Teoriatuokio I: Aaltoja, aaltoja

Aluksi muutama sananen itse äänestä.
Äänen ajatellaan yleensä olevan väliaineessa (kuten ilmassa) etenevää aaltoliikettä, ja sitä kuvataan hyvin usein meren aaltojen poikkileikkausta muistuttavina aaltoviivoina. Mikäs siinä, tämä on vallan hyvä tapa havainnollistaa monia äänen ominaisuuksia.

Se, minkä meidän aivomme tulkitsevat ääneksi, on kuitenkin pohjimmiltaan sarja pieniä ilman (tai muun väliaineen) paineen tiheysvaihteluita, jotka etenevät syntypisteestään enemmän tai vähemmän eräänlaisina jatkuvasti laajenevina pallokuorina. Ilma on tavattoman helposti kasaan puristettavaa ainetta, joten se ei itse asiassa johda ääntä kovinkaan hyvin. Ääni vaimenee varsin nopeasti, mitä kauemmaksi äänilähteestä päästään, ja sen lisäksi ääni etenee ilmassa tolkuttoman hitaasti: vaivaiset kolmesataa metriä sekunnissa.

Jossakin vaiheessa nämä hitaasti etenevät painevaihtelut tavoittavat korvan. Yksi korva pystyy aistimaan tavattoman pieniä paine- eroja, mutta se ei pysty mitenkään hahmottamaan, mistäpäin ääni tulee — kuten hyvin tietää jokainen pysyvästi tai tilapäisesti yksikorvainen. Tarvitaan toisen korvan apua. Jos korviin tulevilla painevaihteluilla on pienikin keskinäinen aika- ja voimakkuusero, korviin kytketyt aivot pystyvät salamannopeasti arvioimaan äänen tulosuunnan.

Aivan jaksotonta, muodotonta, epämääräistä ääntä kutsutaan kohinaksi (engl. noise), mutta useimmista äänen muodoista — etenkin sellaisista joilla on jotakin tekemistä musiikin kanssa — voidaan hahmottaa jonkinlainen jaksollisuus: sävelkorkeus tai taajuus. Tällöin ilmanpaineen tihentymät ja harventumat vilahtelevat korvan ohi säännöllisin väliajoin.

Yksinkertaisin mahdollinen aaltomuoto on niin sanottu siniaalto (engl. sine wave). Aallonpituus voidaan määritellä esimerkiksi kahden peräkkäisen huipun (ilmanpaineen tihentymän) tai kahden peräkkäisen kuopanpohjan (ilmanpaineen harventuman) etäisyytenä: tavallisimmin käytetään kuitenkin kahta sellaista peräkkäistä kohtaa, jossa aalto ohittaa nolla-arvon samaan suuntaan. Aaltoliikkeen taajuus (frequency) taas tarkoittaa sitä, montako tällaista aallonpituutta havaitaan sekunnin aikana. Matalimmat ihmisen kuulemat taajuudet ovat parisenkymmentä värähdystä sekunnissa eli hertsiä (Hz). Korkeimmat nuoren ihmisen kuulemat taajuudet ovat puolestaan parikymmentätuhatta hertsiä eli parikymmentä kilohertsiä (kHz). Aallonpituuksina ajatellen tämä merkitsee sitä, että matalimmat kuultavissa olevat bassotaajuudet ovat lähes viisitoistametrisiä aaltoja, korkeimmat diskanttipihinät taas senttimetriluokan ilmantihentymiä ja -harventumia.

Pelkkä siniaalto on äärimmäisen tylsää musiikkia — koska siniaaltoa tuottavia laitteita käytetään usein mittaus- ja laboratoriotar21 koituksiin, useimpien korvaan siniaallon soundi kuulostaakin juuri jonkinlaiselta mittasignaalilta tai vanhan tieteiselokuvan tehosteääneltä.

"Oikeiden" soittimien tuottamat ääniaallot ovat paljon monimutkaisempia ja ryppyisempiä. 1800-luvun alussa vaikuttanut ranskalaismatemaatikko Jean Babtiste Joseph Fourier kuitenkin huomasi, että kaikenlaiset jaksolliset aallot voidaan (ainakin teoriassa) esittää yhdistelmänä eri taajuisia ja vahvuisia siniaaltoja. Useimpien melodisten soittimien äänet koostuvat perustaajuuden ohella sen moninkerroista (perustaajuus kertaa kaksi, kertaa neljä...), joita kutsutaan harmoniseksi yläsävelsarjaksi. Jos soiva sävel on esimerkiksi yksiviivainen a — taajuudeltaan 440 Hz — mukana soi vaihtelevilla voimakkuuksilla myös 880 Hz, 1320 Hz, 1760 Hz... Iso osa eri soittimien luonteenomaisesta soundista on nimenomaan peräisin yläsävelsarjan eri osasten keskinäisistä voimakkuuksista. Huilun äänes22 sä soi voimakas perustaajuus ja vaimeahko yläsävelsarja. Cembalon sävelessä taas perustaajuus kuoleutuu melkein heti ja kuuluville jää vain yläsävelsarja.

Käytännöllisesti katsoen kaikkien soittimien soundeissa on myös aineksia, joiden taajuudet eivät riipu soivan sävelen korkeudesta. Nämä formanttitaajuuksiksi kutsutut ainekset ovat myös osa soittimien luonteenomaista soundia. Juuri formanttien ansiosta esimerkiksi ihmisäänet kuulostavat niin luonnottomilta, jos sävelkorkeutta nostetaan keinotekoisesti samplerilla tai nauhanopeutta muuttamalla: tällöinhän formanttienkin taajuus muuttuu, toisin kuin silloin jos laulaja (tai soittaja) muuttaa sävelkorkeutta normaalisti laulamalla korkeammallta tai matalammalta.

