[seuraava luku] [edellinen luku] [sisällysluettelo]

6 Esimerkki mittausprojektista

Seuraavassa on esimerkki mittausprojektista, jonka tarkoituksena oli selvittää jousisoitinten äänellisiä eroja. Mittausprojektin tarkoituksena oli kerätä aineistoa tutkimus- ja opetustarkoituksia varten sekä toimia soitinrakennuksessa äänen laatuun keskittyvän tuotekehitystyön apuna. Tässä raportissa on käsitelty vain osaa mittausprojektissa syntyneestä aineistosta.

Mittausprojektissa äänitettiin studiossa kahden alttoviulun ja kahden viulun vapaat kielet sekä lyhyt musiikkinäyte. Äänen mittaus rajattiin vapaisiin kieliin, jotta soittajan sormen kosketus ei vaikuttaisi ääneen ja jotta käsiteltävä aineisto on hallittavissa. Mittaus kohdistettiin äänten alukkeisiin, koska äänen syttymistapaa ja valmistumisen nopeutta pidettiin ratkaisevana äänen laatua ja soittimen käyttökelpoisuutta määrittävänä tekijänä. Äänen syttymistapa vaikuttaa soittimen hallittavuuteen ja äänen sävyyn erityisesti nopeissa sävelkuluissa. Vapaiden kielien alukkeista tulostettiin 0,5 sekunnin ajalta kolmiulotteiset kuvaajat, joita arvioitiin sekä sellaisenaan että kuuntelemalla samalla vapaiden kielten ääninäytteitä.

Musiikkinäytteet kaiutettiin ja niitä vertailtiin keskenään. Kuvaaja- ja äänimateriaalin avulla pyrittiin selvittämään, mitä eroja soittimien soinnissa on ja ovatko erot objektiivisesti arvioitavia laatueroja vai mieltymysseikkoja.

6.1 Hyvän äänen kriteerit

Jousisoittimen ääni syntyy, kun kielen värähtely ohjautuu kannen ja pohjan kautta ilmaan. Viulun vartalo ei "vahvista" ääntä, vaan siirtää ainoastaan värähtelyn väliaineesta toiseen. Siirtymisessä tapahtuu suuria häviöitä, tuotetun äänienergian osuus soittimeen siirretystä energiasta on luokkaa 0,1-1 % eli yhtä suuri kuin tavallisessa dynaamisessa kaiuttimessa. Muu energia muuttuu pääasiassa lämmöksi. Hyötysuhde on huonoimmillaan värähtelyn siirtyessä kannesta ja pohjasta ilmaan (väliaineiden ominaispainojen ero on tässä suurin).

Jousisoittimen toimintaperiaate on sama kuin bassorefleksikaiuttimessa; matalimpia taajuuksia korostetaan tietyn viritystaajuuden avulla. Soittimen äänessä saattaa olla sointivärimuutoksia erityisesti kahdella taajuudella, ns. ilmaääniresonanssitaajuudella ja vartaloresonanssitaajuudella (Benade 1990: 537.) Soinnissa tietyillä äänenkorkeuksilla joissakin soittimissa esiintyvä huojunta, "susiääni", on seurausta yleensä kannen eri osien värähtelemisestä niin, että ääneen syntyy vaihevirheitä. Myös värähtelevä kieli voi aiheuttaa sointivirheitä. Äänelliset erot soittimissa johtuvat pääasiassa kannen ja pohjan muodosta, paksuudesta, materiaalista ja pintakäsittelystä sekä soittimen tilavuudesta. Jousisoittimet suuntaavat suurimman osan äänestä ja varsinkin äänen korkeimmat taajuudet kohtisuoraan kannesta poispäin.

Varhaisempina aikoina jousisoittimien rakentamisessa huomioitiin nykyistä enemmän paikalliset esiintymistilat ja olosuhteet. Jos esimerkiksi paikkakunnalla sijaitsevassa kirkossa jälkikaiunta-aika oli pitkä, rakennettiin kirkkaasti ja selkeästi soivia viuluja. Äänen voimakkuus saattoi siinä tilanteessa olla vähemmän tärkeä ominaisuus. Orkesterien koon kasvaessa ja musiikkiesitysten siirtyessä monenlaisiin akustiikaltaan huonoihinkin tiloihin, tarvittiin soolosoittimina viuluja, joissa on kantava ja voimakas ääni.

