PENGUKURAN KECEPATAN BUNYI DI UDARA PADA SUHU KAMAR MENGGUNAKAN SENSOR TEKANAN DAN
SENSOR BUNYI
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan
Program Studi Pendidikan Fisika
Oleh:
Hilaria Fransiska Wugha Dado NIM : 161424044
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2020
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
i
PENGUKURAN KECEPATAN BUNYI DI UDARA PADA SUHU KAMAR MENGGUNAKAN SENSOR TEKANAN DAN
SENSOR BUNYI
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Pendidikan
Program Studi Pendidikan Fisika
Oleh:
Hilaria Fransiska Wugha Dado NIM : 161424044
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA
JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA
2020
iv
MOTTO
Hidup bukan tentang apa yang kamu terima selama hidupmu tetapi tentang apa yang kamu berikan selama
hidupmu.
Tidak masalah jika kamu berjalan dengan lambat, asalkan kamu tidak pernah berhenti berusaha.
(Confucius)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
v
HALAMAN PERSEMBAHAN
Dengan penuh cinta dan kasih sayang saya mempersembahkan skripsi ini kepada:
Tuhan Yesus Kristus
Kedua Orangtua
Kakak dan Adik
Teman-teman yang selalu mendukung dan
membantu
viii
ABSTRAK
PENGUKURAN KECEPATAN BUNYI DI UDARA PADA SUHU KAMAR MENGGUNAKAN SENSOR TEKANAN DAN SENSOR BUNYI
Hilaria Fransiska Wugha Dado Universitas Sanata Dharma
Yogyakarta 2020
Telah dilakukan penelitian pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi. Ini merupakan penelitian berbasis komputer yang menggunakan peralatan sederhana berupa tabung suntik dengan analisis grafik menggunakan aplikasi logger pro berupa grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu dan grafik FFT. Nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar ini ditentukan melalui hubungan panjang gelombang dan frekuensi dasar bunyi. Metode yang digunakan untuk menentukan frekuensi dasar dalam menghitung kecepatan bunyi di udara yaitu menentukan interval waktu antara puncak pertama ke puncak ke n untuk yang menggunakan sensor tekanan dan metode FFT (Fast Fourier Transform) untuk yang menggunakan sensor bunyi.
Nilai kecepatan bunyi di udara yang diperoleh menggunakan sensor tekanan antara lain 373,1 ± 2,1 m/s dan 373,1 ± 4,2 m/s dengan persentase kesalahan yang sama sebesar 6,82 %. Sedangkan untuk sensor bunyi diperoleh nilai kecepatan bunyi di udara yaitu 373,9 ± 1,4 m/s dan 375 ± 1,6 m/s dengan persentase kesalahan masing–masing sebesar 7,05 % dan 7,36 %. Nilai kecepatan bunyi di udara dibandingkan dengan 349,29 m/s pada suhu kamar.
Kata kunci: Kecepatan bunyi di udara, sensor tekanan, sensor bunyi, tabung suntik PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ix
ABSTRACT
THE MEASUREMENT OF THE SPEED OF SOUND AT THE AIR OF THE ROOM TEMPERATURE USING PRESSURE SENSOR AND SOUND
SENSOR
Hilaria Fransiska Wugha Dado Sanata Dharma University
Yogyakarta 2020
It has been done the research about the measurement of the speed of sound at the air of the room temperature using pressure sensor and sound sensor. This is a computer–based research that uses simple equipment such as a syringe with graph analysis using logger pro application in the form of a graph of the offset pressure relation to time and the FFT graph. The value of the speed of sound in the air at room temperature is determined through the relation of wavelengths and frequency of basic sound. The methods that used to determine the basic frequency in calculating the speed of sound in the air is to determine the time interval between the first peak to the n peak for those by using a pressure sensor and the FFT (Fast Fourier Transform) method for those by using a sound sensor.
The value of the speed of sound in the air has been gotten by using a pressure sensor such as 373,1 ± 2,1 m/s and 373,1 ± 4,2 m/s with the same error percentage is 6,82 %. As for the sound sensor, the value of sound speed in the air is 373,9 ± 1,4 m/s and 375 ± 1,6 m/s with percentage of every error is 7,05 % and 7,36 %. The value of sound speed in the air is compared with 349,29 m/s at the room temperature.
Keywords: Sound speed in the air, pressure sensor, sound sensor, syringe
xii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PENGESAHAN OLEH PEMBIMBING ... ii
HALAMAN PENGESAHAN OLEH PENGUJI ... iii
HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ... iv
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... vi
HALAMAN PERNYATAAN PUBLIKASI HASIL KARYA ... vii
ABSTRAK ... viii
ABSTRACT ... ix
KATA PENGANTAR ... x
DAFTAR ISI ... xii
DAFTAR TABEL ... xiv
DAFTAR GAMBAR ... xv
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 4
1.3 Batasan Masalah ... 4
1.4 Tujuan Penelitian ... 5
1.5 Manfaat Penelitian ... 5
1.6 Sistematika Penulisan ... 5
BAB 2 LANDASAN TEORI ... 7
2.1 Gelombang Bunyi ... 7
2.1.1 Laju Gelombang Bunyi ... 10
2.2 Gelombang Berdiri Pada Kolom Udara ... 12
BAB 3 METODE PENELITIAN ... 16
3.1 Tempat Dan Waktu Penelitian ... 16
3.2 Tahapan Penelitian ... 16
3.2.1 Persiapan Alat Dan Bahan ... 16
3.2.2 Prosedur Dan Pengambilan Data ... 21
a. Sensor Tekanan ... 26 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xiii
b. Sensor Bunyi ... 29
3.2.3 Analisis Data ... 31
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 33
4.1 Hasil Penelitian ... 33
4.1.1 Variasi Panjang Kolom Udara ... 34
4.1.2 Variasi Diameter Dalam Tabung ... 43
4.2 Pembahasan ... 48
BAB 5 PENUTUP ... 54
5.1 Kesimpulan ... 54
5.2 Saran ... 54
DAFTAR PUSTAKA ... 55
LAMPIRAN ... 56
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1.1 Laju bunyi dalam berbagai material (20℃ dan 1 atm) ... 12 Tabel 4.1 Hasil pengukuran panjang kolom udara tabung suntik ... 34 Tabel 4.2 Hasil pengukuran diameter dalam tabung suntik ... 34 Tabel 4.3 Hubungan panjang gelombang bunyi (𝜆) terhadap panjang
kolom udara (𝑙0) ... 35 Tabel 4.4 Hasil perhitungan frekuensi dasar bunyi untuk semua panjang
gelombang dengan variasi panjang kolom udara ... 40 Tabel 4.5 Hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi
dari grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk
variasi panjang kolom udara ... 41 Tabel 4.6 Hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi
dari grafik FFT untuk variasi panjang kolom udara ... 42 Tabel 4.7 Hubungan panjang gelombang bunyi (𝜆) terhadap diameter
dalam tabung (𝑑) ... 44 Tabel 4.8 Hasil perhitungan frekuensi dasar bunyi untuk semua panjang
gelombang dengan variasi diameter dalam tabung ... 45 Tabel 4.9 Hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi
dari grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk
variasi diameter dalam tabung ... 46 Tabel 4.10 Hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi
dari grafik FFT untuk variasi diameter dalam tabung ... 47 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Hubungan gelombang simpangan dengan perubahan tekanan . 9
Gambar 2.2 Pipa organa tertutup ... 13
Gambar 2.3 Nada dasar pada pipa organa tertutup ... 14
Gambar 3.1 Tabung suntik ... 17
Gambar 3.2 Sensor tekanan ... 18
Gambar 3.3 Sensor bunyi ... 19
Gambar 3.4 Labpro ... 19
Gambar 3.5 Jangka sorong ... 20
Gambar 3.6 Statip ... 21
Gambar 3.7 Rangkaian alat ... 21
Gambar 3.8 Tampilan aplikasi software logger pro ... 22
Gambar 3.9 Tampilan kolom untuk mengatur waktu pengambilan data dan jumlah sampel ... 23
Gambar 3.10 Pengukuran panjang tabung kolom udara dengan menggunakan jangka sorong ... 24
Gambar 3.11 Pengukuran diameter dalam tabung kolom udara dengan menggunakan jangka sorong ... 24
Gambar 3.12 Contoh grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) ... 28
Gambar 4.1 Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk panjang kolom udara 0,05335 m ... 36
Gambar 4.2 Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk panjang kolom udara 0,05335 m setelah diblok dan fit ... 36
Gambar 4.3 Grafik FFT (grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi) untuk panjang kolom udara 0,05335 m ... 37
Gambar 4.4 Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk panjang kolom udara 0,0631 m ... 38 Gambar 4.5 Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk
xvi
panjang kolom udara 0,0631 m setelah diblok dan fit ... 38 Gambar 4.6 Grafik FFT (grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi)
untuk panjang kolom udara 0,0631 m ... 39 Gambar 4.7 Grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) untuk variasi
panjang kolom udara dari sensor tekanan ... 41 Gambar 4.8 Grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) untuk variasi
panjang kolom udara dari sensor bunyi ... 43 Gambar 4.9 Grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) untuk variasi
diameter dalam tabung dari sensor tekanan ... 46 Gambar 4.10 Grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) untuk variasi
diameter dalam tabung dari sensor bunyi ... 47 PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Fisika merupakan salah satu ilmu pasti yang mempelajari tentang alam dan proses pembentukannya. Mempelajari fisika berarti mempelajari tentang fenomena fisika itu sendiri. Materi fisika sangatlah luas dan menarik untuk dipelajari, salah satunya adalah bunyi. Bunyi adalah salah satu jenis gelombang yang termasuk dalam gelombang longitudinal yang merambat melalui medium atau zat perantara seperti udara, air, dan zat padat (Surya, 2010). Bunyi merupakan salah satu materi fisika yang dapat langsung dipelajari dari kehidupan sehari–hari. Bunyi adalah bagian yang ada di sekitar lingkungan kita, yang tidak dapat dilihat dan dirasakan. Setiap hari kita dapat mendengar gonggongan anjing, tetesan air, deringan telepon, klakson mobil dan motor, serta masih banyak lagi.