Kun ääni muutetaan sähköiseen muotoon esimerkiksi mikrofonin avulla, voidaan ajatella että ilmanpaineen pienet muutokset yksinkertaisesti muutetaan sähköisen jännitteen pieniksi muutoksiksi. Painevaihtelut siis korvataan samankaltaisilla — analogisilla — jännitevaihteluilla. Mikrofonin kalvon tuottamat jännitteet ovat tavattoman pieniä. Niitä on helpompi käyttää, muokata tai tallentaa, kun niitä voimistetaan erityisen esivahvistimen avulla vähän voimakkaammiksi. Jos sähköiseksi muutettu äänisignaali tallennetaan ääninauhalle, jännite-erot muutetaan pieniksi magneettikentän muutoksiksi. Jos taas signaali johdetaan vahvistamisen jälkeen kaiuttimeen, sähköiset jännite-erot muutetaan magneettikentän muutoksiksi, jotka puolestaan saavat kaiutinelementin värähtelemään. Tämä värähtely vaikuttaa tietysti kaiutinelementin ympärillä olevaan ilmaan, johon syntyy pieniä painevaihteluita — ja niin ääni on mutkan kautta onnistuttu palauttamaan takaisin ääneksi.

Nyt kun olemme onnistuneet muuttamaan ääntä sähköksi ja sähköä ääneksi, voimme tehdä pienen käytännön kokeen. Asettele stereoiden kaiuttimet keskilattialle vähän matkan päähän toisistaan. Jos sinulla on testisignaaleja sisältävä levy — tai testisignaaleja tuottava ohjelma tietokoneella — soita eri korkuisia ääniä niin, että signaali tulee yhtä voimakkaana kummastakin kaiuttimesta. Kuuntele, miten eri taajuisten signaalien ääni muuttuu kävellessäsi kuuntelemaan eri puolille kaiuttimia. Tuki välillä toinen korvasi, niin että saat aivojesi stereosignaaliprosessorin kytkettyä pois käytöstä. Siirrä kaiuttimia välillä lähemmäksi tai kauemmaksi toisistaan ja kuuntele edelleen eri taajuisten testisignaalien muuttumista riippuen siitä, missä kohdassa satut olemaan kaiuttimiin nähden. Huomaatko?

Kauempana olevasta kaiuttimesta tulevalla äänellä on tietenkin pitempi matka kuljettavanaan kohti korvaa. Näin ollen sen aallot ovat vähän "taaempana" kuin etukaiuttimen aallot: sen sanotaan olevan eri vaiheessa. Korvaan saapuessaan tämä lisäaalto vahvistaa tai heikentää etummaisen aallon aiheuttamaa painetta, riippuen siitä onko taka-aallolla juuri siinä kohtaa tiheämpi vai harvempi kohta. Testisignaalin siniaallosta on siis tullut yllättäen vähän monimutkaisemman muotoinen. Jos kaiuttimien etäisyysero toisistaan sattuu olemaan testisignaalin aallonpituuden puolikas (tai aallonpituuden moninkerta plus yksi puolikas), takakaiuttimen aiheuttama ilmanpaine on heikoimmillaan silloin kun etukaiuttimen paine on voimakkaimmillaan, ja päinvastoin. Tällaisista vastakkaisvaiheisista aalloista syntyy — periaatteessa — hiljaisuus.

Tämä on yksi klassinen esimerkki vaihevirheestä. Todellisessa elämässä ja testisignaalia monimutkaisemmilla aalloilla tuloksena on erittäin harvoin todellinen hiljaisuus. Äänestä saattaa kuitenkin vaimentua joitakin taajuuksia ja korostua toisia (tätä kutsutaan joskus kampasuodatukseksi). Tällaisen vaihevirheen mahdollisuus on myös silloin, kun yhtä soitinta — tai soitinryhmää — äänitetään useammalla mikrofonilla. Tähän palataan kirjan Äänitys-osassa.

Toinen klassinen vaihevirhe-esimerkki löytyy vanhasta kunnon Stereotestistä (joka on nykyään ladattavissa Yleisradion nettisivuilta). Siinä molempiin stereokanaviin ajetaan yhtä voimakasta signaalia ("ääneni kuuluu kaiutinparin ajatellusta keskipisteestä"), mutta toisen kanavan vaihe on käännetty sähköisesti, ja lopputulos sotkee meidän aivo- ja korva-apparaattimme suunnistuskyvyn: "Ääneni pitäisi nyt kuulua epämääräisestä suunnasta, ja monovastaanotossa sen pitäisi häipyä lähes kuulumattomiin."

Tämäntyyppinen vaihevirhe saattaa joskus olla musiikillisesti hyödyllinen. Suurin osa niistä laitteista ja ohjelmista, joilla stereokuvaa levitetään itse kaiuttimia laveammalle, perustuu juuri äänen vaiheistuksella pelaamiseen. Mutta kuten stereotestin klassikkoesimerkki osoittaa, tempussa on myös ongelmansa: kun kikkailua kuunnellaan stereon sijasta monona, saattaa soitannosta kadota kokonaisia soitinosuuksia aivan kuulumattomiin.