Dalam Thread kali ini, kita akan melihat dari dekat alat yang kita gunakan setiap hari: telinga. Organ kecil ini memiliki cukup banyak kejutan untuk kita. Kita akan melihat bahwa organ ini benar-benar penuh dengan equalizer dan kompresor dinamis.



Bahkan mencakup banyak filter yang sangat efisien, serta konverter analog-ke-digital yang sangat canggih. Ilmu ini disebut sebagai 'psikoakustik', kita akan menemukan banyak konsekuensi praktis untuk menikmati musik. Termasuk pilihan level monitoring, gagasan tentang cara menangani frekuensi, dan penangkal mengejutkan untuk frekuensi yang tumpang tindih.

Perhatikan bahwa thread ini tidak akan membahas psikoakustik secara keseluruhan. Secara khusus, TS akan membatasi fokus pada audisi monaural dan mengesampingkan gagasan tentang waktu integrasi, yang setara dengan audio dan visual.


Studio Rekaman Tercanggih di Dunia
Kita akan memulai studi kita tentang telinga dengan melihat Gambar 1. Gambar ini menunjukkan morfologi telinga, seperti yang biasanya digambarkan. Hal ini dibagi menjadi tiga bagian. Telinga luar terdiri dari saluran pendengaran dan bagian luar membran timpani, lebih dikenal sebagai gendang telinga. Maleus, inkus, dan stapes, yang merupakan tulang kecil yang sering disebut sebagai ossicles, termasuk dalam telinga tengah, bersama dengan bagian dalam membran timpani. Lalu ada telinga bagian dalam, yang meliputi koklea dan kanalis semisirkularis. Terakhir, kita menemukan dua saraf yang menghubungkan telinga dengan otak. (Saluran setengah lingkaran dan saraf vestibular tidak menyampaikan informasi apa pun yang berkaitan dengan pendengaran; tujuannya adalah untuk memberi kita rasa gravitasi dan keseimbangan.)

Penting Nih
Dasar Audio Digital #1 : Yang Perlu Kamu Ketahui

Apa yang kita sebut 'suara' sebenarnya adalah gelombang akustik progresif atau serangkaian variasi tekanan udara, menyebar dari sumber apa pun yang membuat suara tersebut. Ketika variasi tekanan ini menyerang telinga, mereka menemukan jalan melalui saluran pendengaran eksternal ke membran timpani, kemudian mengaturnya menjadi getaran. Dengan demikian, sinyal diubah menjadi getaran mekanis dalam materi padat. Getaran membran timpani ini ditransmisikan ke tulang-tulang pendengaran, yang pada gilirannya akan mengirimkan getaran tersebut ke koklea. Di sini sinyal mengalami perubahan sifat, yaitu diubah menjadi variasi tekanan di dalam cairan. Kemudian diubah lagi oleh sel-sel rambut khusus, yang mengubah gelombang cair menjadi sinyal saraf.

Jalur sinyal yang luar biasa ini mencakup empat keadaan informasi yang berbeda: akustik, mekanik (padat), mekanik (cair), dan elektrik, lebih spesifik lagi elektrokimia. Sifat  informasi juga berubah dari analog menjadi digital. Sementara propagasi informasi mekanis analog dengan gelombang suara asli, sinyal saraf bahkan lebih terkait dari gelombang suara daripada sinyal audio AES‑EBU. Sederhananya, telinga kita dilengkapi dengan konverter analog-to-digitalatau sering disebut built-in. Gambar 2 merangkum perubahan-perubahan keadaan dan sifat dalam informasi suara.




Telinga Bagian Luar: EQ & Kompresi
Selain perubahan keadaan dan sifat tersebut, sinyal audio juga mengalami perubahan penting dalam konten. Singkatnya, agak dibalancing dan dikompresi. Mari kita mulai dengan saluran pendengaran eksternal, yang memiliki bentuk tabung dangkal. Reverb dalam ruang sangat kecil dan sangat pendek sehingga dianggap sebagai EQ, bukan sebagai ambience. Gema dari saluran pendengaran meningkatkan frekuensi sekitar 3 kHz sebesar 15 hingga 20 dB.