Ketika mempelajari tentang bunyi, tidak lupa pula akan belajar tentang besaran–besaran dalam bunyi. Salah satu besaran yang dipelajari dalam bunyi yaitu kecepatan bunyi. Pengukuran tentang kecepatan bunyi pada medium udara pernah dilakukan di Universitas Sanata Dharma dalam sebuah eksperimen, yaitu eksperimen resonansi udara. Eksperimen ini merupakan eksperimen tentang bunyi yang melibatkan gejala resonansi. Tujuan eksperimen ini untuk memahami gejala resonansi itu sendiri dan untuk menentukan kecepatan bunyi di udara. Pada eksperimen resonansi udara terdapat sumber bunyi, tabung kolom udara (set tabung resonansi), dan frekuensi meter. Ketika sumber bunyi digetarkan, pada tabung kolom udara yang mempunyai panjang tertentu akan terdengar suara dengung (bunyi) yang keras. Suara dengungan (bunyi) yang terdengar menandakan terjadinya resonansi. Resonansi pada kolom udara ini terjadi karena frekuensi dalam kolom udara sama dengan frekuensi sumber bunyi (Santosa dkk, 2017).
2
Setiap terjadi peristiwa resonansi maka perlu dicatat panjang kolom udara saat peristiwa resonansi tersebut berlangsung. Kelemahan dari eksperimen ini yaitu praktikan diharuskan mendengar bunyi dengungan agar dapat menentukan dimana posisi terjadinya peristiwa resonansi pada tabung kolom udara untuk mengukur panjang kolom udaranya, sehingga pengukuran panjang kolom udara menjadi kurang akurat. Nilai panjang kolom udara yang kurang akurat mengakibatkan nilai kecepatan bunyi di udara yang diperoleh juga kurang akurat. Selain itu sumber bunyi memiliki batas ukur nilai frekuensi, sehingga tidak dapat mengukur panjang kolom udara dari frekuensi yang nilainya melebihi batas ukur nilai frekuensi dari sumber bunyi.
Kelemahan lainnya yaitu waktu yang dibutuhkan untuk eksperimen relatif lama.
Penelitian berkaitan dengan resonansi bunyi pernah dilakukan oleh Abdulaziz M. Aljalal berjudul “sound resonance in pipes with discrete fourier transform”. Penelitian ini bertujuan untuk mengukur kecepatan bunyi di udara pada pipa. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan pipa baja, laptop, loudspeaker dan microphone dengan analisis menggunakan FFT.
Kelebihannya adalah penelitian ini telah menggunakan bantuan komputer dan FFT sehingga tidak memerlukan waktu yang lama dan data yang diperoleh lebih tepat serta akurat. Namun biaya yang mahal untuk membeli pipa baja menjadi kekurangannya (Aljalal, 2015).
Pengukuran kecepatan bunyi di udara juga pernah dilakukan oleh D.
Amrani dalam penelitiannya yang berjudul “sebuah studi perbandingan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar antara sensor tekanan dan sensor bunyi”. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan peralatan sederhana yang melibatkan resonansi dalam tabung suntik, serta menggunakan komputer atau laboratorium berbasis kalkulator dengan detektor dan sensor yang sesuai, seperti sensor tekanan gas dan sensor bunyi. Kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi ditentukan menggunakan hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi bunyi. Panjang gelombang diperoleh dari hubungan panjang kolom udara dan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
diameter dalam tabung suntik, sedangkan frekuensi bunyi diperoleh dari analisis grafik data sensor.
Data pengukuran diperoleh dalam bentuk grafik diantaranya grafik hubungan variasi perubahan tekanan terhadap waktu yang mewakili sensor tekanan dan grafik hubungan level suara terhadap waktu yang mewakili sensor bunyi. Data pengukuran dari masing–masing sensor dianalisis untuk menghitung frekuensi dasar atau frekuensi alamiah. Frekuensi dasar dari grafik hubungan variasi perubahan tekanan terhadap waktu tertentu ditentukan dari interval waktu antara puncak pertama ke puncak ke n yang mewakili osilasi periodik karena adanya variasi tekanan. Sedangkan frekuensi dasar dari grafik hubungan level suara terhadap waktu dianalisis menggunakan FFT (Fast Fourier Transform). Untuk memperoleh nilai frekuensi dasar dari grafik hubungan level suara terhadap waktu diperlukan prosedur tambahan dan memerlukan waktu yang relatif lebih lama. Hal ini dikarenakan grafik hubungan level suara terhadap waktu perlu diubah ke dalam bentuk grafik FFT (Amrani, 2013).
Berdasarkan uraian di atas, penelitian yang akan dilakukan bertujuan untuk mengukur dan membandingkan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar antara dua jenis sensor yaitu sensor tekanan dan sensor bunyi.
Pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar dengan menggunakan dua jenis sensor ini memanfaatkan laboratorium berbasis komputer untuk melakukan pengukuran bunyi di udara. Alat yang digunakan dalam penelitian terdiri dari tabung suntik, sensor tekanan, sensor bunyi, labpro, statip dan komputer. Dalam penelitian ini digunakan software Logger Pro. Dengan menggunakan software tersebut, proses pengukuran, perhitungan data, pembuatan grafik, dan fitting data dapat dilakukan dengan mudah (Santosa, 2014). Hal menarik dalam penelitian ini adalah alat yang digunakan sederhana dan mudah diperoleh karena tersedia di laboratorium, mudah dioperasikan, biaya terjangkau dan tidak memerlukan waktu yang lama.
Penelitian ini diharapkan dapat berguna dalam bidang pendidikan dan bidang penelitian disemua tingkat kalangan pendidikan khususnya tingkat
4
Sekolah Menengah Atas dan perguruan tinggi. Penelitian ini juga diharapkan dapat membantu siswa/I untuk dapat lebih memahami tentang ilmu bunyi dan gelombang, khususnya materi tentang gelombang bunyi dan tekanan.
