Efek Doppler: Frekuensi Berubah Saat Sumber Bergerak — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung frekuensi terdengar saat sumber atau pendengar bergerak dengan rumus Doppler dan menjelaskan mengapa sirine ambulans berubah nada saat melintas.

Ambulans menderu mendekat, lalu meluncur lewat dan menjauh — nadanya nyaring tinggi sejenak, lalu langsung melandai rendah. Padahal sirine itu tidak diubah-ubah; yang berubah hanyalah posisinya terhadapmu. Inilah efek Doppler: sumber bunyi yang bergerak memampatkan muka gelombang di depannya dan meregangkannya di belakang. Coba lihat sendiri di bawah bagaimana frekuensi terdengar naik-turun sepanjang lintasan.

Geser posisi sumber sepanjang lintasan dan perhatikan frekuensi yang terdengar pendengar.

Muka gelombang terampat dan teregang

Sumber bunyi yang diam memancarkan muka gelombang berbentuk lingkaran simetris ke segala arah, masing-masing berjarak satu panjang gelombang $\lambda$ dari yang sebelumnya. Tapi saat sumber bergerak, tiap muka gelombang baru dipancarkan dari posisi yang sedikit lebih dekat ke depan — lingkaran-lingkaran itu menumpuk rapat di arah gerak dan renggang di arah sebaliknya.

Efek Doppler adalah perubahan frekuensi (dan panjang gelombang) yang ditangkap pendengar akibat gerak relatif antara sumber bunyi dan pendengar. Sumber mendekat → frekuensi terdengar lebih tinggi; menjauh → lebih rendah.

Bayangkan kamu menggemukan sirine berfrekuensi tetap, lalu mendorongnya ke arah pendengar. Muka gelombang di depan tertumpuk rapat, jadi jarak antar puncak (panjang gelombang $\lambda$ ) mengecil — dan karena cepat rambat $v$ tetap, frekuensi $f = v/\lambda$ membesar. Di belakang terjadi sebaliknya: $\lambda$ membesar, $f$ mengecil. Inilah sebab nada berubah saat melintas.

Rumus Doppler untuk sumber bergerak

Untuk sumber yang bergerak dengan kelajuan $v_s$ terhadap medium diam (udara), dan pendengar diam, frekuensi terdengar $f'$ diberikan rumus berikut.

$f' = f \cdot \frac{v}{v - v_s} \quad \text{(mendekat)}, \qquad f' = f \cdot \frac{v}{v + v_s} \quad \text{(menjauh)}$

Arti tiap simbol: $f$ = frekuensi sumber (Hz), $f'$ = frekuensi terdengar pendengar (Hz), $v$ = cepat rambat bunyi di medium (m/s, udara ≈ 340), $v_s$ = kelajuan sumber (m/s; tanda positif membedakan arah).

Tanda minus pada penyebut (mendekat) membuat $v - v_s < v$ , sehingga $f' > f$ — nada lebih tinggi. Tanda plus pada penyebut (menjauh) membuat $v + v_s > v$ , sehingga $f' < f$ — nada lebih rendah. Coba geser slider kelajuan sumber di bawah dan lihat dua kurva makin berjauhan dari garis frekuensi sumber saat sumber makin cepat.

Geser kelajuan sumber, rasakan perubahannya

Makin cepat sumber mendekat, makin nyaring frekuensi terdengar. Saat $v_s$ mendekati cepat rambat bunyi $v$ , penyebut $v - v_s$ menuju nol — $f'$ melonjak ke tak hingga. Inilah ambang yang dilalui pesawat supersonik: muka gelombang tidak bisa “mengungkil” sumber, semuanya menumpuk menjadi dinding tekanan tunggal yang kita dengar sebagai dentuman (sonic boom).

Jelajahi kurva di bawah: awalnya hampir datar (sumber pelan), lalu melengkung naik tajam saat kelajuan sumber mendekati 340 m/s. Pasangan titik penanda memperlihatkan perbedaan frekuensi mendekat vs menjauh.

Muka gelombang: merapat di depan, merenggang di belakang

Rumus di atas menelusuri akibatnya. Tapi intuisinya paling kuat lewat muka gelombang: saat sumber bergerak ke kanan, gelombang yang dipancarkan ke kanan tertumpuk rapat (panjang gelombang pendek, frekuensi tinggi), sedangkan yang ke kiri teregang (panjang gelombang panjang, frekuensi rendah). Berikut dua gelombang sinus yang merepresentasikan apa yang ditangkap dua pendengar — satu di depan sumber (mendekat), satu di belakang (menjauh). Frekuensi keduanya berbeda walau sumbernya sama.