Wajib Dipelajari Nih
Emang Bisa? Rekaman Vokal di Rumah

Pada titik ini, sinyal diubah menjadi getaran mekanis oleh gendang telinga, yang juga berfungsi sebagai EQ. Untuk memahami alasannya, bandingkan dengan drum asli. Pukul sebuah timpani dan itu akan beresonansi pada frekuensi tertentu, yang berbanding terbalik dengan ukuran instrumennya. Pukul snare drum dan, karena ukurannya jauh lebih kecil, snare drum akan beresonansi pada frekuensi yang lebih tinggi. Pukul gendang telinga, dan itu beresonansi pada frekuensi yang bahkan lebih tinggi, sehingga menyaring sinyal input yang sesuai. Membran timpani juga menempel pada otot yang disebut tensor tympani. Ketika dihadapkan dengan tingkat tekanan suara yang tinggi, otot ini berkontraksi, sangat meredam gerakan gendang telinga. Dengan kata lain, ini adalah kompresor/pembatas mekanis, yang memungkinkan getaran tingkat rendah melalui getaran yang tidak berubah, tetapi meredam getaran yang lebih besar.


Telinga Tengah: EQ, Kompresi & Pencocokan Impedansi
Di belakang gendang telinga, kita menemukan tulang-tulang pendengaran. Tujuan dari tulang-tulang kecil ini adalah untuk mengubah getaran gendang telinga menjadi variasi tekanan di dalam cairan koklea. Sekarang, mengubah gelombang akustik menjadi variasi tekanan fluida bukanlah hal yang mudah — lihat apa yang terjadi jika ada air di telinga Anda. Ini berarti bahwa konversi gelombang akustik dari udara ke air sama sekali tidak efisien. Dengan kata lain, cairan memiliki impedansi input yang tinggi saat menerima gelombang akustik.

Jawaban telinga untuk masalah ini sederhana: beri saya tuas dan saya bisa memindahkan bumi! Untuk mengesampingkan input impedansi yang tinggi ini, tulang-tulang pendengaran membentuk sistem tuas yang kompleks yang secara drastis meningkatkan variasi tekanan dari gendang telinga ke pintu masuk telinga bagian dalam. Hal ini dimungkinkan secara fisik oleh fakta bahwa gendang telinga berukuran 20 kali ukuran jendela koklea. Ini benar-benar berfungsi seperti tuas konvensional: tekanan rendah di area yang luas diubah menjadi tekanan yang lebih tinggi di area kecil.


Berurusan dengan pencocokan impedansi dengan sistem tuas serumit ossicles tidak datang tanpa efek samping. Respon frekuensi ossicles tidak datar, mengubahnya menjadi EQ lain. Dalam hal ini, respons frekuensi cukup baik di sekitar 0,5kHz, menjadi lebih baik di dekat 1-2kHz, dan kemudian menurun secara stabil di atas frekuensi ini. Tulang-tulang pendengaran juga berfungsi sebagai kompresor/pembatas, berkat apa yang disebut dengan otot stapedius. Seperti tensor tympani dalam kasus gendang telinga, otot stapedius menstabilkan tulang-tulang pendengaran pada tingkat yang tinggi.

Telinga tengah juga mengandung tuba eustachius. Sekarang, tujuannya sederhana: tutup lubang di bagian belakang kick drum, dan Anda tiba-tiba mendapatkan lebih sedikit suara! Begitu juga jika Anda menutup rongga di belakang gendang telinga, Anda tiba-tiba mengalami masalah pendengaran dengan baik. Hal ini terjadi secara teratur; misalnya, ketika kita berada di pesawat atau ketika kita masuk angin. Dalam kedua kasus tersebut, tuba eustachius tersumbat, dan hal itu mencegah membran timpani bergerak sebagaimana mestinya.



Kompresi Multi-band, Pitch Tracking & ADC
Sekarang, sinyal audio telah mencapai telinga bagian dalam, dan itu berarti rumah siput. Organ berbentuk siput ini berisi cairan. Cukup logis, itu harus tahan air, untuk mencegah kebocoran cairan. Ini menjelaskan tujuan dari jendela bundar, sebuah membran elastis kecil pada permukaan koklea. Tujuannya adalah untuk memungkinkan pergerakan cairan di dalam koklea. Cairan tidak dapat dimampatkan, dan tanpa membran ini, cairan yang tertutup di dalam koklea akan sepenuhnya memblokir pergerakan tulang pendengaran. Pengerasan jendela oval dapat menyebabkan gangguan pendengaran sekitar 60 dB.

Di dalam koklea kita menemukan membran tektorial, yang bergerak seiring dengan variasi tekanan dari cairan koklea. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, membran ini bersentuhan dengan silia di bagian atas sel rambut. Ada dua jenis sel rambut. Sel-sel rambut luar adalah reseptor yang sebenarnya. Ketika membran tektorial bergerak, begitu juga rambut di sel luar. Gerakan ini kemudian dikodekan menjadi sinyal digital elektrik dan menuju ke otak melalui saraf koklea. Sel-sel bagian dalam memiliki peran yang berbeda: ketika sinyal audio semakin keras, mereka menempelkan diri ke membran tektorial untuk membatasi pergerakannya, memainkan peran sebagai kompresor dinamis lainnya.

