[seuraava luku] [edellinen luku] [sisällysluettelo]

3 Välineistö

Mittauksissa käytetyiltä työvälineiltä edellytetään tarkkuutta, kestävyyttä ja käytettävyyttä. Käytännössä myös saatavuus ja kustannusseikat vaikuttavat välineiden valintaan. Periaatteessa mittauskäyttöön voidaan tehdä äänityksiä lähes millä tahansa laitteilla, jos vertailtavien soittimien erot vain voidaan kuulla äänitteistä. Hyvillä laitteilla vertailujen teko ja laadullisten tekijöiden havaitseminen on kuitenkin helpompaa ja mittaukset luotettavampia.

Tässä luvussa käsitellään mittauksiin soveltuvia tallennus- ja mittausvälineitä. Painopiste on yleiskäyttöisissä äänityslaitteissa ja ohjelmissa, mutta myös erikoistuneita mittausvälineitä käsitellään. Eniten painoarvoa on annettu mikrofoneille, joiden ominaisuudet ja käyttö vaikuttavat ratkaisevasti mittausmateriaalin laatuun.

3.1 Mikrofonit

Mikrofoni on mittauslaitteiston ensimmäinen ja usein eniten äänitteen laatuun vaikuttava laite. Mikrofonien luokitteluperiaatteita ovat muun muassa käyttötarkoitus, toimintaperiaate ja suuntaavuusominaisuudet. Soitinmittauksiin soveltuvat parhaiten joko mittaus- tai studiokäyttöön tarkoitetut mikrofonit. Toimintaperiaatteet voidaan jakaa edelleen sähköiseen ja akustiseen periaatteeseen. Sähköisen toimintaperiaatteen nimityksiä ovat muun muassa sähköstaattinen, sähködynaaminen ja sähkömagneettinen. Mittauskäyttöön soveltuvista mikrofoneista valtaosa on toimintaperiaatteeltaan sähköstaattisia eli kondensaattorimikrofoneja. Sähködynaaminen ja sähkömagneettinen periaate ovat käytännössä synonyymeja. Sellaisia ovat esimerkiksi (liikkuvakelaiset) dynaamiset mikrofonit ja nauhamikrofonit. Akustisia toimintaperiaatteita ovat muun muassa paine- ja painegradienttiperiaate. Akustinen toimintaperiaate vaikuttaa mikrofonin suuntaavuuteen. Suuntaavuusominaisuuksia kuvataan ns. suuntakuvion avulla, joka havainnollistaa mikrofonin suhteellista herkkyyttä eri suunnista tuleville ääniaalloille.

Soitinmittauksiin soveltuvalta mikrofonilta toivottavia ominaisuuksia ovat tasainen taajuusvaste, suuri herkkyys, pieni omakohina, suuri äänenpaineen kesto ja neutraali äänentoisto. Jos mikrofonia käytetään vain yhden soittimen äänittämiseen, kaikkia näitä ominaisuuksia ei välttämättä tarvita. Esimerkiksi suurta äänenpaineen kestoa tarvitaan etupäässä lyömäsoitinten ja joidenkin puhallinsoittimien äänittämisessä.

Mikrofonin taajuusvasteessa ei saisi olla suuria, äkillisiä korostumia tai vaimentumia sillä taajuusalueella, jonka mitattava kohde tuottaa. Esimerkiksi viulun alimman kielen (g) perustaajuus on noin 196-197 Hz. Tätä matalammat taajuudet aiheutuvat jousesta, soittajasta tai ympäristöstä. Korkeimmat taajuudet yltävät yli 20 kilohertsin. Viulun äänen mittaukseen soveltuvan mikrofonin pitäisi siten toistaa mahdollisimman tasaisesti noin 190 hertsiä korkeammat taajuudet. Korkeataajuustoistolle ei voida asettaa kiistatonta riittävää ylärajaa. Jos mittausten tarkoituksena on keskittyä esimerkiksi tavanomaisten äänentoistolaitteiden välittämään taajuusalueeseen, mittamikrofonin riittävä taajuusalue voi olla esimerkiksi vain 190-10000 Hz.