Doppler refleksi: radar dan ekor naga

Efek Doppler berlaku juga saat gelombang memantul. Radar kepolisi menembakkan gelombang radio ke mobil, lalu memantul kembali — bila mobil bergerak mendekat, gelombang pantul terampat dua kali (pergi-pulang), sehingga radar membaca pergeseran frekuensi ganda. Inilah prinsip yang dipakai radar kecepatan, Doppler weather radar, hingga USG Doppler untuk mengukur aliran darah.

Untuk benda yang memantulkan (bukan memancarkan sendiri), frekuensi teramati bergeser dengan faktor dua. Coba geser slider kelajuan benda di bawah; radar membaca selisih frekuensi yang sebanding $2v_s$ . Ekor naga yang lewat tepat di atas kepalamu adalah versi sonik yang sama: pesawat supersonik mendorong muka gelombang sampai menumpuk jadi satu dinding tekanan.

Efek Doppler masuk cakupan TKA Fisika, elemen gelombang (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Tiga jebakan paling sering muncul di soal: (1) keliru tanda $v_s$ — tentukan dulu arah gerak (mendekat = kurangi penyebut, menjauh = tambah), (2) salah membedakan “sumber bergerak” dengan “pendengar bergerak” (rumusnya berbeda), dan (3) lupa bahwa Doppler refleksi (radar) menggeser dua kali. Tandai arah dengan anak panah di kertas sebelum substitusi.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebuah ambulans membunyikan sirine berfrekuensi 700 Hz dan melaju dengan kelajuan 30 m/s mendekati pendengar yang diam. Cepat rambat bunyi di udara 340 m/s. Tentukan: (a) frekuensi terdengar saat ambulans mendekat, dan (b) frekuensi terdengar setelah ambulans lewat dan menjauh.

$f = 700$ Hz, $v = 340$ m/s, $v_s = 30$ m/s. Pendengar diam, sumber bergerak. Bedakan dua fase: mendekat dan menjauh.

$f'_{\text{mendekat}} = f \cdot \frac{v}{v - v_s} = 700 \cdot \frac{340}{340 - 30} = 700 \cdot \frac{340}{310} \approx 767{,}7 \text{ Hz}.$ Frekuensi terdengar lebih tinggi dari sumber — nada makin nyaring saat mendekat.

$f'_{\text{menjauh}} = f \cdot \frac{v}{v + v_s} = 700 \cdot \frac{340}{340 + 30} = 700 \cdot \frac{340}{370} \approx 643{,}2 \text{ Hz}.$ Setelah lewat, frekuensi terdengar lebih rendah dari sumber — nada melandai. Selisih puncak-ke-puncak sekitar 124 Hz, cukup besar untuk didengar jelas sebagai “turun nada”.

Jebakan: langsung menghafal rumus tanpa menandai arah gerak. Yang benar: gambar anak panah arah sumber dan pendengar di kertas dulu — mendekat berarti kurangi penyebut ( $v - v_s$ ), menjauh berarti tambah penyebut ( $v + v_s$ ). Tanda diatur oleh arah, bukan oleh hafalan.

Jebakan: memakai rumus “sumber bergerak” untuk kasus “pendengar bergerak”. Yang benar: dua kasus ini berbeda rumus. Sumber bergerak memodifikasi penyebut ( $v \pm v_s$ ); pendengar bergerak memodifikasi pembilang ( $v \pm v_p$ ). Baca soar: siapa yang diam, siapa yang bergerak?

Jebakan: mengira cepat rambat bunyi $v$ ikut berubah saat sumber bergerak. Yang benar: $v$ hanya bergantung pada medium (udara, air, besi), bukan pada kelajuan sumber. Yang berubah adalah panjang gelombang efektif $\lambda' = v/f'$ , bukan $v$ itu sendiri.

Efek Doppler = pergeseran frekuensi akibat gerak relatif sumber-pendengar.
Sumber mendekat → $f'$ lebih tinggi ( $v - v_s$ ); menjauh → lebih rendah ( $v + v_s$ ).
Muka gelombang terampat di depan sumber, teregang di belakangnya.
Cepat rambat $v$ tak berubah; yang berubah panjang gelombang dan frekuensi terdengar.
Doppler refleksi (radar) menggeser dua kali lipat akibat perjalanan pulang-pergi.