Pelajari Caranya disini
Kok Bisa? Mendengarkan Audio 7.1 Dengan Earphone Biasa

Membran tektorial ini menunjukkan desain yang cerdas. Kekakuannya bervariasi, dan menurun secara bertahap menuju pusat 'siput'. Ini adalah cara untuk menyetel membran ke frekuensi yang berbeda. Untuk memahami fenomena ini, pertimbangkan tuning gitar. Bila Anda ingin nada senar lebih tinggi, Anda meregangkannya sehingga menjadi lebih tegang dan kaku. Secara umum, material yang lebih kaku mampu bergetar pada frekuensi yang lebih tinggi. Hal ini menjadikan membran tektorial sebagai kumpulan filter, dengan hasil penting: sel luar adalah spesifik frekuensi, setiap kelompok sel didedikasikan untuk frekuensi tertentu. Juga pertimbangkan sel-sel bagian dalam, dan kemampuannya untuk melemahkan pergerakan membran tektorial. Mereka berfungsi sebagai kompresor khusus frekuensi — dengan kata lain, kompresor multi-band!



Kepadatan membran tektorial yang menurun menuju ujungnya memiliki tujuan penting lainnya, yaitu pelacakan frekuensi. Frekuensi audio tertentu akan mengatur membran bergerak pada posisi tertentu, dan getaran itu akan dirasakan oleh satu set sel luar tertentu. Frekuensi yang relatif lebih rendah akan membuat membran bergerak lebih dekat ke pusat 'siput', dan getaran itu akan dirasakan oleh kumpulan sel luar lainnya. Otak, dengan menganalisis rangkaian sel luar mana yang digerakkan, kemudian akan dapat memberi tahu bahwa frekuensi kedua adalah yang lebih rendah. Perhatikan bagaimana, selama proses ini, membran tektorial benar-benar bertindak seperti bank filter, melakukan analisis spektral aktual dari sinyal input. Gambar 4 mengilustrasikan posisi kasar dari beberapa frekuensi kunci pada koklea.

Ilmunya ada disini
Emang Bisa? Bikin Musik Berkelas Dengan Instrument Minimalis

Bunyi harmonik datang sebagai kumpulan nada murni yang berjarak teratur: jika frekuensi dasarnya adalah 100Hz, frekuensi harmoniknya akan menjadi 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz, dan seterusnya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, masing-masing frekuensi tersebut akan sesuai dengan area tertentu dari membran tektorial. Misalkan suara harmonik yang diberikan datang dengan frekuensi dasar ditambah sembilan harmonik. Dalam hal ini, tidak kurang dari 10 area berbeda dari membran tektorial akan digetarkan. Ini memberikan banyak informasi koheren ke otak, yang tidak akan mengalami kesulitan dalam menemukan pitch yang tepat dengan cepat dan mudah. Inilah yang membuat telinga manusia begitu kuat untuk mengidentifikasi pitch.



Dengan sel-sel rambut, kita sampai pada ujung jalur audio di dalam telinga. Sel-sel rambut adalah neuron, dan tujuan dari sel-sel rambut luar adalah untuk mengubah getaran mekanis yang berasal dari silia mereka menjadi sinyal saraf. Sinyal tersebut adalah biner (semua atau tidak sama sekali), dan tampaknya sepenuhnya terkait dari sinyal analog yang sesuai. Dengan kata lain, mereka adalah sinyal digital, dan sel rambut bagian dalam adalah konverter analog-to-digital.

Untuk Apa Semua Itu?
Tidak dapat disangkal bahwa telinga adalah perangkat yang cukup rumit, dengan banyak pemrosesan yang terpasang di dalamnya. Kami telah bertemu tidak kurang dari empat EQ dan tiga kompresor. Apakah mereka benar-benar diperlukan? Dan apa tujuan mereka?

