan ke bawah, sedangkan gelombangnya berjalan ke samping. Bentuknya berupa puncak dan lembah yang bergantian. Contohnya gelombang tali, gelombang air, dan cahaya.

Perhatikan Gambar Gelombang Longitudinal. Pada gelombang longitudinal, arah getar partikel sejajar dengan arah rambat gelombang.

Bayangkan pegas slinki yang didorong-tarik searah panjangnya. Bentuknya bukan puncak dan lembah, melainkan daerah rapatan (partikel berdesakan) dan regangan (partikel merenggang). Contohnya gelombang bunyi dan gelombang pada slinki.

Pembanding	Transversal	Longitudinal
Arah getar	tegak lurus arah rambat	sejajar arah rambat
Bentuknya	puncak dan lembah	rapatan dan regangan
Contoh	gelombang tali, gelombang air, cahaya	gelombang bunyi, gelombang pada slinki

Gelombang Mekanik dan Elektromagnetik

Perhatikan Gambar Penggolongan Gelombang. Inilah bagian yang paling sering membingungkan, sebab ada dua cara menggolongkan gelombang dan keduanya berdiri sendiri.

Cara pertama berdasarkan arah getar: transversal atau longitudinal. Cara kedua berdasarkan perlu tidaknya medium: mekanik atau elektromagnetik.

Gelombang mekanik memerlukan zat perantara untuk merambat. Contohnya gelombang tali (perlu tali), gelombang air (perlu air), dan gelombang bunyi (perlu udara).

Gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium, sehingga dapat merambat lewat ruang hampa. Contohnya cahaya, gelombang radio, sinar-X, dan gelombang mikro. Itulah sebabnya sinar matahari bisa sampai ke Bumi melintasi ruang hampa antariksa.

Ingat! Karena kedua penggolongan berdiri sendiri, satu gelombang bisa masuk dua golongan sekaligus. Cahaya adalah gelombang transversal tetapi bukan gelombang mekanik. Bunyi adalah gelombang longitudinal sekaligus mekanik. Jangan mencampuradukkan kedua dasar penggolongan itu.

Membaca Gelombang dari Gambar

Perhatikan Gambar Membaca Panjang Gelombang. Dua besaran yang harus kamu cari dari sebuah gambar gelombang adalah panjang gelombang dan amplitudo — dan keduanya punya jebakannya sendiri.

Panjang gelombang (λ) adalah jarak satu gelombang penuh, misalnya dari satu puncak ke puncak berikutnya, atau dari satu lembah ke lembah berikutnya. Jebakannya: soal sering memberi panjang sebuah garis yang memuat beberapa gelombang, sehingga harus dibagi dulu dengan jumlah gelombangnya.

Amplitudo (A) adalah jarak dari garis tengah ke puncak. Jebakannya: jarak dari puncak ke lembah sama dengan dua amplitudo, jadi harus dibagi dua.

Contoh Soal 2

Pada sebuah gambar gelombang, garis E sepanjang 6 cm memuat dua gelombang penuh, sedangkan garis D sepanjang 4 cm adalah jarak dari puncak ke lembah. Tentukan panjang gelombang dan amplitudonya.

Pembahasan:

Langkah 1 — jangan langsung memakai angka pada garis. Periksa dulu berapa gelombang yang termuat di dalamnya.

Langkah 2 — hitung panjang gelombang. Garis E memuat dua gelombang, jadi dibagi dua.

\lambda = \frac{6}{2} = 3 \text{ cm}

Langkah 3 — hitung amplitudo. Jarak puncak ke lembah adalah dua amplitudo, jadi juga dibagi dua.

A = \frac{4}{2} = 2 \text{ cm}

Jawaban: Panjang gelombang 3 cm dan amplitudo 2 cm.

Perhatikan Gambar Titik Sefase. Dua titik pada gelombang disebut sefase bila berada pada kedudukan yang sama dan arah gerak yang sama.

Kedua syarat itu harus dipenuhi bersama. Dua puncak berurutan adalah titik sefase. Tetapi sebuah puncak dan sebuah lembah tidak sefase, sebab kedudukannya berlawanan.