Herkkä mikrofoni pystyy reagoimaan pieniin äänenpaineen vaihteluihin. Epäherkkä mikrofoni vaatii enemmän sähköistä vahvistusta, mikä lisää ääneen kohinaa. Mikrofonin itsensä tuottaman kohinan eli omakohinan pitäisi olla mahdollisimman pieni varsinkin hiljaisia soitinääniä mitattessa. Tasainen taajuusvaste on vain yksi neutraalin äänentoiston kriteereistä. Toinen on transienttitoisto, eli kyky toistaa äkillisiä paineen vaihteluja. Hyvä transienttitoisto korreloi osittain hyvän diskanttitoiston kanssa. Transienttien mikrofonissa mahdollisesti synnyttämät jälkivärähtelyt eivät kuitenkaan aina näy taajuusvasteessa, mutta saattavat värittää ääntä, ja vaikuttaa näin äänitystulokseen. Neutraaliin äänentoistoon saattaa myös vaikuttaa muita, vielä tuntemattomia tekijöitä, joille ei ole keksitty määrittely- tai mittaustapaa.

Soittimien korkealaatuiseen äänittämiseen soveltuvat mikrofonit voidaan jakaa studiomikrofoneihin ja mittamikrofoneihin. Tämä jako perustuu laitteiden suunnitteluperiaatteiden erojen lisäksi tuotteistukseen ja markkinointiin. Studiomikrofoneja markkinoidaan etupäässä äänitysstudioille, mittamikrofoneja puolestaan tutkimuslaitoksille ja -laboratorioille. Joitakin mittamikrofoneja tosin markkinoidaan myös äänityskäyttöön. Studiomikrofonien suunnitteluun vaikuttavat äänenlaadun ohella muun muassa esteettiset seikat ja liitettävyys muihin studiolaitteisiin. Mittamikrofonien suunnittelun lähtökohtana on äänenlaatu sekä liitettävyys kalibrointi- ja mittalaitteisiin. Molemmissa myös tavoitteena oleva myyntihinta vaikuttaa suunnitteluun.

Nykyaikaiset soitinmittauksiin soveltuvat mittamikrofonit ovat lähes aina kondensaattori- tai elektreettiperiaatteella toimivia painemikrofoneja. Kondensaattorimikrofonin toiminta perustuu ilmanpaineen vaikutuksesta värähtelevän ohuen, sähköä johtavan kalvon ja kiinteän takalevyn välisen etäisyyden muutoksiin, jotka muunnetaan jännitteen vaihteluksi kalvon ja takalevyn välille synnytetyn etujännitteen avulla. Kalvo ja takalevy muodostavat kondensaattorin, jonka kapasitanssi vaihtelee kalvoon kohdistuvan ilmanpaineen vaikutuksesta. Perinteisen kondensaattorin etujännite tuotetaan sisäänrakennetulla tai ulkoisella virtalähteellä. Elektreettimikrofoni vastaa toiminnaltaan kondensaattorimikrofonia, mutta siinä etujännite on varattu staattisesti kalvoon tai takalevyyn. Molemmat mikrofonityypit tarvitsevat lisäksi sisäänrakennetun vahvistimen, jotta kalvoelementin tuottama signaali voidaan siirtää hyvälaatuisena tallennus- tai mittalaitteistolle. Kondensaattorimikrofonien etuina ovat äänellisten ominaisuuksien lisäksi laadun tasaisuus ja stabiilius sekä mekaaninen kestävyys (oikein käsiteltynä).

Painemikrofoni reagoi ilmanpaineen muutoksiin ja on matalilla ja ja keskitaajuuksilla yhtä herkkä kaikista suunnista tuleville ääniaalloille. Tällaisen mikrofonin suuntakuvio on pallon muotoinen. Korkeilla taajuuksilla, joilla aallonpituus lähestyy mikrofonin kalvoelementin läpimittaa, painemikrofoni muuttuu kuitenkin suuntaavaksi ja on herkin suoraan kalvon etupuolelta saapuville äänille. Studiomikrofonit voidaan jakaa käyttötarkoituksen perusteella lähikenttä- (engl. near field) ja hajakenttämikrofoneihin (diffuse field). Mittamikrofonit jaotellaan vastaavasti vapaakenttä- (engl. free-field-calibrated) ja painekalibroituihin (pressure-calibrated) mikrofoneihin (Nielsen 1994: 77).

