Efek Doppler

Kompetensi
Setelah mempelajari materi ini anda akan mampu :
  • Menjelaskan efek Doppler
  • Menjelaskan fenomena kecepatan supersonic
  • Menerapkan rumus Doppler
Materi
Efek Doppler
Efek Doppler adalah efek di mana seorang pengamat merasakan perubahan frekuensi dari suara yang didengarnya manakala ia bergerak relatif terhadap sumber suara. Efek ini ditemukan oleh seorang ahli fisika Austria Christian Doppler pada tahun 1842. Untuk menghormati penemuan tersebut maka efek ini disebut efek Doppler.
Efek Doppler yang dirasakan oleh seorang pengamat adalah tatkala ia merasakan frekuensi bunyi yang lebih tinggi dari frekuensi sumber bunyi itu sendiri manakala ia dan/atau sumber bunyi bergerak relatif saling mendekati, dan merasakan frekuensi bunyi yang lebih rendah manakala ia dan/atau sumber bunyi bergerak relatif saling menjauhi. Sekarang perhatikan animasi di bawah ini. Jangan lupa untuk mengubah kecepatan mobil untuk melihat perubahan yang terjadi !

Mobil polisi yang dalam keadaan diam memancarkan gelombang bunyi sirine dengan frekuensi yang sama ke semua arah. Perhatikan jarak muka-muka gelombang suara yang sama ke segala arah. Pengamat yang diam akan merasakan frekuensi gelombang yang sama dengan yang dipancarkan dari mobil polisi. Sekarang perhatikan saat mobil bergerak ke kanan. Muka-muka gelombang suara di depan mobil lebih rapat daripada muka-muka gelombang di belakang mobil. Alhasil, pengamat yang ada di depan mobil (saat mobil mendekat) akan merasakan frekuensi gelombang yang lebih besar bila dibandingkan frekuensi asli dari sumber bunyi. Saat berada di belakang mobil (mobil menjauh), pengamat merasakan frekuensi gelombang yang lebih kecil dari frekuensi asli sumber bunyi.
Inilah penjelasan mengapa pengamat merasakan frekuensi yang berbeda manakala ia bergerak relatif terhadap sumber bunyi. Bagaimana halnya jika sumber bunyi diam sementara pengamat mendekati atau menjauhi sumber bunyi, apakah pengamat merasakan perubahan frekuensi bunyi? Bagaimana bila pengamat dan sumber bunyi bergerak searah dengan kecepatan yang sama, apakah pengamat merasakan perubahan frekuensi bunyi juga? Coba cari jawabannya dengan melihat lagi animasi di atas.
Contoh :
Jika sumber bunyi diam sementara pengamat mendekati atau menjauhi sumber bunyi, apakah pengamat merasakan perubahan frekuensi bunyi ?
Jawab :
Perubahan frekuensi yang dirasakan oleh pengamat tergantung pada kecepatan pengamat ketika ia mendekati atau menjauhi sumber bunyi. Semakin cepat ia bergerak mendekati sumber bunyi maka semakin sering gelombang bunyi yang ia rasakan sehingga frekuensi yang ia rasakan semakin besar. Sebaliknya semakin cepat ia bergerak menjauhi sumber bunyi maka semakin jarang ia merasakan gelombang maka semakin kecil frekuensi yang ia rasakan. Jadi dalam hal ini kecepatan pengamat ataupun sumber bunyi ketika bergerak mempengaruhi frekuensi bunyi yang dirasakan pengamat. Dalam bagian mengenai Rumus Doppler anda akan mendapatkan penjelasan yang lebih detail mengapa kecepatan mempengaruhi frekuensi yang dirasakan pengamat.
Ketika anda mencoba animasi di atas anda mengetahui bahwa ketika kecepatan sumber bunyi berubah pula kerapatan muka gelombang yang diterima oleh pengamat. Dengan kata lain kecepatan mempengaruhi frekuensi yang dirasakan pengamat.
Kecepatan Supersonic
Kecepatan gerak suatu sumber bunyi mempengaruhi bentuk gelombang suara yang dihasilkan sebagaimana ditunjukkan pada peristiwa Efek Doppler. Sekarang kita akan melihat suatu fenomena yang menarik manakala kecepatan suatu sumber bunyi sama atau bahkan melebihi kecepatan bunyi. Apa akibat yang ditimbulkan? mari kita lihat bahasan di bawah ini.
Suatu pesawat terbang yang bergerak dengan kecepatan lebih kecil dari kecepatan bunyi akan menghasilkan muka-muka gelombang yang bergerak lebih cepat daripada pesawat itu sendiri. Akibatnya seorang pengamat akan mendengarkan bunyi pesawat terlebih dahulu sebelum pesawat sampai pada pengamat. Perhatikan animasi berikut ini !

Sekarang bagaimana bila kecepatan pesawat sama dengan kecepatan bunyi? Pesawat yang bergerak dengan kecepatan sama dengan kecepatan bunyi akan menghasilkan muka-muka gelombang yang berimpit pada pesawat. Akibatnya pengamat akan mendengarkan bunyi pesawat bersamaan dengan kedatangan pesawat. Perhatikan animasi di bawah ini !