Jarak antara dua titik sefase yang berurutan tepat sama dengan satu panjang gelombang. Sifat inilah yang sering dipakai untuk menghitung λ dari gambar.

Cepat Rambat Gelombang

Perhatikan Gambar Cepat Rambat Gelombang. Ada satu rumus yang berlaku untuk semua jenis gelombang, baik mekanik maupun elektromagnetik:

v = f \times \lambda

Rumus ini masuk akal kalau dipikir perlahan. Frekuensi berarti berapa gelombang yang lewat tiap detik, dan panjang gelombang berarti berapa panjang tiap gelombang. Kalikan keduanya, dan kamu memperoleh berapa panjang yang ditempuh tiap detik — itulah kecepatan.

Dari rumus itu diperoleh dua bentuk turunan: f = \dfrac{v}{\lambda} dan \lambda = \dfrac{v}{f}.

Contoh Soal 3

Gelombang bunyi merambat di udara dengan kecepatan 340 m/s dan frekuensi 68 Hz. Berapa panjang gelombangnya, dan berapa waktu yang diperlukan untuk merambat sejauh 68 m?

Pembahasan:

Langkah 1 — pisahkan dua pertanyaan yang memakai rumus berbeda. Pertanyaan pertama memakai rumus gelombang; pertanyaan kedua memakai rumus gerak biasa.

Langkah 2 — cari panjang gelombang.

\lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{68} = 5 \text{ meter}

Langkah 3 — cari waktunya. Di sini yang berlaku adalah hubungan jarak, kecepatan, dan waktu — panjang gelombang tidak dipakai lagi.

t = \frac{s}{v} = \frac{68}{340} = 0{,}2 \text{ detik}

Jawaban: Panjang gelombangnya 5 meter dan waktunya 0,2 detik.

Perhatikan Gambar Frekuensi dan Panjang Gelombang. Dari rumus v = f \times \lambda lahir satu hubungan penting yang sering diuji tanpa angka sama sekali.

Kalau cepat rambatnya tetap — misalnya sama-sama merambat di udara — maka frekuensi dan panjang gelombang berbanding terbalik. Kalau salah satunya bertambah, yang lain pasti berkurang.

Akibatnya, dalam sebuah gambar dengan rentang mendatar yang sama, gelombang yang tampak lebih rapat berarti panjang gelombangnya lebih pendek, sehingga frekuensinya lebih tinggi. Gelombang yang tampak lebih renggang berarti frekuensinya lebih rendah.

Amplitudo yang Berkurang

Perhatikan Gambar Amplitudo Berkurang. Pada percobaan gelombang air, riak yang jauh dari sumber selalu tampak lebih landai daripada yang dekat.

Penyebabnya ada dua. Pertama, energi gelombang menyebar ke lingkaran yang makin luas seiring menjauhnya dari sumber, sehingga energi tiap bagian gelombang makin sedikit. Kedua, sebagian energi hilang karena gesekan dengan medium.

Yang penting: frekuensinya tidak ikut berubah. Frekuensi ditentukan oleh sumber getarnya, dan tetap sama sepanjang perambatan. Karena itu penjelasan "amplitudo berkurang karena frekuensinya menurun" adalah keliru.

Interferensi

Perhatikan Gambar Interferensi Gelombang. Interferensi adalah perpaduan dua gelombang yang bertemu di tempat yang sama.

Hasilnya bergantung pada fase keduanya. Bila kedua gelombang sefase — puncak bertemu puncak — keduanya saling memperkuat dan amplitudo hasilnya membesar. Ini disebut interferensi konstruktif.

Bila kedua gelombang berlawanan fase — puncak bertemu lembah — keduanya saling melemahkan dan amplitudo hasilnya mengecil, bahkan bisa saling meniadakan. Ini disebut interferensi destruktif.

Bunyi dan Syaratnya

Perhatikan Gambar Syarat Bunyi Terdengar. Bunyi adalah gelombang longitudinal yang sekaligus bersifat mekanik.