Penelitian tentang kecepatan bunyi di udara dengan menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi cocok untuk mahasiswa baik mahasiswa fisika maupun mahasiswa pendidikan fisika di perguruan tinggi dan universitas karena dapat dijadikan sebagai percobaan laboratorium atau demonstrasi ruang kelas serta dapat berfungsi sebagai alat pedagogis untuk meningkatkan pemahaman.
1.2 RUMUSAN MASALAH
1. Bagaimana cara menentukan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi?
2. Bagaimana perbandingan pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi dengan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar yang diperoleh dari persamaan?
1.3 BATASAN MASALAH
Dari latar belakang penelitian ini, terdapat beberapa masalah yang terkait dengan pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar. Pada penelitian ini, masalah dibatasi pada:
1. Pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi, dan tabung suntik sebagai kolom udara.
2. Panjang kolom udara sama dengan panjang tabung suntik.
3. Suhu ruangan yang digunakan adalah suhu ruangan selama proses pengambilan data penelitian.
4. Frekuensi yang digunakan adalah frekuensi dasar kolom udara dalam tabung suntikan.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1.4 TUJUAN PENELITIAN Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Menentukan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi.
2. Menyajikan dan membandingkan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi dengan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar yang diperoleh dari persamaan.
1.5 MANFAAT PENELITIAN 1. Bagi Peneliti
a. Mengetahui cara menentukan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi.
b. Mengetahui perbandingan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar dari hasil pengukuran yang menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi dengan yang diperoleh menggunakan persamaan.
2. Bagi Pembaca
a. Dapat mempelajari cara menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi sebagai media pembelajaran baik bagi siswa, mahasiswa maupun guru dalam mengukur kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar.
b. Dapat mempelajari cara penggunaan software Logger Pro dan FFT khususnya untuk menentukan nilai frekuensi dasar.
1.6 SISTEMATIKA PENULISAN 1. BAB 1 Pendahuluan
BAB 1 mengarahkan pada latar belakang penelitian, rumusan masalah, batasan masalah dalam penelitian ini, tujuan penelitian, manfaat penelitian baik bagi peneliti maupun bagi pembaca, serta sistematika penulisan.
6
2. BAB 2 Dasar Teori
BAB 2 menunjukkan tentang teori yang digunakan dalam penelitian ini, dimana pada bagian dasar teori ini berisi teori yang berkaitan dan mendukung penelitian yang dilakukan.
3. BAB 3 Eksperimen
Pada BAB 3 ini berisi uraian dari rangkaian alat yang digunakan dalam eksperimen, prosedural pengambilan data eksperimen, dan analisis data.
4. BAB 4 Hasil dan Pembahasan
Bagian BAB 4 berisi tentang data yang diperoleh dari eksperimen, hasil pengolahan data, dan pembahasan hasil yang diperoleh dari penelitian yang dilakukan.
5. BAB 5 Penutup
BAB 5 berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian yang telah dilakukan.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
7
BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1 GELOMBANG BUNYI
Gelombang didefinisikan dengan gerak menjalar/merambat dari suatu gangguan dengan kecepatan seragam, di mana kecepatan partikel medium berbeda pada kedudukan yang berbeda. Gerak gelombang terjadi secara periodik yang berasal dari suatu sumber gangguan yang bergetar/berosilasi secara periodik. Gerak osilasi merupakan gerak bolak balik pada suatu titik atau kedudukan kesetimbangan. Gangguan yang merambat terkait dengan momentum dan energi. Jika ditinjau gelombang pada tali atau air, maka gangguan akan memberikan simpangan. Sementara itu, gangguan pada gelombang udara dan cairan merupakan perambatan dari elemen udara atau cairan yang memiliki tekanan tertentu. Medium rambat hanya berosilasi terhadap kedudukan kesetimbangan (Budi, 2013).
Medium yang dilewati oleh gelombang tidak berjalan melalui ruang.
Partikel–partikelnya masing–masing mengalami gerak bolak–balik atau gerak turun–naik di sekitar posisi kesetimbangannya. Partikel–partikel atau molekul–molekul udara hanya bergerak bolak–balik saja tetapi tidak ikut merambat bersama gelombang. Gerak gelombang mengangkut energi dari satu daerah medium ke daerah lainnya. Gelombang mengangkut energi, tetapi tidak mengangkut materi, dari satu daerah ke daerah lainnya. Sebuah gelombang mempunyai frekuensi, periode, kecepatan gelombang, panjang gelombang, amplitudo dan energi, serta fungsi gelombang.
Gelombang yang berjalan atau merambat melalui medium memiliki laju tertentu yang dinamakan laju perambatan atau laju gelombang. Sebutan lain untuk laju perambatan atau laju gelombang adalah kecepatan gelombang atau cepat rambat gelombang yang diberi simbol 𝑣. Fungsi gelombang, yakni suatu fungsi yang menjelaskan posisi sembarang partikel dalam medium itu
8
pada sembarang waktu (Young dan Freedman, 2003). Frekuensi gelombang didefinisikan sebagai banyaknya gelombang yang melewati suatu titik tiap detik. Periode gelombang didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan oleh satu titik untuk dilewati dua puncak gelombang (atau satu gelombang penuh) berturut–turut. Kecepatan gelombang atau cepat rambat gelombang merupakan kecepatan lewatnya dua puncak gelombang berturut–turut pada suatu titik tertentu. Amplitudo gelombang adalah tinggi puncak gelombang (Surya, 2010).
Gelombang bunyi merupakan gelombang longitudinal yang terjadi karena perapatan dan perenggangan dalam medium gas, cair, atau padat. Gelombang longitudinal didefinisikan sebagai gelombang yang arah gangguannya atau arah gerakan partikel yang dilewatinya sejajar dengan arah rambatannya.
Misalnya gelombang pada pegas dan gelombang bunyi di udara. Gelombang bunyi dihasilkan ketika sebuah benda yang digetarkan dan menyebabkan gangguan kerapatan medium. Gangguan dijalarkan di dalam medium melalui interaksi molekul–molekulnya. Getaran molekul berlangsung sepanjang arah penjalaran gelombang. Di dalam gas, kerapatan dan tekanan terkait erat. Oleh karena itu, gelombang bunyi dalam gas seperti udara dapat dipandang sebagai gelombang kerapatan atau gelombang tekanan, yaitu getaran longitudinal molekul–molekul udara maju–mundur karena variasi tekanan udara (Tipler, 1998). Gelombang bunyi termasuk dalam gelombang tiga dimensi yang dihasilkan dari pergeseran dan perubahan dimensi dari elemen volume udara dalam suatu tabung searah gaya gangguan (Budi, 2013).
Gelombang bunyi dapat dihasilkan oleh suatu sumber yang bergetar dengan gerak harmonik sederhana. Sumber yang bergetar menyebabkan molekul–molekul udara di dekatnya berosilasi dengan gerak harmonik sederhana di sekitar posisi kesetimbangannya. Molekul ini bertumbukan dengan molekul–molekul tetangganya, sehingga menyebabkan molekul–
molekul itu berosilasi. Simpangan gelombang dari molekul dapat ditulis secara matematis menjadi:
𝑦 = 𝐴 sin(𝑘𝑥 − 𝜔𝑡) (2.1)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
dengan 𝐴 adalah simpangan maksimum molekul gas dari posisi kesetimbangannya, 𝑘 merupakan bilangan gelombang, dan 𝜔 adalah frekuensi sudut.
Gambar 2.1. Hubungan gelombang simpangan dengan perubahan tekanan
Simpangan dari persamaan (2.1) menunjukkan bunyi merupakan gelombang longitudinal karena simpangan yang diberikan sejajar dengan arah gerak gelombang. Simpangan ini menyebabkan variasi kerapatan dan tekanan udara. Tekanan dalam gas sebanding dengan kerapatan, maka perubahan tekanan adalah maksimum ketika perubahan kerapatannya maksimum.