Mikrofonityyppien eri luokittelutavat äänitys- ja mittauskäytössä johtuvat eri ammattikuntien omaksumista käytännöistä. Studiokäytössä jaottelua ei kovin yleisesti käytetä (ehkä siksi, että hajakenttämikrofonit ovat siellä suhteellisen harvinaisia). Studiokäytön luokittelu on kuitenkin mielestämme johdonmukaisempi. Esimerkiksi mittauskäytössä painekalibroitua mikrofonia kutsutaan myös pelkästään "(puhtaaksi) painemikrofoniksi" (esim. Lahti 1997: 22) tai tarkemmin painekenttämikrofoniksi. Nimitys saattaa kuitenkin helposti aiheutta sekaannusta puhuttaessa painemikrofonista yleisenä toimintaperiaatteena. Myös vapaakenttämikrofoni on toimintaperiaatteeltaan painemikrofoni.

Lähikenttämikrofonien (ts. vapaakenttämikrofonien) diskanttitoisto on tasaisin suoraan kalvon edestä tulevilla äänillä; korkeat taajuudet vaimenevat sivuilta ja takaa tulevilla äänillä. Lähikenttämikrofoni soveltuu soitinmittauksiin erityisesti lähietäisyyksiltä, ulkoilmassa tai kaiuttomassa huoneessa. Hajakenttämikrofoneissa (ts. painekalibroiduissa) korkeita taajuuksia on korostettu joko akustisesti tai sähköisesti siten, että korkeataajuustoiston eri suuntien välinen keskiarvo saadaan tasaiseksi. Taajuusvaste on tasaisin mikrofonin poikittaissuunnasta tulevilla äänillä. Hajakenttämikrofoneja käytetään muun muassa äänityksiin kaikuisissa ympäristöissä, joissa mikrofonit on sijoitettava kauas äänilähteestä (mm. Bauch 1979), sekä sisämittauksiin kaikuisissa tiloissa (Lahti 1997: 23). Jotkin painemikrofonit voidaan muuntaa lähi- tai hajakenttäkäyttöön akustisella sovittimella.

Painemikrofoneja käytetään myös äänitysstudioissa, mutta studiokondensaattomikrofonit ovat yleisemmin ns. painegradienttimikrofoneja, jotka reagoivat kahden pisteen välisiin äänenpaine-eroihin. Painegradienttiperiaatteella voidaan toteuttaa useita eri suuntakuvioita, mikä on äänityskäytössä usein toivottava ominaisuus. Suuntaavalla mikrofonilla voidaan esimerkiksi karsia pääasiallisen äänilähteen signaali liiasta salikaiusta tai muiden äänilähteiden signaalista. Painegradienttimikrofonin suuntakuvio ei kuitenkaan ole samanlainen koko taajuusalueella, vaan esimerkiksi suoraan takaa tai sivusta taajuusvaste voi olla hyvinkin vääristynyt. Painegradienttimikrofonia voidaan käyttää myös mittauksiin suhteellisen kuivassa akustiikassa, jossa mikrofonin sivuilta ja takaa tulevat heijastukset ovat pieniä. Painegradienttimikronien äänentoistoon vaikuttaa lisäksi ns. lähiefekti, joka korostaa alle metrin etäisyydellä olevan äänilähteen matalia taajuuksia.

Kaikkia studiomikrofoneja ei ole suunniteltu toistoltaan neutraaleiksi. Monet mikrofonit ovat äänittäjien suosiossa juuri siksi, että ne tuovat äänitteeseen oman sävynsä. Studioissa käytetään paljon esimerkiksi dynaamisia mikrofoneja, jotka värittävät ääntä jo toimintaperiaatteensa vuoksi. Lisäksi jotkin studiokondensaattorimikrofonit värittävät ääntä jopa enemmän kuin neutraaleimmat dynaamiset mallit.