Karena longitudinal, partikel udara bergetar searah dengan arah rambat bunyi. Getaran searah itulah yang membuat udara kadang berdesakan membentuk rapatan (bertekanan besar) dan kadang merenggang membentuk regangan (bertekanan kecil).

Karena mekanik, bunyi memerlukan medium. Akibatnya bunyi tidak dapat merambat di ruang hampa. Inilah sebabnya astronaut di luar angkasa tidak dapat berbicara langsung meskipun jaraknya dekat — mereka harus memakai radio, sebab gelombang radio adalah gelombang elektromagnetik yang tidak memerlukan medium.

Agar bunyi terdengar, harus ada tiga hal sekaligus: sumber bunyi berupa benda yang bergetar, medium perantara, dan pendengar yang alat pendengarannya berfungsi. Kurang satu saja, bunyi tidak akan terdengar.

Cepat Rambat Bunyi

Perhatikan Gambar Cepat Rambat Bunyi. Kecepatan bunyi sangat bergantung pada mediumnya, dan urutannya berlawanan dengan dugaan banyak orang.

Bunyi merambat paling cepat pada zat padat, lebih lambat pada zat cair, dan paling lambat pada gas.

Alasannya masuk akal: makin rapat dan kaku susunan partikelnya, makin cepat getaran diteruskan dari satu partikel ke tetangganya. Pada gas, partikelnya berjauhan sehingga getaran perlu waktu lama untuk sampai ke partikel berikutnya.

Karena hubungan itu berlaku juga di dalam kelompok zat padat, makin rapat sebuah zat padat umumnya makin cepat pula bunyi merambat padanya. Jadi di antara kayu (600 kg/m³), kaca (2.500 kg/m³), dan baja (7.850 kg/m³), urutan cepat rambat bunyi dari terkecil adalah kayu → kaca → baja.

Inilah sebabnya suara kereta terdengar lebih dulu lewat rel daripada lewat udara. Dan inilah pula sebabnya kilat terlihat jauh lebih dulu daripada guruhnya — cahaya merambat kira-kira sejuta kali lebih cepat daripada bunyi.

Daerah Frekuensi Bunyi

Perhatikan Gambar Daerah Frekuensi Bunyi. Telinga manusia ternyata hanya mampu menangkap sebagian kecil dari seluruh rentang bunyi yang ada.

Daerah	Frekuensi	Yang dapat mendengar
Infrasonik	kurang dari 20 Hz	jangkrik, gajah — tidak terdengar manusia
Audiosonik	20 – 20.000 Hz	manusia
Ultrasonik	lebih dari 20.000 Hz	kelelawar, lumba-lumba — tidak terdengar manusia

Karena itu, kalau sebuah penggaris yang dijepit di meja bergetar 1.000 kali dalam 60 detik, frekuensinya sekitar 16,7 Hz — berada di bawah 20 Hz, sehingga termasuk infrasonik dan tidak terdengar oleh manusia meskipun kita melihat penggarisnya bergetar.

Perhatikan Gambar Batas Pendengaran. Kalau batas frekuensi tertinggi manusia, lumba-lumba, dan kelelawar diurutkan dari yang terendah, hasilnya manusia → lumba-lumba → kelelawar.

Manusia berhenti di sekitar 20.000 Hz, sedangkan lumba-lumba dan kelelawar sama-sama memakai ultrasonik yang jauh melampaui itu — dan kelelawar yang paling tinggi.

Ekolokasi

Perhatikan Gambar Ekolokasi Kelelawar. Kelelawar dapat terbang cepat di kegelapan total tanpa menabrak apa pun, dan rahasianya bukan pada matanya.

Kelelawar memancarkan bunyi ultrasonik terus-menerus. Bunyi itu mengenai benda di depannya lalu dipantulkan kembali ke telinganya. Dari waktu dan arah datangnya pantulan, kelelawar mengetahui letak, jarak, bahkan ukuran benda di sekitarnya.

Kemampuan ini disebut ekolokasi. Lumba-lumba memakai cara yang sama untuk berburu di laut yang keruh.