Gambar 2.1 menunjukkan:
(a) Simpangan dan titik setimbang molekul–molekul udara dalam gelombang bunyi harmonik versus posisi pada suatu saat. Molekul–
molekul berada dalam posisi kesetimbangan di titik x1, dan x3, dan mempunyai simpangan maksimum di titik x2;
(b) Beberapa molekul yang ditempatkan sama pada posisi kesetimbangannya sebelum gelombang bunyi tiba. Arah anak panah menyatakan arah simpangan yang akan disebabkan gelombang bunyi;
10
(c) Molekul–molekul di dekat titik x1, x2, dan x3 setelah gelombang bunyi tiba;
(d) Kerapatan maksimum pada x3 dan minimum pada x1, yang keduanya merupakan titik dengan simpangan nol;
(e) Perubahan tekanan versus posisi. Perubahan tekanan dan simpangan berbeda fase 90°.
Ketika simpangan nol, perubahan tekanan dan kerapatan bernilai maksimum atau minimum. Bila simpangan bernilai maksimum atau minimum, perubahan tekanan dan kerapatan sama dengan nol. Maka dapat diperoleh persamaan gelombang tekanan yaitu:
𝑃 = 𝑃0sin(𝑘𝑥 − 𝜔𝑡 − 𝜋 2⁄ ) (2.2) dengan 𝑃 menyatakan perubahan tekanan dari tekanan kesetimbangan dan 𝑃0 menyatakan nilai maksimum dari perubahan tekanan dan dinamakan amplitudo tekanan (Tipler, 1998; Halliday, 1987).
2.1.1 Laju Gelombang Bunyi
Tipler (1998) menyatakan bahwa laju gelombang bunyi sama seperti laju gelombang pada tali, juga bergantung pada sifat medium.
Untuk gelombang bunyi dalam fluida, laju gelombang bunyi ditentukan oleh modulus limbak (bulk modulus) dan rapat kesetimbangan medium (yang mana merujuk pada massa jenis fluida). Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:
𝑣 = √𝐵𝜌 (2.3)
Keterangan:
𝑣 : Laju gelombang bunyi (m/s) 𝐵 : Modulus limbak (Bulk modulus) 𝜌 : Massa jenis fluida (kg/m3)
Untuk gelombang bunyi pada suatu batang padat dan panjang, laju gelombang bunyi dapat ditentukan oleh modulus Young dan rapat PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
kesetimbangan medium (yang mana merujuk pada massa jenis batang).
Secara matematis ditulis sebagai berikut:
𝑣 = √𝑌
𝜌 (2.4)
Keterangan:
𝑣 : Laju gelombang bunyi (m/s) 𝑌 : Modulus Young
𝜌 : Massa jenis batang (kg/m3)
Untuk gelombang bunyi dalam gas seperti udara, laju gelombang bunyi secara matematis ditulis sebagai berikut:
𝑣 = √𝛾𝑅𝑇
𝑀 (2.5)
Keterangan:
𝑣 : Laju gelombang bunyi (m/s)
𝛾 : Konstanta yang bergantung pada jenis gas 𝑅 : Konstanta gas universal (8,314 J/mol.K) 𝑇 : Temperatur mutlak (K)
𝑀 : Massa molar gas (29 × 10-3 kg/mol)
Laju gelombang bunyi di udara juga dapat ditentukan melalui hubungan antara panjang gelombang 𝜆 dan frekuensi 𝑓, yang secara matematis ditulis sebagai berikut:
𝑣 = 𝜆𝑓 (2.6)
Kecepatan bunyi di udara bergantung pada suhu udara. Secara matematis dapat dituliskan:
𝑣𝑡 = 𝑣0√ 𝑇
273 (2.7) 𝑣𝑡 = 𝑣0√1 + 𝑡
273 (2.8) Keterangan:
𝑣𝑡: Kecepatan bunyi di udara pada suhu 𝑡 ℃
12
𝑣0: Kecepatan bunyi di udara pada suhu 0 ℃
Menurut Giancoli (2014), laju bunyi berbeda dalam material yag berbeda. Di udara pada 0℃ dan 1 atm, bunyi berjalan pada kecepatan 331 m s⁄ . Laju bunyi dalam berbagai material diberikan dalam tabel 2.1.1.
Tabel 2.1.1 Laju Bunyi dalam Berbagai Material (𝟐𝟎℃
dan 1 atm)
Material Laju (m⁄ ) s
Udara 343
Udara (0℃) 331
Helium 1005
Hidrogen 1300
Air 1440
Air Laut 1560
Besi dan Baja ≈ 5000
Kaca ≈ 4500
Aluminium ≈ 5100
Kayu Keras ≈ 4000
Beton ≈ 3000
2.2 GELOMBANG BERDIRI PADA KOLOM UDARA
Sumber bunyi yang menggunakan kolom udara sebagai sumber getarnya disebut juga pipa organa. Pipa organa berupa tabung yang berisi kolom udara.
Ukuran panjangnya jauh lebih besar dari lebarnya. Ukuran ini memungkinkan terbentuknya gelombang longitudinal berdiri di dalam tabung, sehingga dapat menghasilkan bunyi. Perbedaan fase yang terjadi antara gelombang datang dan gelombang pantul terletak pada perbedaan ujung pipa, yaitu terbuka dan tertutup. Dalam kolom udara, gelombang digambarkan dalam konteks aliran udara yaitu dalam konteks perpindahan dan dalam konteks tekanan (Giancoli, 2014).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Pada ujung pipa udara terbuka, molekul–molekul udara secara penuh mempunyai kebebasan untuk bergerak. Gelombang yang dipantulkan oleh ujung terbuka terhadap udara mendekati sefase dengan gelombang datang jika diameter tabung relatif lebih kecil terhadap panjang gelombang bunyi.
Akibatnya, ujung yang terbuka terhadap kolom udara mendekati bentuk puncak/perut dan terjadi tekanan yang minimum. Pada pipa organa dengan ujung tertutup, identik dengan gelombang transversal pada tali yang terikat dimana pada ujung yang tertutup gelombang pantul mengalami perubahan fase sebesar 180o terhadap gelombang datang. Sehingga, pada ujung tertutup terjadi simpul dan berkaitan dengan titik maksimum terhadap tekanan. Pipa organa dibedakan menjadi dua, yaitu pipa organa terbuka dan pipa organa tertutup (Halliday, 1987).
Surya (2010) dalam bukunya mengatakan bahwa bunyi dapat terjadi karena adanya sumber bunyi yang bergetar, telinga atau penerima yang baik, dan medium yang merambatkan bunyi. Ketika dua buah benda diletakkan berdekatan, saat benda 1 digetarkan maka benda 2 juga ikut bergetar. Gejala ikut bergetarnya suatu benda akibat getaran dari benda lain disebut resonansi.
Resonansi dapat terjadi jika kedua benda mempunyai frekuensi dasar atau frekuensi alamiah yang sama. Resonansi juga dapat terjadi pada kolom–
kolom udara (tabung kolom udara). Ketika suatu sumber bunyi diletakkan dekat kolom udara, udara dalam kolom tersebut akan ikut bergetar jika frekuensi sumber bunyi itu sama dengan frekuensi alamiah getaran kolom udara. Resonansi kolom udara ini ditandai dengan lebih kerasnya bunyi yang terdengar.
Gambar 2.2. Pipa organa tertutup
P 𝑙 S
14
Keadaan resonansi udara pada pipa organa tertutup terjadi bila panjang kolom udara memenuhi:
𝑙𝑛+ 𝑘 =2𝑛+1
4 𝜆 (2.9)
Keterangan:
𝑙 : Panjang kolom udara dalam tabung kolom udara 𝑛 : 0, 1, 2, 3 ...