Mittamikrofoneissa kondensaattorikalvon koko määrää suurelta osin mikrofonin käyttötarkoituksen. Ns. isokalvoiset eli noin 2,5 cm läpimittaisella kalvolla varustetut mittamikrofonit ovat tyypillisesti herkkiä ja pienikohinaisia. Ne soveltuvat erityisesti hiljaisten, matala- ja keskitaajuisten äänisignaalien mittaukseen. Pienikalvoiset, esimerkiksi n. 1,25 cm tai pienemmällä kalvolla varustetut mikrofonit kestävät tyypillisesti suuria äänenpaineita ja ovat diskanttitoistoltaan tarkempia. Pienikalvoinen mikrofoni on kuitenkin muuten vastaavaa isokalvoista mikrofonia epäherkempi (ts. vaatii enemmän sähköistä vahvistusta) ja omakohinaltaan suurempi. Pienikalvoista mikrofonia tarvitaan erityisesti mitattaessa yli 20 kilohertsin taajuuksia.

3.2 Muut tallennusvälineet

Mikrofonin lisäksi äänimateriaalin tallentamisessa tarvitaan korkealuokkainen mikrofonietuvahvistin, mikrofonin mahdollisesti tarvitsema virtalähde sekä tallennin tai mittalaite. Mikrofonietuvahvistin vahvistaa mikrofonin tuottaman alhaisen vaihtojännitteen tallentimeen sopivalle voimakkuudelle. Mikrofonietuvahvistimia valmistetaan erillislaitteina ja niitä on integroitu miksereihin ja kannettaviin tallentimiin. Kondensaattorimikrofonia käytettäessä tarvitaan myös virtalähde polarisaatiojännitettä ja mikrofonin vahvistinosaa varten. Puolijohde-elektroniikalla toteutettujen studiomikrofonien käyttöön on vakiintunut 48 voltin phantom-virtalähde, jollainen on lähes poikkeuksetta sisällytetty studiokäyttöön tehtyihin mikrofonietuvahvistimiin. Phantom-jännite johdetaan virtalähteestä mikrofoniin tavanomaisen tasapainotetun mikrofonikaapelin kautta. Erillistä virtalähdettä tarvitsevat studiokäytössä lähinnä vain putkieletroniikkalla toimivat mikrofonit. Erillistä, paristokäyttöistä virtalähdettä saatetaan myös tarvita kannettavalla äänityskalustolla työskenneltäessä. Mittamikrofonit saattavat vaatia oman, niitä varten suunnitellun etuvahvistimensa.

Mittauskäytössä yleisimpiä ovat puolijohde-elektroniikalla toteutetut vahvistimet. Studiokäytössä varsin yleiset putkietuvahvistimet on usein tarkoituksellisesti suunniteltu ääntä värittäviksi, eivätkä näin ole optimaalisia mittauskäyttöön. Elektroniikan toimintaperiaate ei kuitenkaan yksin määrää äänenlaatua. Myös putkielektroniikalla on toteutettu neutraalisti soivia etuvahvistimia ja erinomaisia mikrofoneja.

Tallentimien sisäänrakennetut mikrofonietuvahvistimet ovat useissa ammattilaitteissakin heikkolaatuisempia kuin erilliset tai (ammatti)mikseriin sisäänrakennetut mikrofonietuvahvistimet. Heikko laatu ilmenee muun muassa rajoittuneena taajuustoistona ja suurena pohjakohinana. Lisäksi tallentimien etuvahvistimista puuttuu usein phantomsyöttö.