Manusia meniru prinsip ini pada dua alat penting: sonar pada kapal untuk mengukur kedalaman laut dan mendeteksi kawanan ikan, serta USG untuk melihat bagian dalam tubuh tanpa pembedahan.

Tinggi Nada dan Kuat Bunyi

Perhatikan Gambar Tinggi Nada dan Kuat Bunyi. Inilah pasangan istilah yang paling sering tertukar di seluruh bab ini.

Tinggi rendahnya nada ditentukan oleh frekuensi. Frekuensi besar berarti nada tinggi (melengking), frekuensi kecil berarti nada rendah (berat). Satuannya hertz (Hz).

Kuat lemahnya bunyi ditentukan oleh amplitudo. Amplitudo besar berarti bunyi keras, amplitudo kecil berarti bunyi lemah. Tingkat kekerasan bunyi diukur dalam desibel (dB).

Ingat! Hertz mengukur frekuensi; desibel mengukur kekerasan bunyi. Kalau soal bertanya "satuan kerasnya bunyi", jawabannya desibel — bukan hertz.

Perhatikan Gambar Nada Gitar. Nada tinggi berarti dawai bergetar lebih cepat, jadi pertanyaannya menjadi: apa yang membuat dawai bergetar lebih cepat?

Ada tiga cara menaikkan nada: memakai dawai yang lebih pendek, memakai dawai yang lebih tipis, dan membuat dawai lebih tegang.

Sebaliknya, memakai dawai yang lebih tebal justru menurunkan nada, sebab dawai tebal lebih berat sehingga bergetar lebih lambat.

Itulah sebabnya senar bas pada gitar dibuat paling tebal, sedangkan senar nada tinggi dibuat paling tipis. Dan itulah sebabnya pemain gitar menekan senar di fret yang berbeda — ia sedang memendekkan bagian senar yang bergetar.

Contoh Soal 4

Sebuah dawai digantung vertikal dengan beban logam di ujungnya dan menghasilkan nada dasar 400 Hz. Ketika tiga perempat bagian beban dicelupkan ke dalam air, nada dasarnya menjadi kurang dari 400 Hz. Jelaskan rantai sebabnya.

Pembahasan:

Langkah 1 — mulai dari peristiwa fisiknya, bukan dari nadanya. Beban yang tercelup air mendapat gaya apung ke atas — inilah Hukum Archimedes dari Bab 7.

Langkah 2 — apa akibat gaya apung pada berat? Gaya apung mengurangi berat semu beban, sehingga tarikan ke bawah menjadi lebih kecil.

Langkah 3 — apa akibatnya pada dawai? Karena beban terasa lebih ringan, tegangan dawai menurun — dawai menjadi lebih kendur.

Langkah 4 — apa akibatnya pada nada? Dawai yang lebih kendur bergetar lebih lambat, sehingga frekuensinya turun dan nadanya menjadi lebih rendah.

Jawaban: Gaya apung mengurangi berat semu beban → tegangan dawai menurun → frekuensi dasarnya turun.

Telinga Kita

Perhatikan Gambar Bagian Telinga. Perjalanan bunyi di dalam telinga berlangsung bertahap, dan tiap tahap punya tugas berbeda.

Daun telinga menangkap dan mengarahkan gelombang bunyi masuk ke lubang telinga. Gendang telinga ikut bergetar mengikuti bunyi itu. Tulang-tulang pendengaran — martil, landasan, dan sanggurdi — memperkuat getaran tersebut.

Getaran diteruskan ke rumah siput atau koklea. Di dalamnya terdapat cairan dan sel-sel rambut yang mengubah energi bunyi menjadi energi listrik. Inilah tahap yang paling sering ditanyakan.

Energi listrik itu lalu dikirim oleh saraf pendengaran ke otak, dan barulah kita benar-benar "mendengar".

Perhatikan bahwa tingkap jorong dan tingkap bundar hanya meneruskan getaran, sedangkan saluran setengah lingkaran sama sekali tidak mengurus pendengaran — tugasnya menjaga keseimbangan tubuh.

Pemantulan Bunyi

Perhatikan Gambar Gaung dan Gema. Keduanya sama-sama bunyi pantul, dan yang membedakan hanyalah jarak dinding pemantulnya.