𝜆 : Panjang gelombang bunyi 𝑘 : Faktor koreksi
Gambar 2.3. Nada dasar pada pipa organa tertutup
Jika sepanjang pipa organa seperti pada gambar di atas terbentuk 1⁄4
gelombang, maka nada yang dihasilkan disebut nada dasar. Untuk nada dasar pada pipa organa tertutup, resonansi terjadi bila:
𝑙0+ 𝑘 =1
4𝜆 (2.10)
dengan 𝑙0 adalah panjang tabung resonansi saat terjadi peristiwa resonansi pertama. Untuk resonansi pertama, panjang gelombang bunyi dapat ditentukan dari persamaan (2.10) sehingga diperoleh:
𝜆 = 4 (𝑙0+ 𝑘) (2.11)
Menurut teori dalam artikel D. Amrani (2013), ditemukan bahwa faktor koreksi 𝑘 sama dengan 0,4d, dimana d merupakan diameter dalam tabung kolom udara. Oleh karena itu, nilai panjang gelombang bunyi pada persamaan (2.11) dapat dirumuskan menjadi:
𝜆 = 4 (𝑙0+ 0,4𝑑) (2.12)
S l P
𝑙0
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Nilai panjang gelombang bunyi pada persamaan (2.12) dapat disubstitusikan pada persamaan (2.6), maka nilai laju gelombang bunyi atau kecepatan bunyi di udara adalah:
𝑣 = 4𝑓 (𝑙0+ 0,4𝑑) (2.13)
dimana 𝑓 adalah nilai frekuensi dasar atau frekuensi alamiah bunyi.
16
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 TEMPAT DAN WAKTU PENELITIAN
Penelitian ini termasuk dalam jenis penelitian ekperimental yang dilaksanakan di ruang penelitian Laboratorium Fisika, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.
3.2 TAHAPAN PENELITIAN
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi serta menyajikan dan membandingkan pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi dengan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar yang diperoleh dari persamaan (2.8). Tujuan penelitian ini dicapai dengan melakukan eksperimen yang terbagi menjadi tiga tahap, yaitu: tahap pertama persiapan alat dan bahan, tahap kedua yaitu prosedur dan pengambilan data, dan tahap ketiga yaitu analisis data. Tahap pertama persiapan alat dan bahan dijadikan sebagai tes pendahuluan yang dilakukan untuk menentukan kondisi optimal dari panjang percobaan, sensitivitas alat dan laju sampel sensor.
3.2.1 PERSIAPAN ALAT DAN BAHAN
Serangkaian alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari beberapa komponen beserta fungsinya sebagai berikut : PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1. Tabung suntik
Tabung suntik yang digunakan berbeda–beda baik untuk variasi panjang dan diameter dalam tabung suntiknya. Bagian tabung suntik yang digunakan adalah plunger dan tabung suntikan. Plunger digerakan keluar sepenuhnya secara cepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan. Oleh karena itu, plunger berfungsi sebagai pemberi getaran dan tabung suntikan berfungsi sebagai tabung kolom udara.
Tabung suntik yang digunakan seperti pada gambar 3.1.
Gambar 3.1. Tabung suntik
2. Komputer
Komputer digunakan untuk menampilkan, menyimpan, dan menganalisis data hasil penelitian. Di dalam komputer diinstal aplikasi logger pro. Komputer menghubungkan aplikasi logger pro yang telah diinstal dengan perangkat luar labpro. Komputer menyimpan dan menganalisis data hasil penelitian dengan bantuan grafik yang diperoleh dalam eksperimen untuk memperoleh nilai
18
frekuensi dasar kolom udara yang akan digunakan dalam menghitung nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar.
3. Sensor tekanan
Sensor tekanan berfungsi untuk mendeteksi dan merekam variasi perubahan tekanan gas setiap waktu tertentu yang terjadi dalam tabung kolom udara ketika plunger pada tabung suntik digerakan keluar sepenuhnya secara cepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan. Sensor tekanan yang digunakan seperti pada gambar 3.2.
Gambar 3.2. Sensor tekanan
4. Sensor bunyi
Sensor bunyi berfungsi untuk mendeteksi dan merekam variasi level bunyi yang terdengar ketika plunger pada tabung suntik digerakan keluar sepenuhnya secara cepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan. Sensor bunyi yang digunakan seperti pada gambar 3.3.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Gambar 3.3. Sensor bunyi
5. Labpro
Labpro digunakan sebagai interface untuk menghubungkan komputer dengan sensor tekanan dan sensor bunyi. Labpro mentransfer data pengukuran sehingga dapat muncul dalam aplikasi logger pro yang ada di komputer. Labpro yang digunakan seperti pada gambar 3.4.
Gambar 3.4. Labpro
20
6. Fast Fourier Transform (FFT)
FFT merupakan suatu algoritma untuk menghitung transformasi Fourier diskrit dengan cepat dan lebih efisien. Dalam penelitian ini, FFT digunakan untuk menganalisis frekuensi dasar dari pengukuran kecepatan bunyi di udara yang menggunakan sensor bunyi. Frekuensi dasar digunakan untuk menentukan kecepatan bunyi di udara dalam tabung suntik. FFT digunakan untuk mempermudah dan mempercepat peneliti untuk mengetahui frekuensi dasar tanpa memerlukan waktu yang lama dan tanpa menggunakan proses yang sulit.
7. Jangka sorong
Dua komponen yang juga penting untuk perhitungan kecepatan bunyi di udara adalah panjang tabung kolom udara dan diameter bagian dalam tabung suntik. Jangka sorong digunakan untuk mengukur panjang tabung kolom udara dan diameter dalam tabung suntik. Jangka sorong memiliki ketelitian yang lebih daripada penggaris (alat pengukur panjang lainnya) yaitu sebesar 0,005 cm.
Jangka sorong dilengkapi dengan dua jenis skala pengukuran yaitu skala utama dan skala nonius. Jangka sorong yang digunakan seperti pada gambar 3.5 berikut.
Gambar 3.5. Jangka sorong
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
8. Statip
Statip digunakan sebagai penyangga sensor bunyi. Sensor bunyi ditempatkan pada statip agar mengurangi dan meminimalisir resiko adanya gangguan yang akan mempengaruhi hasil pengukuran, yaitu perubahan posisi alat selama eksperimen berlangsung. Statip yang digunakan seperti pada gambar 3.6.
Gambar 3.6. Statip
3.2.2 PROSEDUR DAN PENGAMBILAN DATA
1. Alat yang digunakan dalam penelitian dirangkai dalam satu rangkaian yang terdiri dari tabung suntik, sensor tekanan, sensor bunyi, labpro, statip dan komputer. Rangkaian alat yang digunakan pada penelitian seperti pada gambar 3.7 berikut
Gambar 3.7. Rangkaian alat
22
Keterangan:
A: Komputer D: Tabung Suntik
B: Labpro E: Sensor Bunyi
C: Sensor Tekanan F: Statip
Sensor tekanan dipasang pada ujung tabung suntik. Sensor tekanan dan sensor bunyi masing–masing dihubungkan dengan labpro. Labpro dihubungkan dengan komputer. Sensor tekanan gas ditancapkan secara hermatis ke ujung tabung suntik, sedangkan sensor bunyi ditempatkan pada statip. Hermatis artinya tidak ada udara yang masuk (kedap udara).
2. Pada komputer dibuka aplikasi software logger pro, kemudian mengklik menu open – Physics with Vernier – 34 Tones Vowels Telephone sehingga akan muncul tampilan seperti pada gambar 3.8.
Gambar 3.8. Tampilan aplikasi software logger pro
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Tampilan aplikasi logger pro pada gambar 3.8 menunjukkan komputer telah terhubung dengan sensor tekanan dan sensor bunyi.
Dalam gambar 3.8 terdapat dua grafik yaitu grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu dan grafik FFT yaitu grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi.
3. Pada Software logger pro, waktu pengambilan data yang digunakan dan jumlah sampel diatur dengan mengklik icon data collection sehingga muncul tampilan seperti pada gambar 3.9.
Gambar 3.9. Tampilan kolom untuk mengatur waktu pengambilan data dan jumlah sampel
4. Bagian tabung suntik yang digunakan adalah bagian plunger dan tabung suntikan. Plunger sebagai penggetar dan tabung suntikan sebagai kolom udara. Diukur panjang tabung kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung suntikan (𝑑) dengan menggunakan jangka sorong.
24
Gambar 3.10. Pengukuran panjang tabung kolom udara dengan menggunakan jangka sorong
Gambar 3.11. Pengukuran diameter dalam tabung kolom udara dengan menggunakan jangka sorong
Ada beberapa tabung suntik yang digunakan dalam penelitian ini untuk variasi panjang dan diameter dalam tabung suntik. Setiap tabung suntik diukur panjang kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung (𝑑). Panjang kolom udara sama dengan panjang tabung suntik.