Nykyisin studioäänityksissä ja sähköisessä äänen tallennuksessa äänen suuri voimakkuus ei ole välttämätöntä. Toisaalta orkesterien ja salien koko on edelleenkin kasvamassa ja soolosoittimilta vaaditaan yhä suurempaa äänenvoimakkuutta. Tärkeimpiä vaatimuksia näyttääkin olevan soittimen tietynlainen monikäyttöisyys tilanteissa, missä esitettävä musiikki, soitinyhtyeiden kokoonpano ja esitystilojen akustiikka vaihtelevat paljon.

Perinteisesti jousisoittimen ääntä pidetään hyvänä, kun seuraavat ehdot täyttyvät:

  1. Äänessä on suuri dynamiikka; soittimen tulee tuottaa tarvittaessa hyvin voimakasta ja hyvin hiljaista ääntä.
  2. Äänen tulee soida samalla, soittimelle ominaisella tavalla, matalalta ja korkealta, voimakkaasti ja hiljaa soitettaessa.
  3. Äänen tulee syttyä nopeasti kaikilla, myös korkeimmilla yläsävelillä.
  4. Äänen soinnin tulee olla miellyttävä; tämä ominaisuus on eniten sidoksissa käyttötarkoitukseen ja -ympäristöön.

6.2 Soittimet

Mittausprojektissa olivat mukana seuraavat soittimet:

  1. Alttoviulu 2/2001 Laine, vartalopituus 411 mm, kielet: c-a Pirastro Obligato
  2. Alttoviulu, rakennettu ehkä Saksassa 1900-luvun alussa, vartalopituus 420 mm, kielet: c-d D'addario Zyex, a: Pirastro Permanent weich
  3. Viulu 2/1998 Laine, vartalopituus 354 mm, kielet g-a: Dominant weich, e: Kaplan
  4. Viulu 1/1985 Laine (rakennettu uudestaan 1920-luvun viulusta, alkuperämaa ehkä Saksa), vartalopituus 356 mm, kielet g-e: Pirastro Oliv

Soittimilla äänitettiin raidat, joilla vapaat kielet soitettiin aina kahteen kertaan, sekä Bachin soolosellosarjasta nr. 1 g-duuri 1. osa kuuntelutestiä varten. Soittaja oli Max Savikangas.

6.3 Tallennusvälineet

Äänitykset tehtiin Helsingin yliopiston musiikkitieteen studiossa. Mikrofoneina käytettiin yhtä pienikalvoista Bruel & Kjær 4007 pallosuuntakuvioista lähikenttämikrofonia, jolla äänitettiin vapaat kielet, sekä kahta Røde Classic II-mikrofonia, joilla äänitettiin musiikkinäytteet stereona. Mikrofonietuvahvistimina käytettiin kahta Behringer Pre-Q 520:ta.

Kaikkien mikrofonien korkeus lattiasta oli 1,8 metriä. Stereotallennukseen käytettyjen mikrofonien etäisyys soittajasta oli noin 1,2 metriä ja toisistaan 80 cm. B&K-mikrofonin etäisyys soittajasta oli 1 metri. Äänityshuoneen sivuseinistä tulevat heijastukset vaimennettiin sermeillä.

Kuva 6.1: Kuva äänitystilanteesta

Røde Classic II on isokalvoinen, perinteinen putkielektroniikkaan perustuva vaihtuvasuuntakuvioinen malli, jossa käytettiin hertta-asetusta. Mikrofoni oli aiemmin valittu kuuntelutesteillä yhdentoista isokalvoisen alle 2500 euron hintaisen mikrofonin joukosta ja sitä pidettiin testijoukosta (yhdessä herttakuvioisen rinnakkaismallinsa Røde NTV kanssa) soinniltaan neutraaleimpana erityisesti keskitaajuuksilla. Korkeiden diskanttien tallennuksessa Classic II on epätarkka, mikä on ominaista isokalvoisille mikrofoneille.

