Mengapakah Dua Nada Hampir Sama Menghasilkan Bunyi Berdenyut?

Bayangkan dua alat muzik memainkan nada yang hampir sama secara serentak. Walaupun setiap alat menghasilkan bunyi yang agak tetap, bunyi gabungannya mungkin kedengaran seperti berdenyut: kuat, perlahan, kuat semula dan seterusnya. Perubahan ini bukan disebabkan seseorang mengubah kekuatan bunyi secara sengaja. Ia berlaku kerana gelombang daripada kedua-dua sumber mempunyai frekuensi yang sedikit berbeza, dan fenomena itu dinamakan layangan bunyi.

Bagaimanakah dua bunyi boleh bergabung?

Bunyi merambat melalui udara sebagai gelombang tekanan. Apabila sumber bunyi bergetar, tekanan udara mengalami perubahan kecil yang merambat menjauhi sumber tersebut. Jika dua sumber menghasilkan bunyi secara serentak, perubahan tekanan daripada kedua-duanya boleh bertindih pada kedudukan yang sama, dan bagi gelombang beramplitud kecil, perubahan tekanan ini boleh dijumlahkan menggunakan prinsip superposisi.

Apabila kedua-dua gelombang menghasilkan perubahan tekanan yang searah pada sesuatu ketika, amplitud gabungannya meningkat. Keadaan ini dikenali sebagai interferens membina. Sebaliknya, apabila perubahan tekanan daripada kedua-dua gelombang berbeza fasa, amplitud gabungannya boleh berkurang. Pengurangan paling besar berlaku apabila beza fasanya 180°, dan keadaan ini dikenali sebagai interferens memusnah. Kedua-dua keadaan bergantung pada hubungan fasa antara gelombang.

Mengapakah kekuatan bunyi berubah secara berulang?

Bayangkan dua sumber menghasilkan bunyi tulen dengan frekuensi 440 Hz dan 442 Hz. Frekuensi 440 Hz bermaksud gelombang pertama mengalami 440 kitaran getaran dalam satu saat, manakala gelombang kedua mengalami 442 kitaran dalam tempoh yang sama. Oleh sebab frekuensinya sedikit berbeza, hubungan fasa antara kedua-dua gelombang sentiasa berubah.

Pada suatu ketika, kedua-duanya hampir sefasa, maka amplitud gabungan menjadi besar dan bunyi kedengaran lebih kuat. Tidak lama kemudian, perbezaan fasa bertambah sehingga kedua-duanya hampir berlawanan fasa, lalu amplitud gabungan mengecil dan bunyi kedengaran lebih perlahan. Selepas itu, gelombang kembali hampir sefasa dan bunyi menjadi kuat semula. Perubahan ini berulang selagi kedua-dua gelombang wujud dengan frekuensi yang cukup stabil.

Bagi dua gelombang sinus dengan amplitud sama, pembatalan boleh berlaku sepenuhnya pada saat tertentu. Jika amplitudnya berbeza, bunyi gabungan lazimnya tidak menjadi senyap sepenuhnya. Penerangan ini sepadan dengan demonstrasi akustik University of New South Wales yang menunjukkan perubahan fasa dan amplitud apabila dua nada hampir sama digabungkan.

Bagaimanakah frekuensi layangan dikira?

Frekuensi layangan ialah bilangan kitaran kuat-perlahan yang berlaku setiap saat. Bagi dua gelombang sinus yang hampir sama frekuensinya, frekuensi layangan ialah beza mutlak antara kedua-dua frekuensi itu, iaitu f_layangan = |f₂ − f₁|, dengan f₁ ialah frekuensi sumber pertama dan f₂ ialah frekuensi sumber kedua.

Sebagai contoh, sumber pertama 440 Hz dan sumber kedua 442 Hz menghasilkan f_layangan = |442 − 440| = 2 Hz. Ini bermaksud bunyi gabungan mengalami dua kitaran layangan setiap saat. Jika frekuensi sumber kedua meningkat kepada 445 Hz sementara sumber pertama kekal pada 440 Hz, frekuensi layangan menjadi 5 Hz. Layangan berlaku lebih cepat apabila perbezaan frekuensi meningkat.

Namun, hubungan matematik ini tidak bermaksud telinga manusia sentiasa mendengar denyutan yang berasingan bagi sebarang perbezaan frekuensi. Apabila perbezaan menjadi terlalu besar, pendengar mungkin mendengar bunyi kasar atau dua nada yang berbeza, bukannya layangan perlahan yang jelas.

Adakah nada bunyi turut berubah?

Kelangsingan nada berkaitan terutamanya dengan frekuensi getaran yang didengar, manakala kekuatan bunyi yang didengar berkaitan terutamanya dengan amplitud gelombang dan cara sistem pendengaran bertindak balas terhadapnya. Dalam layangan bunyi, kesan utama yang mudah didengar ialah perubahan kekuatan bunyi secara berkala. Dua sumber yang masing-masing menghasilkan nada tetap tidak perlu mengubah frekuensi untuk menghasilkan layangan.

Bagi dua gelombang sinus dengan amplitud sama, gelombang gabungan boleh dihuraikan secara matematik sebagai ayunan pantas yang amplitudnya berubah perlahan. Frekuensi ayunan pantas itu ialah purata kedua-dua frekuensi asal, manakala kekuatan bunyi yang didengar berulang pada kadar beza mutlak frekuensinya. Ini penerangan matematik berdasarkan superposisi gelombang linear, bukan dakwaan bahawa sumber bunyi menghasilkan nada baharu secara fizikal pada frekuensi layangan.

Bagaimanakah layangan membantu melaras alat muzik?

Apabila dua tali atau dua sumber rujukan menghasilkan frekuensi yang hampir sama, pemain muzik boleh mendengar kadar layangan untuk menilai perbezaan frekuensinya. Jika satu tali dilaraskan sehingga frekuensinya semakin menghampiri frekuensi rujukan, layangan menjadi semakin perlahan, dan apabila kedua-dua frekuensi sepadan, layangan akibat perbezaan frekuensi tersebut hilang. Kaedah ini digunakan dalam pelarasan alat muzik yang menghasilkan nada berpanjangan, dan penyelidik akustik University of New South Wales turut menunjukkan penggunaan layangan antara komponen harmonik untuk melaras gitar.

Walau bagaimanapun, ketiadaan layangan yang dapat didengar tidak semestinya membuktikan dua frekuensi sepadan dengan ketepatan tanpa had. Tempoh bunyi, hingar persekitaran dan keupayaan pendengaran mempengaruhi ketepatan penilaian.