Dari beberapa buah tabung suntik dengan diameter sama yang telah PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
disediakan, panjang tabung suntik sebagai panjang kolom udara divariasi dengan dengan memperpendek panjang tabung suntik dengan cara dipotong menggunakan gunting. Disediakan pula beberapa tabung suntik dengan diameter yang berbeda–beda, kemudian panjang kolom udara beberapa tabung suntik ini dipotong dengan ukuran yang sama. Hasil pengukuran panjang kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung (𝑑) dicatat dalam tabel hasil pengukuran masing–masing variabel.
5. Dicatat suhu udara ruangan saat pengambilan data penelitian berlangsung.
6. Nilai panjang tabung kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung (𝑑) yang telah diperoleh dalam pengukuran digunakan untuk menghitung nilai panjang gelombang (𝜆) untuk masing–masing panjang kolom udara dan diameter dalam tabung suntik. Nilai panjang gelombang (𝜆) diperoleh dengan perhitungan menggunakan persamaan (2.12). Nilai panjang gelombang bunyi dicari menggunakan dua cara. Pertama;
mencari nilai panjang gelombang bunyi dengan panjang kolom udara divariasi (variabel bebas) sedangkan diameter dalam tabung dibuat tetap (variabel kontrol). Kedua; mencari nilai panjang gelombang bunyi dengan diameter dalam tabung divariasi (variabel bebas) sedangkan panjang kolom udara dibuat tetap (variabel kontrol). Nilai panjang gelombang bunyi dengan panjang kolom udara divariasi (variabel bebas) sedangkan diameter dalam tabung dibuat tetap (variabel kontrol) yang diperoleh dimasukkan dalam tabel berikut.
26
Tabel Hubungan panjang gelombang bunyi (𝝀) terhadap panjang kolom udara (𝒍𝟎)
𝑑 = ... m
Suhu udara (T) = ... ℃
Nilai panjang gelombang bunyi dengan diameter dalam tabung divariasi (variabel bebas) sedangkan panjang kolom udara dibuat tetap (variabel kontrol) yang diperoleh dimasukkan dalam tabel seperti berikut.
Tabel Hubungan panjang gelombang bunyi (𝝀) terhadap diameter dalam tabung (𝒅)
𝑙0 = ... m Suhu udara (T) = ... ℃
a. Sensor Tekanan
1. Plunger pada tabung suntik digerakkan keluar sepenuhnya secara cepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan setelah mengklik icon collect. Gerakan keluar plunger sepenuhnya secara cepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan menghasilkan adanya perubahan tekanan gas setiap waktu tertentu di dalam tabung kolom udara dan bunyi dengungan. Perubahan tekanan gas terjadi karena udara di dalam kolom udara mendapat tekanan yang No. Panjang kolom udara
(m)
Panjang gelombang bunyi (m)
1.
2.
dst.
No. Diameter dalam tabung (m)
Panjang gelombang bunyi (m)
1.
2.
dst.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
bervariasi dari plunger yang digerakan keluar sepenuhnya secara cepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan. Perubahan tekanan terjadi secara periodik terhadap waktu. Sensor tekanan akan mendeteksi dan merekam tekanan gas yang berubah–ubah setiap waktu tertentu dalam tabung kolom udara. Langkah ini dilakukan berulang kali untuk satu panjang kolom udara dan diameter dalam tabung suntik yang digunakan. Langkah ini juga dilakukan berulang kali untuk masing–masing panjang kolom udara dan diameter dalam tabung suntik yang digunakan.
2. Labpro mentransfer data pengukuran dari sensor tekanan dan sensor bunyi sehingga dapat muncul dalam aplikasi logger pro yang ada di komputer. Data pengukuran dari sensor tekanan diperoleh dalam bentuk grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu. Grafik data pengukuran dari sensor tekanan untuk setiap panjang kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung suntik dianalisis untuk menghitung frekuensi dasar atau frekuensi alamiah (𝑓). Untuk grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu, nilai frekuensi dasar (𝑓) ditentukan dari interval waktu antara puncak pertama ke puncak ke n yang mewakili osilasi periodik karena adanya variasi tekanan.
3. Nilai frekuensi dasar (𝑓) dan panjang gelombang (𝜆) yang telah diperoleh untuk setiap panjang kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung suntik dimasukkan pada tabel hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi.
Tabel Hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi.
Suhu udara (T) = ... ℃
No. 𝜆 (m) 1
⁄ (m𝜆 -1) 𝑓 (Hz) 1.
Dst.
28
4. Tabel hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi kemudian dibuat ke dalam bentuk grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1⁄ (m𝜆 -1) untuk mencari nilai kecepatan bunyi di udara (𝑣) pada suhu kamar menggunakan aplikasi logger pro seperti berikut.
Gambar 3.12 Contoh grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1)
Kemudian fit dengan persamaan garis f = mx. m merupakan gradien garis dan x menunjukkan variabel yang berada di sumbu x.
𝑣 = 𝜆𝑓 𝑓 = 𝑣
𝜆 𝑓 = 𝑣 1
𝜆 Karena 1
𝜆 adalah variabel di sumbu x, maka nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar 𝑣 sama dengan nilai gradien m (𝑣 = 𝑚).
5. Dengan data suhu udara T yang dicatat selama proses pengambilan data penelitian, dihitung pula nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 pada suhu T menggunakan persamaan (2.8). Nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 pada suhu T yang diperoleh ini dibandingkan dengan nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 yang diperoleh menggunakan sensor PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
tekanan. Hal ini digunakan untuk menghitung dan mengetahui seberapa besar perbandingannya melalui presentase kesalahan dalam penelitian yang dilakukan dengan menggunakan persamaan :
𝐾𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 =𝐻𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑟𝑎𝑡𝑎−𝐻𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑒ℎ𝑎𝑟𝑢𝑠𝑛𝑦𝑎
𝐻𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑒ℎ𝑎𝑟𝑢𝑠𝑛𝑦𝑎 × 100% (3.1)
dimana harga rerata disini adalah nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 yang diperoleh dari grafik dan harga seharusnya adalah nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 pada suhu T menggunakan persamaan (2.8).
6. Nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 pada suhu kamar beserta persentase kesalahan yang diperoleh menggunakan sensor tekanan juga dibandingkan dengan nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 pada suhu kamar beserta persentase kesalahan yang diperoleh menggunakan sensor bunyi untuk mengetahui data hasil pengukuran mana yang lebih baik dan akurat dalam pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar ini.
b. Sensor Bunyi
1. Plunger pada tabung suntik digerakkan keluar sepenuhnya secara cepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan setelah mengklik icon collect. Gerakan keluar plunger sepenuhnya secara cepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan menghasilkan adanya perubahan tekanan gas setiap waktu tertentu di dalam tabung kolom udara dan bunyi dengungan. Bunyi dengungan yang terdengar ketika plunger digerakkan keluar sepenuhnya dari tabung suntikan terjadi karena adanya peristiwa resonansi dalam tabung kolom udara tersebut. Peristiwa resonansi yang terjadi ini mengikuti keadaan dimana frekuensi ditentukan oleh benda yang ikur bergetar yaitu frekuensi kolom udara. Frekuensi dari penggetar yaitu frekuensi plunger diatur agar sama dengan frekuensi kolom
30
udara yang bergetar. Panjang kolom udara telah ditentukan berapa panjangnya sehingga diatur frekuensi plunger untuk dapat berdengung paling keras. Sensor bunyi mendeteksi dan merekam bunyi dengungan yang terdengar ketika plunger digerakkan keluar sepenuhnya secepat dan sekuat mungkin dari tabung suntikan.
Langkah ini dilakukan berulang kali untuk satu panjang kolom udara dan diameter dalam tabung suntik yang digunakan. Langkah ini juga dilakukan berulang kali untuk masing–masing panjang kolom udara dan diameter dalam tabung suntik yang digunakan.