Korkealuokkaisten digitaalisten tallentimien etuina ovat muun muassa merkityksettömän pieni huojunta, yleensä tasainen taajuusvaste, pieni pohjakohina ja stabiilius. Esimerkiksi DAT-nauhuri tai CD-tallennin sopii hyvin äänimateriaalin tallentamiseen kyseisten järjestelmien teoreettisten rajojen puitteissa. Myös laadukas, pakkaamatonta tallennusta käyttävä, kiinteään muistiin tai vaihdettaviin muistikorttehin perustuva tallennin soveltuu tehtävään. Pakkaavaa tallennusta käyttävät digitaalitallentimet, esimerkiksi MiniDisc- tai MP3-tallentimet, ovat ongelmallisempia, koska niissä suuri osa digitaaliseksi muunnetusta tiedosta karsitaan tallennusprosessissa. Voidaan kuitenkin myös väittää, että koska äänitteestä hävitetään pääasiassa niitä komponentteja, joita korva ei havaitse, pakkauksesta ei ole suurta haittaa. (Voidaan jopa väittää, että "tarpeettomien" komponenttien karsiminen tekee mittauksen helpommaksi.) Varmempaa on kuitenkin käyttää hävittämätöntä tallennusta. Tarjolla on myös ns. häviöttömiä äänen pakkaustapoja, esimerkiksi Ogg FLAC ja Apple Lossless, joissa digitaalisignaali voidaan purkuvaiheessa palauttaa täysin pakkausta edeltävään muotoon.

Digitaalitallentimissa on suositeltavaa käyttää mahdollisimman korkeaa näytteenottotaajuutta ja bittiresoluutiota, ellei käytännöllisyys aseta rajoituksia. CD-äänilevyllä käytettyä 44,1 kHz:n näytteenottotaajuutta ja 16 bitin resoluutiota voidaan pitää jonkinlaisena miniminä soitinäänen mittaustyössä. Tällöin korkeataajuustoisto ulottuu noin 20 kHz:iin ja signaali/kvantisointikohinasuhde teoreettisesti korkeintaan 96 dB:iin. DAT-nauhurien 48 kHz:n näytteenottotaajuus tuo äänenlaatuun pienen parannuksen. Uudet 96 kHz:n tai 192 kHz:n ja 24 bitin muunnoksen mahdollistavat tallentimet tarjoavat teoriassa merkittävästi paremman äänenlaadun. Koska mittauskäytössä tarvitaan usein vain lyhyitä ääninäytteitä, suuren resoluution vaatima tallennuskapasiteetti ei välttämättä aseta merkittäviä rajoituksia.

Jos äänitykset tehdään suoraan tietokoneelle, ääniliitännän ominaisuudet on huomioitava. Tietokoneiden sisäänrakennettujen analogia/digitaalimuuntimien äänenlaatu on usein puutteellinen, joskin se voi olla käyttötarkoitukseen riittävä. Parempaan äänenlaatuun voidaan päästä, jos tietokoneessa on liittimet digitaalisen äänisignaalin sisäänmenolle. Tällöin voidaan muuntimena käyttää erillistä laitetta, esimerkiksi DAT-nauhuria tai MiniDisc-tallenninta. MiniDisc-tallentimen pakkausalgoritmi ei ole käytössä (ainakaan useimmissa laitteissa), kun ääni ohjataan tietokoneeseen suoraan tallentimen muuntimista. Yhtenä vaihtoehtona on myös ulkoisen USB- tai FireWire-liitäntäisen muuntimen käyttö. Näistä monissa on myös hyvälaatuinen mikrofonietuvahvistin ja phantomsyöttö.

Analogisten tallennusvälineiden ongelmana on herkkyys säätömuutosten, likaantumisen ja kulumisen aiheuttamille äänenlaadun muutoksille. Esimerkiksi C-kasettinauhuri on hyvin herkkä näille tekijöille. Korkealuokkaiset ammattikelanauhurit ovat hyvin huollettuina käyttökelpoisempia. Jos tallennuksessa käytetään analoginauhuria, se pitäisi puhdistaa ja säätää ennen mittaustapahtumaa. Lisäksi äänimateriaali kannattaa siirtää mittausvälineistöön, esimerkiksi tietokoneelle, mahdollisimman pian äänittämisen jälkeen, jotta nauhurin säädöt eivät ehdi muuttua.

Äänitteet on lopuksi siirrettävä mittausvälineistöön, esimerkiksi tietokoneelle. Siirto vaatii tietokoneelta digitaalista tai hyvälaatuista analogista ääniliitäntää sekä takoitukseen soveltuvaa äänitysohjelmaa. Jos äänitteet on tehty ääni-CD-tallentimella, ne voidaan nykyaikaisilla tietokoneilla siirtää suoraan CD-ROM-asemasta kovalevylle. Tällöin tietokoneiden ääniliitäntöjen ominaisuuksilla ei ole merkitystä.

