Mengapa gitar, suling, piano, biola memiliki suara yang berbeda walaupun sama-sama memainkan nada C? Bukankah nada C memiliki frekuensi yang sama? Perbedaan ini disebut warna suara atau timbre. Warna suara ditentukan oleh banyak hal, misalnya bentuk gelombang, waktu awal saat suara berbunyi (attack time) dan waktu akhir saat suara berhenti (decay time), vibrato (modulasi frekuensi).
Untuk saat ini saya akan membahas tentang bentuk gelombang. Apakah sinyal yang berbentuk gelombang sinus, segitiga, kotak, atau lainnya memiliki suara yang berbeda meskipun frekuensinya sama? Tentu saja. Jadi apa yang membedakan bentuk gelombang sinus, segitiga, kotak atau lainnya tersebut? Frekuensi harmoniknya.
Bentuk gelombang sinus, segitiga, kotak atau lainnya bisa kita amati dengan oscilloscope. Koordinat vertical dari oscilloscope menunjukkan besarnya tegangan atau amplitudonya. Sedangkan koordinat horizontal menunjukkan waktu. Ini disebut pengamatan pada domain waktu. Sinyal bisa juga diamati pada domain frekuensi. Alat untuk mengamatinya dinamakan spectrum analyzer. Koordinat vertical dari spectrum analyzer menunjukkan besarnya tegangan atau amplitudo sinyal tersebut. Sedangkan koordinat horizontal menunjukkan besarnya frekuensi.
Frekuensi harmonik adalah frekuensi kelipatan dari frekuensi dasarnya. Misalnya frekuensi dasarnya 1 kHz, maka harmonik kedua adalah 2 kHz, harmonik ketiga adalah 3 kHz, dan seterusnya. Hanya sinyal yang berbentuk sinus yang tidak memiliki frekuensi harmonik. Namun sinyal berbentuk sinus murni tidak bisa dibuat dengan rangkaian elektronik. Walaupun kita lihat di oscilloscope sinyalnya berbentuk sinus, sesungguhnya ada frekuensi harmoniknya walaupun kecil. Untuk melihatnya kita bisa menggunakan spectrum analyzer.
Ada perhitungan untuk mengubah sinyal yang dilihat pada domain waktu menjadi domain frekuensi. Perhitungan ini ditemukan oleh ahli matematika yang bernama Joseph Fourier yang dikenal sebagai transformasi Fourier.
Semua komponen elektronik akan menghasilkan cacat harmonik. Jadi jika ada sinal sinus murni yang melewati komponen tersebut, akan dihasilkan frekuensi-frekuensi harmoniknya. Pada amplifier, frekuensi-frekuensi harmonik ini tidak diinginkan karena bentuk gelombang keluaran akan berbeda dengan bentuk gelombang masukan. Inilah yang disebut dengan cacat harmonik. Jumlah keseluruhan dari cacat harmonik tersebut dinamakan THD (Total Harmonic Distortion).
V1 = tegangan rms frekuensi dasarnya
V2 = tegangan rms frekuensi harmonik kedua
V3 = tegangan rms frekuensi harmonik ketiga
dan seterusnya.
THD pada amplifier akan merubah warna suara jika cukup besar. Banyak penelitian untuk mengetahui seberapa sensitif telinga manusia mampu mendeteksi perubahan warna suara yang disebabkan oleh THD ini. Namun sampai sekarang masih menjadi perdebatan. Umumnya speaker memiliki THD yang jauh lebih besar daripada amplifier.
Pada tahun 1950an, amplifier dengan THD sebesar 1% sudah dianggap cukup bagus. Lalu pada tahun 1960an tercapai THD sebesar 0,1%. Tehnologi terus mengalami perkembangan sehingga THD pada amplifier bisa mencapai kurang dari 0,0005%.