Gaung atau kerdam terjadi bila dinding pemantulnya dekat. Pantulan datang sebelum bunyi asli selesai diucapkan, sehingga keduanya bertumpuk. Akibatnya suara terdengar kabur dan tidak jelas.

Gema terjadi bila dinding pemantulnya jauh. Pantulan datang setelah bunyi asli selesai, sehingga terdengar sebagai pengulangan yang jelas dan terpisah. Inilah yang kamu dengar saat berteriak di lembah atau di depan tebing.

Karena gaung merusak kejernihan suara, dinding ruangan yang memerlukan suara jernih dilapisi bahan peredam seperti busa, karpet, gabus, dan kain. Bahan-bahan itu menyerap bunyi sehingga pantulannya berkurang. Itulah yang kamu lihat di studio rekaman, bioskop, dan gedung pertemuan.

Mengukur Jarak dengan Pantulan Bunyi

Pemantulan bunyi bukan hanya soal gaung dan gema — ia juga dipakai untuk mengukur jarak, dan inilah salah satu perhitungan yang paling sering muncul di soal olimpiade.

Kuncinya satu: bunyi menempuh jarak itu dua kali — sekali pergi menuju pemantul, sekali kembali ke penerima. Karena itu jarak ke pemantul adalah setengah dari seluruh lintasan:

s = \frac{v \times t}{2}

dengan s jarak ke pemantul, v cepat rambat bunyi, dan t waktu sejak bunyi dipancarkan sampai pantulannya diterima.

Misalnya sebuah kapal memancarkan bunyi ke dasar laut dan pantulannya diterima 4 detik kemudian. Bila cepat rambat bunyi di air 1.500 m/s, maka kedalaman lautnya adalah \dfrac{1500 \times 4}{2} = 3000 meter — bukan 6.000 meter.

Kesalahan paling umum pada soal jenis ini adalah lupa membagi dua. Kalau hasil hitunganmu terasa dua kali lipat dari yang masuk akal, kemungkinan besar itu penyebabnya. Prinsip yang sama dipakai pada sonar kapal, alat pengukur kedalaman, dan pemeriksaan USG.

Warna Bunyi

Kalau sebuah gitar dan sebuah piano memainkan nada yang sama persis — misalnya nada A berfrekuensi 440 Hz — mengapa telinga kita tetap bisa membedakan keduanya?

Jawabannya adalah warna bunyi atau timbre. Setiap alat musik selain menghasilkan nada dasarnya juga menghasilkan getaran tambahan yang disebut nada atas (harmonik), dengan susunan yang berbeda-beda untuk tiap alat.

Susunan nada atas itulah yang memberi ciri khas pada suara gitar, piano, seruling, dan suara manusia. Itu pula sebabnya suara kita terdengar aneh ketika direkam: saat berbicara kita mendengar suara sendiri lewat udara dan lewat tulang kepala sekaligus, sedangkan rekaman hanya menangkap yang lewat udara.

Tiga Macam Bunyi Pantul

Kalau kamu berteriak di sebuah ruangan, bunyi aslimu selalu diikuti bunyi pantul dari dinding. Yang menentukan bagaimana pantulan itu terdengar adalah selisih waktu antara bunyi asli dan bunyi pantulnya — dan selisih waktu itu ditentukan oleh jarak dindingnya.

Dari situ lahir tiga kemungkinan yang perlu kamu bedakan.

Bunyi pantul yang memperkuat bunyi asli terjadi bila dinding pemantulnya sangat dekat. Pantulan datang hampir bersamaan dengan bunyi aslinya sehingga keduanya menyatu, dan hasilnya bunyi terdengar lebih keras. Inilah sebabnya suara kita terdengar lebih nyaring di kamar mandi kecil daripada di lapangan terbuka.

Gaung terjadi bila dinding agak jauh. Pantulan datang sebelum bunyi asli selesai, sehingga sebagian suku katanya bertumpuk dan terdengar kabur.

