Sijainti: Kurssit -> Musiikkifysiikka
Päivitetty viimeksi 11.07.2010 kello 11:45

Äänioppi 1

Muunnos mekaanisen tai sähköiseen muotoon

Vielä muutama sukupolvi sitten ainoa mahdollisuus kuulla jonkun puhetta oli olla paikan päällä silloin kun tämä henkilö puhettaan piti. Kerran suusta päästettyä sanaa ei voitu tallettaa mihinkään, joten jos saapui paikkakunnalle vasta seuraavana päivänä niin oli kyllä auttamattomasti myöhässä. Toisekseen, ihmisen puhe ei kanna kovin kauas. Vaikka kuinka huutaisi niin jo alle kilometrin päässä olevat ihmiset eivät tule kuulemaan asiaasi vaikka oltaisiin hyvinkin hiljaisessa ympäristössä.

Ääneen perustuva viestiminen oli siis tiukasti kiinni ajasta ja paikasta. Puheella ei voitu koskaan tavoittaa kovin suuria ihmismassoja. Vasta ihan hiljattain insinöörit ja keksijät ovat kehittäneet huimia systeemejä, joiden avulla ääntä voidaan siirtää ajassa tai paikassa.

Ihan ensimmäiseksi ihmisen piti keksiä, että ääni on värähtelyä. Vahvistamattoman ja groteskin tarinan mukaan joku joskus ammoisina aikoina olisi aukaissut jonkun jo kuolleen koehenkilön pääkallon, poistanut sieltä turhat roinat ja päässyt käsiksi välikorvaan ja tärykalvoon. Sitten tämä nero olisi laittanut paperiarkille hiekanjyviä, ja yhdistänyt tärykalvon ja tämän paperin esim. neulalla tai jollain muulla välikappaleella. Puhuttaessa tämän koehenkilön korvaan hiekanjyvät värähtelivät paperiarkilla, ja tästä huomattiin, että ääni on todellakin värähtelyä.

Tästä ei ole enää kovin pitkä matka siihen, että paperiarkin sijaan käytetään pyörivää vaharullaa tai muuta materiaalia, ja aito ihmiskorva on korvattu jollain muulla helposti värähtelevällä kalvolla. Näin saatiin aikaiseksi gramofonin esiasteet, kuten Edisonin Phonograph.

Näissä keksinnöissä äänenpaineen vaihtelut muutetaan mekaaniseksi värähtelyksi jonkun helposti värähtelevän kalvon avulla. Tämä kalvo liitetään neulaan, joka luonnollisesti värähtelee samassa tahdissa. Lopulta neulan alle asetetaan pyörivä vaharulla (myös muu materiaali käy), johon neula sitten raapii värähtelyn mukaista naarmua eli ääniuraa.

Toistovaiheessa ääniuraan asetetaan myöskin neula, joka ”lukee” urassa olevat värähtelyt. Neulan liikkuu uran mukana, ja kun neula on kytketty kalvoon, tämä kalvo värähtelee lopulta samaan tahtiin ääniuran mukana. Kalvo saa aikaan ilmanpaineen muutoksia, ja näin ääni on muutettu takaisin akustiseen muotoon.

Phonograph ei kuitenkaan ole ensimmäinen ääntä taltioinut laite. Ensimmäiset tunnetut äänitteet tehtiin jo 1850-luvun lopulla, 20 vuotta ennen kuin Thomas Edison kehitti Phonographinsa:

Tarkempia tietoja äänen tallennuksen alkuvaiheista mielenkiintoisine ääninäytteineen löytyy Wikipediasta:

ja aiheesta kiinnostuneille lisätietoja tallennuslaitteiden historiasta (vinlyyit, magneettiset tallentimet, moniraiturit, mp3, jne.) - näistä myöhemmin vielä lisää jaksossa (zzz):

Äänen tallentamisen ohella oli monen keksijän tavoitteena sen siirtäminen paikasta toiseen. Tässä onnistui virallisesti ensimmäisenä Graham Bell vuonna 1876 kehittäessään puhelimen. Siinä akustinen ääni (ilmanpaineen muutokset) muutetaan ensin sähkövirraksi, ja tämä virta siirtyy johtoa pitkin paikasta toiseen. Vastaanottopäässä sähkövirta muutetaan takaisin akustiseen muotoon eli ilman värähtelyksi.

Bell ei kuitenkaan välttämättä ollut ensimmäinen joka keksi äänen siirtämisen paikasta toiseen, hän nyt vaan sattui olemaan ensimmäinen joka sai sen toimimaan riittävän hyvin ja vielä tärkeämpää, patentoimaan keksinnön. Puhelimen taustoista löytyy lisätietoja osoitteista:

Nämä molemmat ilmiöt, äänen tallentaminen ja siirtäminen, pohjautuvat samaan ideaan: akustinen ääni (ilmanpaineen värähtelyt) muutetaan ensin toiseen muotoon mekaaniseksi tai sähköiseksi värähtelyksi. Mekaaninen värähtely voidaan tallentaa vahalieriöön tai vinyylilevyn ääniuralle, ja sähköjännitteen muutos voidaan vastaavasti siirtää johdinta pitkin paikasta toiseen. Lopulta operaatio tehdään toisin päin: mekaaninen tai sähköinen värähtely muutetaan takaisin akustiseen muotoon eli ääniaalloiksi ilmassa.

muunnoskaavio

Nykyään muuntimina käytetään pääsääntöisesti mikrofoneja ja kaiuttimia, ja sekä tallennukseen että tiedonsiirtoon digitaalista informaatiota. Äänenpaineen vaihtelut muutetaan lopulta siis numerosarjoiksi, joita siirretään dataliittymiä pitkin paikasta toiseen ja tallennetaan kovalevyille. Numeroiden etuna on se, että ne eivät muutu siirron tai tallennuksen aikana, joten informaatio ei periaatteessa vääristy eikä äänenlaatu kärsi. Sekä äänen tallennuksen että siirron kannalta keskeisintä onkin millä tavalla nuo muunnokset tehdään – ne ovat näiden prosessien heikoimmat lenkit.

muunnoskaavio

Näistä äänen muuntimista (transducer) enemmän jaksossa (zzz), ja eri tallennus- ja siirtomenetelmistä jaksossa (zzz).