2. Labpro mentransfer data pengukuran dari sensor tekanan dan sensor bunyi sehingga dapat muncul dalam aplikasi logger pro yang ada di komputer. Data pengukuran dari sensor bunyi diperoleh dalam bentuk grafik FFT (grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi). Grafik data pengukuran dari sensor bunyi untuk setiap panjang kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung suntik juga dianalisis untuk menghitung frekuensi dasar atau frekuensi alamiah (𝑓). Untuk grafik FFT (grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi), nilai frekuensi dasar (𝑓) yang diperoleh adalah nilai frekuensi pada amplitudo tertinggi yang telah tercantum pada grafik FFT.
3. Nilai frekuensi dasar (𝑓) dari sensor bunyi dan panjang gelombang (𝜆) yang telah diperoleh untuk setiap panjang kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung suntik juga dimasukkan pada tabel hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi seperti pada prosedur percobaan sensor tekanan.
4. Langkah 4 sampai langkah 6 pada prosedur percobaan yang menggunakan sensor tekanan juga dilakukan pada sensor bunyi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3.2.3 ANALISIS DATA
Kecepatan bunyi di udara diperoleh dari hubungan panjang gelombang bunyi dan frekuensi bunyi. Nilai panjang tabung kolom udara (𝑙0) dan diameter dalam tabung (𝑑) yang telah diperoleh dalam pengukuran digunakan untuk menghitung nilai panjang gelombang (𝜆) untuk variasi panjang kolom udara saat diameter dalam tabung suntik dibuat tetap dan nilai panjang gelombang (𝜆) untuk variasi diameter dalam tabung suntik saat nilai panjang kolom udara dibuat tetap. Nilai panjang gelombang (𝜆) dicari menggunakan persamaan (2.12).
Pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar dilakukan menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi. Data pengukuran dalam bentuk grafik dari penelitian kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar akan dianalisis untuk menghitung nilai frekuensi dasar atau frekuensi alamiah (𝑓).
Dalam aplikasi software logger pro terdapat dua buah grafik diantaranya grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu dan grafik FFT yaitu grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi. Data pengukuran dari sensor tekanan ditampilkan dalam bentuk grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu. Frekuensi dasar yang diperoleh menggunakan sensor tekanan gas akan ditentukan dari interval waktu antara puncak pertama ke puncak ke n yang mewakili osilasi periodik karena adanya variasi tekanan. Kemudian dicari nilai periode dan frekuensi dasar bunyi. Periode disini merupakan hasil perbandingan jumlah interval waktu antara puncak pertama ke puncak ke n dengan jumlah puncak gelombang. Sedangkan frekuensi dasar bunyi sama dengan satu per periode bunyi.
Data pengukuran dari sensor bunyi ditampilkan dalam bentuk grafik FFT. Grafik ini tidak dianalisis lagi karena grafik FFT langsung menunjukkan dan mencantumkan nilai frekuensi dasar yang dicari. Dari nilai frekuensi yang tercantum dalam grafik FFT tersebut dicari nilai tengahnya. Dari grafik FFT, nilai frekuensi dasar yang diperoleh adalah
32
nilai frekuensi pada amplitudo tertinggi. Amplitudo merupakan tinggi rendahnya bunyi (level suara). Amplitudo tertinggi menunjukkan bunyi paling tinggi yang terdengar akibat adanya peristiwa resonansi. Nilai panjang gelombang bunyi dan nilai frekuensi dasar akan digunakan untuk membuat grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1). Sedangkan grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) dianalisis untuk menghitung nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar. Dari grafik tersebut, nilai kecepatan bunyi di udara sama dengan nilai gradien garis m. Nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 yang diperoleh menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi dibandingkan dengan nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 pada suhu T dari persamaan (2.8). Hal ini digunakan untuk menghitung dan mengetahui seberapa besar perbandingannya melalui nilai presentase kesalahan.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
33
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 HASIL PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk menentukan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi, serta menyajikan dan membandingkan pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi dengan kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar yang diperoleh dari persamaan. Nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar ditentukan melalui hubungan antara panjang gelombang bunyi dan frekuensi seperti yang dijelaskan pada bab 2. Oleh karena itu dalam penelitian ini perlu dicari terlebih dahulu nilai panjang gelombang dan frekuensi bunyinya agar dapat memperoleh nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar.
Nilai panjang gelombang bunyi dicari menggunakan dua cara. Cara pertama yang dilakukan adalah mencari nilai panjang gelombang bunyi dengan panjang kolom udara (𝑙0) divariasi (sebagai variabel bebas) sedangkan diameter dalam tabung (𝑑) dibuat tetap (sebagai variabel kontrol). Selanjutnya cara kedua yang dilakukan adalah mencari nilai panjang gelombang bunyi dengan diameter dalam tabung (𝑑) divariasi (sebagai variabel bebas) sedangkan panjang kolom udara (𝑙0) dibuat tetap (sebagai variabel kontrol). Panjang kolom udara dan diameter dalam tabung diukur menggunakan jangka sorong. Panjang kolom udara sama dengan panjang tabung suntik. Hasil pengukuran panjang kolom udara dan diameter dalam tabung yang digunakan ditampilkan pada masing–masing tabel berikut.
34
Tabel 4.1. Hasil pengukuran panjang kolom udara tabung suntik
Tabel 4.2. Hasil pengukuran diameter dalam tabung suntik
4.1.1 Variasi Panjang Kolom Udara
Setelah mengukur panjang kolom udara dan diameter dalam tabung, selanjutnya dicari nilai panjang gelombang bunyi dengan panjang kolom udara (𝑙0) divariasi (sebagai variabel bebas) sedangkan diameter dalam tabung (𝑑) dibuat tetap (sebagai variabel kontrol) dengan menggunakan persamaan 𝜆 = 4 (𝑙0+ 0,4𝑑). Pada cara pertama ini, diameter dalam tabung 𝑑 yang digunakan adalah 0,0195 m dan dibuat tetap sebagai variabel kontrol. Dengan data panjang kolom udara yang telah diperoleh seperti pada tabel 4.1 maka dicari panjang gelombang bunyi (𝜆) sebagai berikut:
Untuk panjang kolom udara 0,05335 m, maka panjang gelombang bunyi:
𝜆 = 4 (𝑙0+ 0,4𝑑)
𝜆 = 4 (0,05335 + 0,4 . 0,0195) No. Panjang kolom udara
(m)
1. 0,05335
2. 0,0631
3. 0,07335
4. 0,0841
5. 0,0979
No. Diameter dalam tabung (m)
1. 0,0043
2. 0,0087
3. 0,01265
4. 0,01555
5. 0,0195
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
𝜆 = 4 (0,05335 + 0,0078) 𝜆 = 4 (0,06115)
𝜆 = 0,2446 m 𝜆 = 0,245 m
Dengan cara yang sama, dicari pula panjang gelombang bunyi (𝜆) untuk setiap panjang kolom udara yang lainnya. Hasil perhitungan panjang gelombang bunyi dengan panjang kolom udara divariasi sedangkan diameter dalam tabung dibuat tetap (variabel kontrol) ditampilkan dalam tabel 4.3 berikut.
Tabel 4.3. Hubungan panjang gelombang bunyi (𝝀) terhadap panjang kolom udara (𝒍𝟎)
𝑑 = 0,0195 m
Suhu udara (T) = 31 ℃
Nilai frekuensi dasar bunyi (𝑓) dicari dengan menganalisis data penelitian dalam bentuk grafik baik grafik dari sensor tekanan maupun grafik dari sensor bunyi. Grafik yang diperoleh dari pengukuran kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi antara lain grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu dan grafik FFT yaitu grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi. Untuk grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu, nilai frekuensi dasar bunyi (𝑓) diperoleh dengan menentukan interval waktu antara puncak pertama ke puncak ke n. Kemudian dicari nilai periode untuk dapat memperoleh nilai frekuensinya. Untuk grafik FFT yaitu grafik hubungan amplitudo terhadap
No. Panjang kolom udara (m)
Panjang gelombang bunyi (m)
1. 0,05335 0,245
2. 0,0631 0,284
3. 0,07335 0,325
4. 0,0841 0,368
5. 0,0979 0,423
36
frekuensi, nilai frekuensi dasar bunyi (𝑓) telah disediakan dalam grafik.