Isokalvoisia mikrofoneja käytetään varsin yleisesti jousisoitinten äänityksissä. Tähän on todennäköisesti syynä, että ne voivat tallentaa suhteellisen tarkasti matalat ja keskitaajuudet, mutta pyöristävät korkeita taajuuksia. Tällä on ilmeinen korrelaatio jousisoitinten ääni-ihanteeseen ja vahvistaa käsitystä, että jousisoittimen äänen korkeiden taajuuksien tulisi ihannetapauksessa muodostua suurelta osin epäsäännöllisestä värähtelystä, eikä pelkästään harmonisista yläsävelistä. Mittaustarkoituksiin isokalvoisen mikrofonin käyttö on kuitenkin perusteltua vain, jos se on soinniltaan neutraali ja mittauksissa diskanttitallennuksen detaljit eivät ole erityisenä tutkimuskohteena.

Vapaat kielet äänitettiin suoraan tietokoneen kovalevylle. Muuntimena oli Steinberg NUENDO 8 I/O 96k, jossa käytettiin 96 kHz:in näytteenottotaajuutta ja 24-bitin kvantisointiresoluutiota. Äänikortti oli RME Audio Hammerfall 9652 ja äänitysohjelma Steinberg NUENDO 1.5. Muuna tallennusvälineistönä olivat Behringer Pre-Q 520 mikrofonietuvahvistin ja Fostex CR-300 CD-tallennin, jolle äänitettiin musiikkikappaleet 44,1 kHz:in näytteenottotaajuudella. Laitteistoa pidetiin käyttötarkoitukseen hyvin soveltuvana ja laadultaan riittävänä.

6.4 Kuvaajat

Spektrianalyysia varten vapaiden kielten äänitteistä etsittiin kohdat, joissa kieli alkaa soida. Työvaihe automatisoitiin tarkoitusta varten kirjoitetulla analyysiohjelmalla. Jokaisesta äänitiedostosta muodostettiin analyysiohjelman erillinen kuvaustiedosto, jonne talletettiin soittimen tunnistetiedot sekä vapaiden kielten tunnisteet ja alkamisajat.

Spektrianalyysikuvaajat tuotettiin Linux-käyttöjärjestelmässä Octave-matematiikkakielellä kirjoitetulla aliohjelmalla. Octave on ilmainen ohjelma ja myös sen lähdekoodi on julkaistu ilmaisjakeluun. Linux-version lisäksi Octavesta on saatavissa myös Windows- ja Mac OS X -versiot. Octave on perussyntaksiltaan suurelta osin yhteensopiva MATLAB-ohjelman kanssa, joka on signaalinkäsittelyn tutkimuksessa yleisesti käytetty apuväline. Grafiikan osalta Octave ja MATLAB ovat kuitenkin epäyhteensopivia, joten tämän artikkelin spektrianalyysialiohjelmat eivät toimi MATLAB:issa. Aliohjelmapaketin ovat kirjoittaneet Kai Lassfolk ja Jaska Uimonen. Kuvaajien tuottamisessa ja äänitiedostojen esikäsittelyssä käytetyt ali- ja apuohjelmat on ladattavissa ilmaiseksi musiikkitieteen studion WWW-sivuilta.

Spektrianalyysikuvaajat ovat painotettuja siten, että korkeiden taajuuksien amplitudiarvoja on korostettu taajuuden suhteen lineaarisesti. Nyqvistin taajuus on korostettu amplitudiltaan 100-kertaiseksi 0 hertsiin verrattuna taajuusalueelta 0-20 kHz tehdyissä kuvaajissa ja 1000-kertaiseksi taajuusalueelta 0-40 kHz tehdyissä kuvaajissa. Painotusta käytettiin pelkästään kuvaajien luettavuuden parantamiseksi. Analyysialiohjelmassa painotuskerroin voidaan valita vapaasti, esimerkiksi cd-laatuisissa äänitteissä, joissa käytetään 44,1 kHz:in näytteenottotaajuutta, on taajuusalueelta 0-20 kHz tehdyissä kuvaajissa sopiva korostuskerroin 10. Kuvaajien amplitudiakseli on lineaarinen. Korkeiden taajuuksien syttymisnopeutta on vaikeampi havaita, jos amplitudiakseli on logaritminen.

Spektrogrammikuvaajat ja ääninäytteet alttoviulujen ja viulujen vapaista kielistä ovat erillisellä sivulla.

6.5 Musiikkinäytteet

Musiikkinäytteenä on osa Johan Sebastian Bachin soolosellosarjasta nr. 1 g-duuri. Viululla soitetut versiot on transponoitu d-duuriin. Näytteiden soiva kesto on noin 1 min 15 s.

Näytteet on talletettu Ogg Vorbis -muotoon bittinopeudelle 192 kbps. Tietostojen koko on keskimäärin 1.8 megatavua.