Mari kita mulai dengan kompresor internal. Mereka tidak selalu aktif. Dalam suasana yang tenang, tidak satu pun dari mereka yang berfungsi. Semakin keras sinyal audio yang sampai ke telinga, semakin banyak kompresor yang bekerja untuk melemahkan sinyal audio yang sampai ke sel rambut luar. Hal ini memungkinkan telinga manusia untuk menahan rentang dinamis kira-kira 140 dB, yang sesuai dengan rasio 100.000.000.000.000.000:1 antara suara paling keras dan paling tenang yang dapat kita rasakan. Mengingat kita sedang berhadapan dengan tiga kompresor mekanis kecil, itu bukan prestasi yang berarti. [/size]

Bagaimana dengan Bass?
Tentu saja, cara kerja telinga memiliki konsekuensi besar terhadap cara kita memandang musik — dan cara kita membuatnya. Ambil EQ di dalam telinga — kita telah melihat bahwa EQ mengutamakan frekuensi sekitar 0,5‑4 kHz. Ketiga oktaf itu berisi frekuensi yang paling sensitif bagi kita. Dan, wajar saja, merekalah yang paling disukai oleh para musisi dan komposer, disadari atau tidak. Pikirkanlah— berapa banyak concerto untuk biola yang telah ditulis, dan berapa banyak untuk double bass? Berapa banyak untuk terompet, dan berapa banyak untuk tuba?


Dalam aplikasi yang lebih modern, perhatikan kick drum dalam sebuah mix. Jika ingin didengar, kita harus meningkatkan frekuensi mid-hi yang ada dalam kick. Hal yang sama berlaku untuk bass elektrik — jika kita ingin benar-benar tenggelam di dalam mix, hapus frekuensi mid-hi! Sederhana saja. Untuk membuat instrumen bass jelas dan terdengar, kita perlu memastikan frekuensi mid-range berada di tempatnya. Frekuensi rendah itu sendiri jelas berguna — mereka dapat menyampaikan kebulatan, tubuh, kekuatan, dan sebagainya — tetapi setiap bagian dari bahasa musik yang terkait dengan pemahaman, apa pun yang membutuhkan kepekaan, harus berada di dalam atau di dekat kisaran 0,5‑4 kHz.

Sebelum munculnya studio, batasan 0,5‑4 kHz ini tidak terlalu menjadi masalah, karena kebanyakan instrumen tetap beroperasi dalam rentang frekuensi ini. Dengan musik elektroakustik — dan itu mencakup berbagai jenis musik pop saat ini — orang harus lebih berhati-hati. Rentang 0,5‑4 kHz harus berisi bagian terpenting dari pesan. Untuk membawa esensi musik kita, lupakan frekuensi bass tersebut, prioritas kita ada di tempat lain. [/size]Hal yang sama berlaku untuk frekuensi yang sangat tinggi. Jangan mencoba menyampaikan pesan musik Anda menggunakan rentang 4‑20kHz; tidak ada gunanya. 

The ‘Ghost Fundamental’
Melihat kembali Gambar 5, satu pengamatan terlintas dalam pikiran. Bersama-sama, harmonik mencakup lebih banyak informasi tentang nada suara daripada frekuensi dasar. Ada sebanyak 16 harmonik yang dapat didengar, mengatur 16 zona membran tektorial bergerak, sedangkan nada dasar hanya menggerakkan satu zona. Tidak hanya harmonik yang penting, tetapi juga jarak antar harmonik, yang konstan, dan diulang hingga 15 kali.

Bayangkan betapa mudahnya mengidentifikasi nada dari suara instrumental 'normal' dengan harmonik daripada dari gelombang sinus murni. Faktanya, frekuensi fundamental sangat tidak penting sejauh menyangkut nada sehingga dapat dengan mudah dihilangkan tanpa berdampak pada nada. Eksperimen ini pertama kali dilakukan oleh Pierre Schaeffer selama tahun 1950-an.

Kepoin Juga Nih
Wow! Produksi Dolby Atmos Ternyata Mudah

Pengetahuan ini sangat relevan dengan produksi musik. Katakanlah kita sedang menulis aransemen untuk sebuah lagu dan menemukan tumpang tindih frekuensi dalam rentang 100‑1000 Hz. kita mendapatkan sampel brass section yang menghalangi vokal utama. Solusi langsung adalah dengan menyamakan brass section untuk mengurangi frekuensi yang berdekatan dengan vokal utama. Ini mungkin akan berhasil, tetapi ada solusi yang lebih radikal — cukup hapus dasar-dasarnya. Pitch akan tetap sama, dan masalah frekuensi tumpang tindih akan sangat berkurang. Benar, itu akan mengubah timbre dari brass section, begitu juga dengan EQnya.

Sebaliknya, sangat mungkin untuk 'mendesain' seluruh bagian instrumental yang tampaknya bernada antara 100 dan 200 Hz, sedangkan sebenarnya rentang frekuensi ini tetap tidak digunakan. Hal ini memberikan lebih banyak ruang untuk instrumen lain, yang pada gilirannya berarti lebih banyak kebebasan, pengaturan yang lebih kaya, dan mix yang lebih mudah.

Sumber :
- Perception Space — The Final: Frontier
Chittka L, Brockmann A (2005)

- Plosbiology

- Universal Audio