Sekarang apa yang terjadi jika pesawat (supersonic) bergerak dengan kecepatan melebihi kecepatan suara ? Muka-muka gelombang bunyi yang dihasilkan akan tertinggal di belakang pesawat. Di belakang pesawat terbentuk suatu kerucut gelombang. Pengamat belum mendengarkan bunyi pesawat saat pesawat tepat sampai padanya. Bunyi baru terdengar saat pesawat telah berlalu meninggalkan pengamat. Perhatikan animasi berikut ini !

Gambar di bawah ini adalah gambar pesawat yang bergerak dengan kecepatan sama dengan kecepatan bunyi. Efek yang terjadi adalah apa yang disebut dengan sonic boom. Perhatikan partikel-partikel udara yang merapat disekeliling pesawat saat pesawat telah sampai pada kecepatan bunyi.
Nah setelah mempelajari animasi-animasi di atas anda sekarang dapat menjelaskan mengapa pesawat supersonic baru terdengar suaranya saat ia telah berlalu dari tempat kita mengamati.
Kecepatan suatu obyek yang dibandingkan dengan kecepatan bunyi biasanya dinyatakan dalam mach. Pesawat berkecepatan mach 1 adalah pesawat yang memiliki kecepatan sama dengan kecepatan bunyi. Pesawat berkecepatan mach 1.8 atau mach 2 adalah pesawat dengan kecepatan 1.8x atau 2x kecepatan bunyi.
Rumus Doppler
Perubahan frekuensi bunyi yang dirasakan oleh pengamat manakala ia bergerak relatif terhadap sumber bunyi dirumuskan sebagai berikut :
di mana
v adalah kecepatan bunyi.
vs adalah kecepatan sumber bunyi.
vp adalah kecepatan pengamat.
fs adalah frekuensi sumber bunyi.
fp adalah frekuensi yang dialami oleh pengamat.
Dalam rumus di atas ada beberapa ketentuan terhadap nilai-nilai dari vs dan vp. Ketentuan di bawah ini dapat dijadikan acuan :
  • Arah acuan adalah arah di mana sumber bunyi mendekati pengamat.
  • vsdan vp bernilai positif bila searah dengan arah acuan, dan bernilai negatif bila berlawanan dengan arah acuan.
  • Sesuai arah acuan, vs bernilai positif bila sumber mendekati pengamat, negatif bila menjauhi pengamat.
  • Sesuai arah acuan, vp bernilai positif bila pengamat menjauhi sumber bunyi, negatif bila pengamat mendekati sumber bunyi.

Bila sumber dalam keadaan diam maka vs=0, demikian pula bila pengamat dalam keadaan diam maka vp=0. Kita lihat gambar-gambar di bawah ini untuk menentukan apakah nilai vs dan vp bernilai positif atau negatif.
Pada gambar di atas arah acuan adalah ke kanan karena arah kanan adalah arah di mana sumber bunyi mendekati pengamat. Dengan demikian vs bernilai positif bila sumber bergerak ke kanan (searah dengan arah acuan atau mendekati pengamat ) dan negatif bila bergerak ke kiri (berlawanan dengan arah acuan atau menjauhi pengamat). vp bernilai positif bila pengamat bergerak ke kanan (searah dengan arah acuan atau menjauhi sumber bunyi) dan negatif bila bergerak ke kiri (berlawanan dengan arah acuan atau mendekati sumber bunyi).
Pada gambar di atas arah acuan adalah ke kiri karena arah kiri adalah arah di mana sumber bunyi mendekati pengamat. Dengan demikian vs bernilai positif bila sumber bergerak ke kiri (serah dengan arah acuan atau mendekati pengamat) dan negatif bila bergerak ke kanan (berlawanan dengan arah acuan atau menjauhi pengamat). vp bernilai positif bila pengamat bergerak ke kiri (searah dengan arah acuan atau menjauhi sumber bunyi) dan negatif bila bergerak ke kanan (berlawanan dengan arah acuan atau mendekati sumber bunyi).
Contoh 1 :
Sebuah mobil dalam keadaan diam memancarkan bunyi dengan frekuensi 300 Hz. Apakah pengamat yang berjalan ke arah mobil mendengarkan suara dengan frekuensi yang lebih tinggi ?
Jawab 1 :
Pengamat tetap akan mendengarkan frekuensi bunyi yang lebih tinggi karena sesuai dengan Rumus Doppler di atas sumber dalam keadaan diam atau vs = 0, sehingga penyebut dari rumus tersebut tetap. Sementara karena pengamat mendekati sumber bunyi maka nilai vp negatif, sehingga pembilang menjadi lebih besar. Dengan demikian pengamat merasakan frekuensi bunyi yang lebih besar dari frekuensi bunyi itu sendiri.
Contoh 2 :
Sebuah ambulans bergerak dengan kecepatan 12 m/s sambil membunyikan sirine dengan frekuensi 480 Hz. Seorang pengendara sepeda motor begerak dengan kecepatan 10 m/s dari arah yang berlawanan. Berapa frekuensi yang di dengar oleh pengendara sepeda motor bila kecepatan bunyi di udara adalah 340 m/s ?
Jawab 2 :
Arah acuan ditetapkan dari arah ambulan ke arah pengendara sepeda motor. vs dengan demikian 12 m/s karena ambulan mendekati pengendara motor. vp bernilai negatif karena berlawanan dengan arah acuan. Dengan demikian :