3.3 Mittausohjelmat

Ihanteellinen mittausohjelma on juuri kyseiseen käyttötarkoitukseen räätälöity ja mahdollisimman pitkälle automatisoitu. Kovin erikoistuneeseen mittaustehtävään on kuitenkin harvoin tarjolla valmista ohjelmaa, joten käytännössä joudutaan useimmin turvautumaan kompromissiin muokattavuuden ja helppokäyttöisyyden välillä.

Mittauksiin soveltuvat tietokoneohjelmat voidaan jakaa karkeasti kolmeen luokkaan:

  1. erikoistuneet mittausohjelmat
  2. yleiskäyttöiset äänenkäsittelyohjelmat
  3. ohjelmointikielet
Erikoistuneet mittausohjelmat on tarkoitettu etupäässä pelkästään mittauskäyttöön. Lisäksi ne on usein tarkoitettu jonkin tietyn tieteenalan, esimerkiksi akustiikan tai fonetiikan mittauksiin. Yleiskäyttöiset äänenkäsittelyohjelmat on tarkoitettu äänen muokkaukseen, mutta monet niistä sisältävät myös spektrianalyysitoimintoja ja muita äänitiedon visualisointiin soveltuvia välineitä. Ohjelmointikielet voidaan jakaa yleiskäyttöisiin ja erikoistuneisiin kieliin. Erikoistuneita kieliä on kehitetty muun muassa matemaattiseen ja logiikkapohjaiseen tietojenkäsittelyyn. Koska Fourier-analyysi on yksi matematiikan perustekniikoista, monet matemaattiset ohjelmointikielet, esimerkiksi Mathworksin Matlab ja Wolfram Researchin kehittämä Mathematica sisältävät Fourier-muunnosfunktioita ja monipuolisia graafisten kuvaajien tulostusmahdollisuuksia. Myös moniin yleiskäyttöisiin ohjelmointikieliin on saatavissa valmiita Fourier-muunnostoteutuksia.

Vuorovaikutteisten äänenmuokkausohjelmien etuina ovat helppo omaksuttavuus ja kokeilujen helppous. Toisaalta graafisten kuvaajien muokkaus- ja tulostusmahdollisuudet ovat usein heikot. Vuorovaikutteisten ohjelmien käyttö on pitkälti käsityötä, joten usein toistettavat, samanlaiset työvaiheet vaativat työaikaa ja lisäävät virhemahdollisuuksia.

Yleiskäyttöisten ohjelmointikielten etuina ovat suuri muokattavuus ja automatisointimahdollisuudet. Haittapuolena on korkea aloituskynnys, koska ohjelmointikielen opettelu vaatii vaivannäköä ja mittaussovelluksen kehitysvaiheessa työmäärä on suuri. Myös erikoistuneet matemaattiset ohjelmointikielet vaativat opettelua, mutta itse mittaussovellusten kehittäminen on usein helpompaa kuin yleiskäyttöisillä kielillä. Monien matemaattisten ohjelmien haittapuolena on korkea hinta, koska ne on usein suunnattu ammattikäyttöön. Korkealuokkasia ilmaisohjelmia on kuitenkin saatavilla. Myös kaupallisista ohjelmista on saatavissa ominaisuuksiltaan tai käyttötarkoituksiltaan rajoitettuja huokeita opiskelija- tai oppilaitosversioita.

Soitinmittauksissa mitattavaa äänimateriaalia ja tulosteita kertyy usein runsaasti, joten käsityön määrä pitäisi pystyä minimoimaan. Tällöin on perusteltua käyttää ohjelmaa, jolla työtä voidaan automatisoida, vaikka alkuvaiheessa tarvittaisiin enemmän opettelua tai omaa ohjelmointityötä. Lisäksi tiedon määrän hallintaa on syytä systematisoida muun muassa tiedostojen organisoinnin, nimeämisen ja kirjanpidon osalta.


[seuraava luku] [edellinen luku] [sisällysluettelo]

Copyright © 2001, 2006 Pekka Mikael Laine & Kai Lassfolk. All Rights Reserved.