Altot:

Altto 2/2001 Laine
Altto "saksalainen"

Viulut:

Viulu 2/1998 Laine
Viulu 1/1985 Laine

6.6 Johtopäätökset

Mittausprojektissa mukana olleista soittimista tiedettiin käytössä saatujen kokemusten perusteella seuraavaa:
  1. Altto 2/2001 soi hyvin, c-kielen voimakkuus on jonkin verran pienempi ja sointiväri erilainen kuin soittimen muilla kielillä. Ilmiö johtunee alton melko pienestä koosta.
  2. Altossa "saksalainen" a-kielen sointiväri poikkeaa selvästi muiden kielien sointiväristä ja on koettu jonkin verran ongelmalliseksi.
  3. Viulun 2/1998 sointi on kaikilla kielillä samantapainen. Sointiväri ei ole kuitenkaan täysin tyydyttävä; siinä on jonkin verran kovuutta ja epätäyteläisyyttä.
  4. Viulu 1/1985 soi hyvin kaikilla kielillä. Sointi ei ole kovin voimakas, mutta erityisesti e-kielellä pehmeä ja täyteläinen.
Mittausten perusteella todettiin muun muassa seuraavaa:
  1. Alton 2/2001 soinnissa ei ole erityisiä sointivirheitä. A-kielen yläsävelsarja on rikas ja ulottuu ulottuu pitkälle, kuten viulussa.
  2. Alton "saksalainen" a-kielen seitsemäs yläsävel on hyvin voimakas verrattuna muihin yläsäveliin. Tämä on syynä kielen poikkeavaan, terävähköön sointiin.
  3. Viulussa 2/1998 on kaikkien kielten soinnissa vaimentuma taajuusalueella 5000-7000 hertsiä. Tämä antaa viululle sille ominaisen kovahkon sointivärin.
  4. Viulussa 1/1985 on hyvin rikas ja korkealle ulottuva yläsävelsarja a- ja e-kielillä. Matalammilla kielillä on yläsävelsarjan alussa epätasaisuutta, mikä antaa viululle jonkin verran voimattoman ja hauraan soinnin.

Jokainen soitin oli tunnistettavissa äänensä perusteella ja myös äänestä tulostetuista kuvaajista. Tiedossa olleet soittimien soinnin ominaispiirteet olivat tulkittavissa kuvaajien kautta paremmin kuin pelkän kuulohavainnon perusteella. Erot soinnissa näkyivät kuvaajista mm. matalimpien yläsävelien voimakkuuseroina sekä yläsävelsarjan ulottuvuudessa.

Sointivirheinä voidaan pitää "saksalaisen" alton a-kielen sointitapaa sekä viulussa 2/1998 Laine esiintyvää vaimentumaa kaikilla kielillä soitettaessa. Kaikki vertailussa ollet soittimet ovat kuitenkin laadultaan riittäviä ammattikäyttöön. Soinnin virheet eivät ole missään soittimessa vakavia ja yläsävelsarjan ulottuvuus antaa kaikille soittimille rikkaan sointivärin. Mikäli mukana olisi ollut heikkotasoisempia soittimia, olisivat erot kuvaajissa olleet suurempia.

Pelkästään kuvaajia tutkimalla ei voinut sanoa, soiko soitin hyvin. Äänestä tulostetun kuvaajan katsominen samaan aikaan ääninäytteen kuuntelun kanssa auttoi tarkentamaan kuulohavaintoa äänestä ja kertomaan syyn, miksi ääni soi sille ominaisella tavalla.

Soittimien objektiivinen laatu ei ollut projektin tuloksena aivan yksiselitteisesti määriteltävissä. Laatua huonontavat yleensä selvät sointivirheet ja soinnin epätasaisuus, jotka kuvaajien avulla saadaan helposti selvitettyä. Toisaalta soittajan mieltymys soittimeen ja sen toimivuus tietyssä sointia värittävässä akustiikassa ovat tärkeitä henkilökohtaisia arviointiperusteita soittimen valinnassa.


[seuraava luku] [edellinen luku] [sisällysluettelo]
Copyright © 2001, 2006 Pekka Mikael Laine & Kai Lassfolk. Sound files: Copyright © 2001, 2006 Max Savikangas, Pekka Mikael Laine & Kai Lassfolk. All Rights Reserved.