THD pada satu amplifier nilainya berubah jika daya dan frekuensinya berubah pada beban yang sama. THD makin besar jika bebannya makin kecil. Jaman dulu THD diukur pada frekuensi 1 kHz, karena mudah dilakukan. THD pada frekuensi tinggi misalnya pada 20 kHz tidak dilakukan pengukuran karena pada waktu itu alat ukur dengan bandwidth tinggi sulit dibuat dan ada anggapan bahwa harmonik dari frekuensi 20 kHz tidak bisa didengar. Namun disadari bahwa pengukuran dengan satu frekuensi tunggal kurang bermakna, sehingga dikembangkan pengukuran cacat dengan dua frekuensi dasar yang dinamakan pengukuran intermodulation distortion (cacat intermodulasi). Misalnya metode pengukuran CC-IF yaitu mencampur dua sinyal input frekuensi 19 kHz dan 20 kHz dengan amplitudo 1:1. Cacat yang timbul adalah selisih dari frekuensi kedua sinyal input dan harmonik-harmoniknya yaitu 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz dan seterusnya. Sehingga alat ukur yang memiliki bandwidth rendah tetap bisa digunakan.
THD bukan satu-satunya spesifikasi yang menggambarkan kualitas dari amplifier. Namun THD penting sebagai panduan dalam merancang amplifier. Pengertian THD ini sulit dipahami oleh banyak orang, bahkan orang yang merancang amplifier dan menjualnya. Umumnya orang beranggapan bahwa amplifier tidak memiliki cacat. Sinyal masukan akan dikuatkan secara sempurna sehingga bentuk sinyal keluaran akan sama persis dengan sinyal masukan.
Bacaan lebih lanjut:
Anistardi's Blog 
kf
13 November 2014 at 21:25
misalkan THD sebuah speaker mencapai 5%, apakah beda warna suara yang didengar jika speaker tersebut diumpankan ke sebuah power amplifier yang ber THD 0,01 dengan jika diumpankan kepada power amplifier yang ber THD 0.4% ?
anistardi
14 November 2014 at 02:41
Penelitian seberapa besar THD yang bisa dideteksi oleh telinga manusia dilakukan sejak 1950 oleh D.E.L Shorter yang menyatakan bahwa THD sebesar 0,8% sampai 1,3% sudah bisa dideteksi oleh manusia. Pada tahun 1964 Jacobs dan Whitman mengklaim bahwa THD 5% tidak bisa dideteksi manusia tapi test nya memakai sinyal dengan frekuensi tunggal. P.A Fryer pada tahun 1979 menyatakan bahwa THD yg bisa dideteksi 2% – 4% untuk suara piano, dan 5% untuk suara test sinyal lainnya.Penelitian Eric de Santis pada tahun 2007 dilakukan tapi tidak dikatakan hasilnya. Pembahasan ini termasuk bidang psycoaccoustic, ilmu yang mempelajari bagaimana manusia mempresepsikan suara yang didengarnya.
kf
10 Januari 2015 at 17:38
mau tanya pak, apakah suara manusia mengandung distorsi, misalnya seseorang yang mengeluarkan frekuensi 1 khz akan menghasilkan juga frekuensi 3,5, 7
dst ??
anistardi
10 Januari 2015 at 20:18
Kalau suara asli tidak disebut distorsi tapi frekuensi harmonik. Hanya gelombang yang berbentuk sinus yang tidak memiliki frekuensi harmonik. Silakan pelajari transformasi Fourier untuk lebih jelasnya.
Distorsi atau cacat terjadi setelah sinyal asli diproses sehingga bentuk gelombangnya berbeda dengan aslinya. Misalnya sinyal aslinya memiliki frekuensi 1Khz 1V, harmonik ke-2 2kHz 5mV, harmonik ke-3 3kHz 10mV setelah mengalami proses dikuatkan 2x sinyalnya menjadi 1kHz 2V, harmonik ke-2 2kHz 20mV, harmonik ke-3 100mV, harmonik ke-4 dan seterusnya ada walaupun sinyal aslinya tidak ada. Jadi terlihat harmonik ke-2 tidak dikuatkan 2x, juga harmonik ke-3, lalu muncul frekuensi-frekuensi baru. Inilah yang disebut distorsi.
kf
13 Januari 2015 at 17:18
KF, terima-kasih banyak pak Anistardi, penjelasannya sangat ilmiah dan langsung saya pahami, semoga ALLAH membalas kebaikan bapak atas ilmu yang diberikan kepada saya.
budiprastyo
16 Januari 2015 at 09:26
Sekedar tambahan pak Anistardi, ini web untuk menguji sensitifitas pendengaran kita terhadap cacat audio http://www.klippel.de/listeningtest/lt/ disarankan menggunakan soundcard dan headphone/sound system yang bagus.