Bagaimana Alat Musik Menghasilkan Suara dan Membentuk Nada Mereka

Getaran Adalah Tempat Setiap Suara Dimulai

Menurut kelompok Akustika Musik Universitas New South Wales, yang dipimpin oleh fisikawan Joe Wolfe, sebagian besar alat musik bergantung pada resonansi — kemampuan sistem fisik untuk menyimpan energi dalam getaran pada frekuensi tertentu. Sebuah dawai yang dipetik, buluh yang berdengung dalam aliran udara, atau kulit gendang yang dipukul tongkat semuanya dimulai sebagai objek yang bergetar yang mendorong molekul udara bolak-balik, menciptakan gelombang tekanan yang berjalan ke telinga pendengar sebagai suara.

Gelombang Berdiri Menetapkan Pitch

Di dalam sebuah dawai atau tabung alat musik angin, kelompok UNSW menjelaskan, gelombang yang berjalan dalam arah berlawanan bertemu dan bergabung menjadi pola gelombang berdiri, dengan titik tetap yang disebut simpul yang hampir tidak bergerak dan titik lain yang disebut antinode yang berayun luas. Karena sebuah dawai atau kolom udara hanya dapat bergetar dengan cara ini pada frekuensi tetap tertentu — ditentukan oleh panjang, tegangan, atau bentuknya — alat musik menetap pada pitch spesifik yang dapat diulang daripada kebisingan acak.

Overtone Memberikan Setiap Alat Musik Warnanya

Sebuah dawai yang bergetar atau kolom udara jarang menghasilkan hanya satu frekuensi. Materi Akustika Musik UNSW mencatat bahwa ia menghasilkan frekuensi fundamental ditambah serangkaian harmoni — kelipatan bilangan bulat dari fundamental itu. Sebagai contoh, situs tersebut menunjukkan bahwa pada dawai C biola, harmoni ke-7 dan ke-11 jatuh kira-kira di tengah-tengah antara nada-nada skala temperamen sama standar, mengilustrasikan bahwa deret harmoni nyata tidak sempurna cocok dengan skala musik yang sebenarnya digunakan musisi.

Campuran spesifik dari overtone ini — yang mana yang keras, yang mana yang lembut — inilah yang disebut akustisien sebagai timbre, atau warna nada. Seperti yang dijelaskan materi Akustika Musik UNSW, campuran kekuatan overtone ini adalah bagian besar dari apa yang membuat seruling dan oboe memainkan nada tertulis identik terdengar jelas berbeda bagi telinga, meskipun timbre juga bergantung pada bagaimana suara berubah seiring waktu, seperti yang dibahas di bawah.

Apa yang Benar-Benar Mengawali Getaran

Getaran stabil yang berbunyi musikal tidak mulai dengan sendirinya — ia membutuhkan apa yang disebut peneliti akustik sebagai mekanisme penggerak nonlinear. Dalam pembicaraan yang dirangkum oleh Asosiasi Akustik Amerika, fisikawan Thomas Rossing menjelaskan bagaimana gesekan busur pada dawai biola, aliran udara melalui buluh klarinet, dan bibir yang berdengung dari pemain terompet semuanya mengubah input stabil — gerakan busur atau napas — menjadi osilasi bolak-balik yang menghasilkan suara, daripada hanya menskalanya secara linear.

Asosiasi Akustik Amerika juga mengaitkan pengamatan kuno, yang dilacak hingga Pythagoras, bahwa nada terdengar menyenangkan bersama ketika panjang dawai mereka — dan karenanya frekuensi mereka — selaras dalam rasio bilangan bulat. Dawai dan pipa nyata menyimpang sedikit dari ideal ini, tetapi mekanisme nonlinear yang sama yang memulai getaran juga cenderung menarik frekuensi alami yang sedikit tidak cocok dari instrumen ke suara yang hampir persis harmonis.

Mengapa Lonceng Tidak Terdengar Seperti Biola

Tidak setiap alat musik menghasilkan overtone harmonis yang rapi. Asosiasi Akustik Amerika mencatat bahwa lonceng berperilaku dengan cara hampir linear karena ketebalan logam yang mereka dicor darinya, sehingga overtone mereka bukan kelipatan bilangan bulat sederhana dari fundamental — yang persis apa yang memberikan lonceng kualitas 'berdering' karakteristiknya daripada nada musik yang bersih. Simbal, berdasarkan akun yang sama, bergetar secara chaotik karena nonlinearitas kuat, menghasilkan desir berkilau mereka yang mirip kebisingan, sementara gong besar mengandalkan perkalian frekuensi nonlinear untuk menghasilkan suara kompleks dan padat mereka.

Bagaimana Jangkauan Pitch Berbeda di Seluruh Keluarga Alat Musik

Desain alat musik juga menetapkan jangkauan pitch fundamental yang dapat dicapai alat musik, dan seberapa jauh overtone-nya meluas ke atas. Data referensi yang dikompilasi oleh produsen mikrofon DPA Microphones untuk insinyur rekaman mencantumkan jangkauan pitch fundamental berikut dan batas perkiraan konten harmonis untuk beberapa alat musik umum.

Tabel menunjukkan mengapa piano dan biola dapat menempati jangkauan pitch yang tumpang tindih namun tetap terdengar jelas berbeda: di luar nada tertulis itu sendiri, setiap alat musik menambahkan penyebaran energi harmonis frekuensi tinggi karakteristiknya sendiri.

Bodi yang Beresonansi Membuat Suara Cukup Keras untuk Didengar

Sebuah dawai atau buluh yang bergetar sendirian memindahkan sangat sedikit udara dan hampir tidak akan terdengar sendiri. Materi Akustika Musik UNSW menjelaskan bahwa bodi alat musik — papan belakang biola, papan bunyi gitar, atau kolom udara di dalam lubang alat musik angin — memiliki frekuensi resonansi sendiri yang memperkuat dan membentuk getaran, memancarkannya ke dalam ruangan sebagai suara yang dapat didengar. Sumber yang sama mencatat bahwa dalam suara manusia, pita suara bergetar untuk menghasilkan nada mentah, sementara resonansi saluran vokal, yang disebut forman, secara selektif meningkatkan pita frekuensi tertentu untuk membentuk suara vokal dan timbre vokal.

Timbre Bukan Hanya Daftar Frekuensi

Kelompok Akustika Musik UNSW menambahkan bahwa timbre sangat bergantung pada bagaimana nada berubah seiring waktu, bukan hanya pada spektrum frekuensinya dalam satu instan. Selubung suara — seberapa cepat ia mencapai volume penuh setelah dawai dipetik atau kunci ditekan, bagaimana ia bertahan, dan bagaimana ia memudar — adalah bagian dari apa yang memungkinkan pendengar mengenali alat musik, bahkan ketika konten frekuensi terpisah saja mungkin terlihat serupa di atas kertas.