Gema terjadi bila dinding jauh sekali. Pantulan datang setelah bunyi asli benar-benar selesai, sehingga terdengar sebagai pengulangan yang utuh dan jelas.

Perhatikan bahwa ketiganya adalah peristiwa yang sama — pemantulan bunyi — dan yang berbeda hanya jarak dindingnya. Karena itu kalau soal menanyakan penyebab perbedaannya, jawabannya selalu berkaitan dengan jarak pemantul, bukan dengan jenis bunyinya.

Nada, Desah, dan Dentum

Tidak semua bunyi enak didengar, dan perbedaannya terletak pada keteraturan getarannya.

Nada adalah bunyi yang frekuensinya teratur. Karena teratur, ia terdengar merdu dan bisa dipakai bermusik. Bunyi gitar, piano, dan seruling semuanya berupa nada.

Desah adalah bunyi yang frekuensinya tidak teratur. Contohnya suara angin, gemerisik daun, dan bunyi mesin. Desah tidak punya tinggi nada yang jelas.

Dentum adalah bunyi beramplitudo sangat besar yang terdengar tiba-tiba, misalnya suara ledakan, guruh, atau meriam. Dentum yang terlalu keras bisa merusak gendang telinga.

Jadi tinggi nada dan keteraturan adalah dua hal yang berbeda: sebuah bunyi bisa berfrekuensi tinggi tetapi tetap berupa desah kalau getarannya tidak teratur.

Sumber Bunyi pada Alat Musik

Semua alat musik pada dasarnya bekerja dengan cara yang sama: ada bagian yang digetarkan, lalu getarannya diperkuat oleh ruang resonansi.

Pada alat musik berdawai seperti gitar dan biola, yang bergetar adalah senarnya, lalu kotak kayu di bawahnya ikut beresonansi sehingga suaranya menjadi jauh lebih keras. Tinggi nadanya diatur lewat panjang, ketebalan, dan tegangan senar.

Pada alat musik tiup seperti seruling dan terompet, yang bergetar adalah kolom udara di dalam pipanya. Makin pendek kolom udaranya, makin tinggi nadanya — itulah gunanya lubang-lubang pada seruling: menutup dan membuka lubang berarti mengubah panjang kolom udara yang bergetar.

Pada alat musik pukul seperti gendang dan gong, yang bergetar adalah selaput atau lempengan logamnya. Selaput yang lebih tegang menghasilkan nada lebih tinggi — sama persis dengan aturan pada dawai.

Perhatikan polanya: apa pun jenis alatnya, aturannya selalu sama — makin pendek, makin tipis, dan makin tegang benda yang bergetar, makin tinggi nada yang dihasilkan.

Ketika Pendengar Bergerak

Perhatikan Gambar Pendengar Mendekati Sumber. Bunyi menyebar dari sumbernya sebagai lingkaran-lingkaran gelombang yang makin melebar.

Kalau pendengar diam, ia menerima muka gelombang itu dengan selang waktu yang tetap, sehingga frekuensi yang didengarnya sama dengan frekuensi sumbernya.

Kalau pendengar bergerak mendekat, ia bergerak menyongsong gelombang sehingga menemui muka gelombang lebih sering. Akibatnya frekuensi yang didengarnya lebih besar daripada frekuensi sumbernya.

Kalau pendengar menjauh, yang terjadi sebaliknya: ia menemui muka gelombang lebih jarang, sehingga frekuensi yang didengarnya lebih kecil.

Efek Doppler juga terjadi bila yang bergerak adalah sumbernya, sedangkan pengamat diam. Saat sumber bunyi mendekat, muka gelombang di depannya menjadi lebih rapat sehingga pengamat mendengar frekuensi lebih tinggi; saat sumber menjauh, muka gelombang di belakangnya merenggang sehingga frekuensinya terdengar lebih rendah.

Jadi yang menentukan bukan siapa yang bergerak, melainkan apakah jarak antara sumber dan pengamat sedang memendek atau memanjang. Memendek berarti frekuensi naik; memanjang berarti frekuensi turun.