Nilai frekuensi pada grafik FFT dihitung untuk mencari nilai tengahnya.
Nilai frekuensi dasar bunyi (𝑓) yang diperoleh adalah nilai frekuensi bunyi pada amplitudo tertinggi.
1. Untuk panjang kolom udara 0,05335 m
Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu yang diperoleh untuk panjang kolom udara 0,05335 m yaitu:
Gambar 4.1. Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk panjang kolom udara 0,05335 m
Gambar 4.2. Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk panjang kolom udara 0,05335 m setelah diblok dan fit
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Grafik dari gambar 4.1 diblok untuk mengetahui jumlah interval waktu dari puncak pertama ke puncak ke n dan kemudian fit mengikuti persamaan sinusoidal untuk menentukan jumlah puncak gelombang yang telah diblok seperti pada gambar 4.2. Dari gambar 4.2 diperoleh nilai frekuensi dasar yaitu:
Jumlah interval waktu dari puncak 1 ke puncak 16 (∆𝑡) adalah 0,01064 sekon.
𝑇 =∆𝑡
𝑛 =0,01064 sekon
16 = 0,000665 sekon 𝑓 =1
𝑇= 1
0,000665 sekon= 1.503,76 Hz
Grafik FFT yang diperoleh untuk panjang kolom udara 0,05335 m yaitu:
Gambar 4.3. Grafik FFT (grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi) untuk panjang kolom udara 0,05335 m
Dari gambar 4.3, nilai frekuensi dasar dihitung untuk mencari nilai tengahnya sehingga diperoleh yaitu:
𝑓 =1.510,01 + 1.511,23
2 = 3.021,24
2 = 1.510,62 Hz
2. Untuk panjang kolom udara 0,0631 m
Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu yang diperoleh untuk panjang kolom udara 0,0631 m yaitu:
38
Gambar 4.4. Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk panjang kolom udara 0,0631 m
Gambar 4.5. Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk panjang kolom udara 0,0631 m setelah diblok dan fit
Grafik dari gambar 4.4 diblok untuk mengetahui jumlah interval waktu dari puncak pertama ke puncak ke n dan kemudian fit mengikuti persamaan sinusoidal untuk menentukan jumlah puncak gelombang yang telah diblok seperti pada gambar 4.5. Dari gambar 4.5 diperoleh nilai frekuensi dasar yaitu:
Jumlah interval waktu dari puncak 1 ke puncak 15 (∆𝑡) adalah 0,01148 sekon.
𝑇 =∆𝑡
𝑛 =0,01148 sekon
15 = 0,000765333 sekon
𝑓 =1
𝑇= 1
0,000765333 sekon= 1.306,62 Hz PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
Grafik FFT yang diperoleh untuk panjang kolom udara 0,0631 m yaitu:
Gambar 4.6. Grafik FFT (grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi) untuk panjang kolom udara 0,0631 m
Dari gambar 4.6, nilai frekuensi dasar dihitung untuk mencari nilai tengahnya sehingga diperoleh yaitu:
𝑓 =1.318,36 + 1.319,58
2 = 2.637,94
2 = 1.318,97 Hz
Grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu dan grafik FFT yaitu grafik hubungan amplitudo terhadap frekuensi untuk semua panjang gelombang dengan variasi panjang kolom udara yang lainnya dianalisis dengan cara yang sama seperti di atas untuk memperoleh nilai frekuensi dasar bunyi dari masing–masing grafik tersebut. Hasil perhitungan frekuensi dasar bunyi untuk semua panjang gelombang dengan variasi panjang kolom udara dari grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu dan grafik FFT ditampilkan seperti pada tabel 4.4 berikut.
40
Tabel 4.4. Hasil perhitungan frekuensi dasar bunyi untuk semua panjang gelombang dengan variasi panjang kolom udara
𝑑 = 0,0195 m
Suhu udara (T) = 31 ℃
No. 𝑙0 (m) 𝜆 (m)
𝑓 dari grafik hubungan tekanan offset terhadap
waktu (Hz)
𝑓 dari grafik FFT (Hz)
1. 0,05335 0,245 1.503,76 1.510,62
2. 0,0631 0,284 1.306,62 1.318,97
3. 0,07335 0,325 1.160,86 1.159,06
4. 0,0841 0,368 1.025,92 1.021,12
5. 0,0979 0,423 894,99 889,28
Dari data tabel 4.4 dapat dilihat bahwa nilai panjang kolom udara mempengaruhi nilai frekuensi dasar bunyi. Dimana semakin panjang kolom udara maka semakin kecil frekuensi dasar bunyi. Atau sebaliknya semakin pendek kolom udara maka semakin besar frekuensi dasar bunyinya. Selain itu, semakin besar panjang gelombang bunyi maka frekuensi dasar bunyi semakin kecil. Namun sebaliknya semakin kecil panjang gelombang bunyi maka semakin besar frekuensi dasar bunyinya.
Dicari pula nilai kecepatan bunyi di udara (𝑣) pada suhu 31 ℃ menggunakan persamaan:
𝑣𝑡 = 𝑣0√1 + 𝑡 273
𝑣𝑡= 331 m/s√1 + 31 273 𝑣𝑡 = 349,29 m/s
Nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu 31 ℃ ini digunakan untuk mencari persentase kesalahan dengan nilai kecepatan bunyi di udara pada
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
suhu kamar yang diperoleh menggunakan sensor tekanan dan sensor bunyi. Nilai panjang gelombang bunyi dan frekuensi dasar yang telah diperoleh dimasukkan ke dalam tabel hubungan frekuensi terhadap panjang gelombang bunyi.
Tabel 4.5. Hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi dari grafik hubungan tekanan offset terhadap waktu untuk variasi panjang kolom udara
𝑑 = 0,0195 m
Suhu udara (T) = 31 ℃
No. 𝜆 (m) 1
⁄ (m𝜆 -1) 𝑓 (Hz)
1. 0,245 4,082 1.503,76
2. 0,284 3,521 1.306,62
3. 0,325 3,077 1.160,86
4. 0,368 2,717 1.025,92
5. 0,423 2,364 894,99
Dari data pada tabel 4.5, dibuatlah grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) untuk mencari nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar.
Gambar 4.7. Grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) untuk variasi panjang kolom udara dari sensor tekanan
42
𝑣 = 𝜆𝑓 𝑓 = 𝑣
𝜆 𝑓 = 𝑣 1
𝜆 maka;
𝑣 = 𝑚
Dari gambar 4.7 diperoleh nilai kecepatan bunyi di udara 𝑣 pada suhu kamar sebesar 373,1 ± 2,1 m/s.
Persentase kesalahan:
𝐾𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 =𝐻𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑟𝑒𝑟𝑎𝑡𝑎 − 𝐻𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑒ℎ𝑎𝑟𝑢𝑠𝑛𝑦𝑎
𝐻𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑒ℎ𝑎𝑟𝑢𝑠𝑛𝑦𝑎 × 100%
𝐾𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 =373,1 − 349,29
349,29 × 100%
𝐾𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎ℎ𝑎𝑛 = 6,82 %
Tabel 4.6. Hubungan frekuensi dasar terhadap panjang gelombang bunyi dari grafik FFT untuk variasi panjang kolom udara
𝑑 = 0,0195 m
Suhu udara (T) = 31 ℃
No. 𝜆 (m) 1
⁄ (m𝜆 -1) 𝑓 (Hz)
1. 0,245 4,082 1.510,62
2. 0,284 3,521 1.318,97
3. 0,325 3,077 1.159,06
4. 0,368 2,717 1.021,12
5. 0,423 2,364 889,28
Dari data pada tabel 4.6, dibuatlah grafik hubungan 𝑓 (Hz) terhadap 1 𝜆⁄ (m-1) untuk mencari nilai kecepatan bunyi di udara pada suhu kamar.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