Peristiwa ini disebut efek Doppler, dan kamu bisa mendengarnya sendiri saat ambulans lewat: sirenenya terdengar melengking saat mendekat, lalu tiba-tiba merendah setelah lewat — padahal sirenenya sendiri tidak berubah sama sekali.

Latihan Yuk!

1. Sebuah gelombang memiliki cepat rambat 20 m/s dan panjang gelombang 4 m. Berapa frekuensinya?
2. Kelompokkan menjadi gelombang mekanik atau elektromagnetik: gelombang air, sinar-X, gelombang bunyi, gelombang radio, gelombang tali.
3. Mengapa amplitudo gelombang berkurang saat menjauhi sumbernya, padahal frekuensinya tetap?
4. Mengapa astronaut di luar angkasa tidak bisa berbicara langsung tanpa radio?
5. Sebutkan tiga daerah frekuensi bunyi beserta rentangnya dan satu contoh makhluk yang dapat mendengarnya.
6. Sebutkan empat bagian telinga yang dilalui bunyi berurutan, dan bagian mana yang mengubah bunyi menjadi energi listrik.
7. Apa perbedaan gaung dan gema? Bagaimana cara mengurangi gaung?
8. Apa perbedaan tinggi nada dan kuat bunyi? Sebutkan besaran dan satuannya masing-masing.
9. Sebutkan tiga cara membuat nada gitar lebih tinggi, dan satu cara yang justru menurunkannya.
10. Sebuah gelombang bunyi merambat dengan cepat rambat 340 m/s dan panjang gelombang 0,5 m. Berapa frekuensinya, dan apakah terdengar manusia?

Kunci Jawaban Latihan

• f = \dfrac{v}{\lambda} = \dfrac{20}{4} = 5 Hz.
• Mekanik: gelombang air, gelombang bunyi, gelombang tali. Elektromagnetik: sinar-X, gelombang radio.
• Karena energi gelombang menyebar ke daerah yang makin luas dan sebagian hilang akibat gesekan. Frekuensi ditentukan sumbernya sehingga tidak berubah.
• Karena bunyi adalah gelombang mekanik yang memerlukan medium, sedangkan luar angkasa berupa ruang hampa. Radio bisa dipakai karena gelombang radio bersifat elektromagnetik.
• Infrasonik (< 20 Hz) — jangkrik dan gajah. Audiosonik (20–20.000 Hz) — manusia. Ultrasonik (> 20.000 Hz) — kelelawar dan lumba-lumba.
• Daun telinga → gendang telinga → tulang pendengaran → rumah siput. Yang mengubah bunyi menjadi listrik adalah rumah siput (koklea).
• Gaung: dinding dekat, pantulan bertumpuk, suara kabur. Gema: dinding jauh, pantulan terdengar jelas terpisah. Gaung dikurangi dengan bahan peredam seperti busa, karpet, gabus, dan kain.
• Tinggi nada ditentukan frekuensi (hertz). Kuat bunyi ditentukan amplitudo, kekerasannya diukur dalam desibel.
• Menaikkan nada: memperpendek dawai, memakai dawai lebih tipis, mengencangkan dawai. Yang menurunkan: memakai dawai lebih tebal.
• f = \dfrac{340}{0{,}5} = 680 Hz. Nilai ini ada dalam rentang 20–20.000 Hz, jadi terdengar manusia.

Rangkuman

• Getaran = gerak bolak-balik melalui titik keseimbangan. Amplitudo = simpangan terjauh dari titik keseimbangan.
• Satu getaran penuh berarti kembali ke titik semula (A–B–C–B–A). A → C baru setengah getaran; A → B baru seperempat.
• T = \dfrac{t}{n} (sekon), f = \dfrac{n}{t} (hertz), dan f = \dfrac{1}{T}.
• Getaran teredam: amplitudonya mengecil karena energinya terbuang oleh gesekan; frekuensinya tetap.
• Resonansi terjadi hanya bila frekuensi alaminya sama. Pada bandul, frekuensi alami ditentukan panjang tali — bukan berat beban dan bukan jaraknya.
• Dua penggolongan gelombang berdiri sendiri: arah getar (transversal/longitudinal) dan perlu tidaknya medium (mekanik/elektromagnetik).
• Transversal berbentuk puncak dan lembah; longitudinal berbentuk rapatan dan regangan. Cahaya = transversal tetapi elektromagnetik; bunyi = longitudinal dan mekanik.
• v = f \times \lambda. Bila v tetap, frekuensi dan panjang gelombang berbanding terbalik.
• Jarak puncak ke lembah = dua amplitudo. Selalu hitung dulu berapa gelombang yang termuat dalam garis yang diberikan.
• Dua titik sefase berkedudukan dan berarah gerak sama, dan berjarak tepat satu panjang gelombang.
• Amplitudo berkurang saat menjauhi sumber karena energi menyebar dan hilang oleh gesekan; frekuensinya tetap.
• Interferensi: sefase → konstruktif (memperkuat); berlawanan fase → destruktif (melemahkan).
• Bunyi tidak merambat di ruang hampa. Syarat terdengar: sumber bunyi, medium, dan pendengar.
• Cepat rambat bunyi: zat padat > zat cair > gas. Makin rapat zat padatnya, makin cepat (kayu → kaca → baja).
• Daerah frekuensi: infrasonik (< 20 Hz), audiosonik (20–20.000 Hz), ultrasonik (> 20.000 Hz). Urutan batas pendengaran tertinggi: manusia → lumba-lumba → kelelawar.
• Ekolokasi memakai pantulan bunyi ultrasonik; ditiru manusia pada sonar dan USG.
• Mengukur jarak dengan pantulan: s = \dfrac{v \times t}{2} — jangan lupa dibagi dua karena bunyi menempuh pergi dan pulang.
• Warna bunyi (timbre) membedakan alat musik yang memainkan nada sama, karena susunan nada atas-nya berbeda.
• Tinggi nada ditentukan frekuensi (hertz); kuat bunyi ditentukan amplitudo (desibel).
• Dawai lebih pendek, tipis, dan tegang → nada lebih tinggi. Dawai tebal → nada rendah. Beban tercelup air → tegangan turun → nada turun.
• Bunyi diubah menjadi energi listrik di rumah siput (koklea); saluran setengah lingkaran mengurus keseimbangan.
• Tiga macam bunyi pantul menurut jarak dinding: memperkuat bunyi asli (sangat dekat), gaung (agak jauh, kabur), dan gema (jauh, terulang jelas).
• Nada = getaran teratur; desah = tidak teratur; dentum = amplitudo sangat besar dan tiba-tiba.
• Alat musik tiup mengubah nada lewat panjang kolom udara: makin pendek, makin tinggi nadanya.
• Pendengar yang mendekat menerima frekuensi lebih besar; yang menjauh menerima frekuensi lebih kecil — efek Doppler.

Penutup

Sekarang kamu bisa menjawab pertanyaan di awal bab. Kilat terlihat lebih dulu daripada guruh karena cahaya jauh lebih cepat daripada bunyi. Dan suara kereta terdengar lebih dulu lewat rel karena bunyi merambat lebih cepat pada zat padat daripada pada udara.

Bab ini penuh dengan pasangan istilah yang mirip tetapi berbeda arti. Ada baiknya kamu pegang empat pasangan ini:

• Frekuensi vs amplitudo — yang pertama menentukan tinggi nada, yang kedua menentukan kuat bunyi.
• Hertz vs desibel — satuan frekuensi dan satuan kekerasan bunyi.
• Transversal vs mekanik — dua penggolongan yang sama sekali berbeda dasarnya.
• Gaung vs gema — sama-sama pantulan, berbeda jarak dindingnya.

Kalau soal terasa membingungkan, biasanya karena dua istilah yang mirip itu tertukar. Baca sekali lagi, dan pastikan kamu tahu besaran apa yang sebenarnya ditanyakan.

Di Bab 9 kita akan membahas Cahaya dan Optika — mengapa sendok terlihat patah di dalam gelas berisi air, mengapa pelangi punya urutan warna yang selalu sama, dan bagaimana kacamata bisa memperbaiki penglihatan.