Miten ääni syntyy?
Ääni on korvan aistimaa värähtelyä joka kulkee ilmassa. Värähtelyn voimakkuus tekee äänenvoimakkuuden. Värähtelyn taajuus tekee äänen korkeuden tai mataluuden. Äänenvoimakkuus tarkoittaa sitä miten kovana ääni aistitaan. Taajuus tarkoittaa sitä aistitaanko ääni matalana jyrinänä, korkeana sirityksenä tai jotain siltä väliltä. Äänen kestoaika tarkoittaa sitä miten pitkän ajan ääni kuuluu.
Mitä ovat taajuus ja oktaavi?
Taajuus tulee äänen värähtelynopeudesta. 20 Hz taajuudella ääniaalto värähtelee 20 kertaa sekunnissa. 5 000 Hz ( 5 kHz ) taajuudella tapahtuu 5 000 värähdystä sekunnissa. Aika helppo juttu ymmärtää, vai mitä? Toinen juttu on aallonpituus. Aallonpituus saadaan kun jaetaan äänennopeus ( 344 m/s ) taajuudella. Eli esimerkiksi 100 Hz äänen aallonpituus on 344 cm eli 3,44 metriä ja 20 kHz äänen aallonpituus on 1,72 cm eli 0,0172 metriä.
Oktaaviksi sanotaan taajuuden muutosta suhteessa 1:2. 100 Hz on oktaavin alempi ääni kuin 200 Hz. Vastaavasti 2 kHz on oktaavin ylempi ääni kuin 1 kHz. Yhden oktaavin muutos kuulostaa ihmiskorvaan yhtä suurelta erolta riippumatta taajuusluvuista. Eli muutos 100 Hz:stä 200 Hz:in kuulostaa yhtä suurelta erolta kuin muutos 10 000 Hz:stä 20 000 Hz:in vaikka numeroina ilmaistuna erot ovat satakertaiset ( 100 Hz vs. 10 000 Hz ).
Jokaisen soittimen ja minkä tahansa luonnollisen äänilähteen aikaan saamat äänet sisältävät aina useampia kuin vain yhtä taajuutta. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi bassorummun tömähdys ei ole vain yhtä taajuutta vaan siinä on monia eri taajuuksia tietyllä alueella. Tästä kuvitteellinen esimerkki viereisessä kuvassa. Voimakkaimpana tässä bassorummun lyönnissä on 50 Hz taajuus. Viereiset taajuudet molemmin puolin ( eli matalammat ja korkeammat äänet kuin 50 Hz ) vaimenevat sitä enemmän mitä kauemmas 50 Hz:stä mennään kunnes tietyillä taajuuksilla ääntä ei ole enää lainkaan olemassa. Tämän lisäksi soitinten äänillä on yleensä harmonisia kerrannaisia jotka ovat taajuudeltaan varsinaisen äänen monikertoja.
Miten ihmiskorva kuulee basson ja muut äänet?
Ihmisen kuuloalue ( eli ne taajuudet mitä kuulemme ) on rajallinen, numeroina ilmoitettuna noin 20-20 000 Hz ( 20 Hz-20 kHz ). Infraääniksi kutsutaan alle 20 Hz ääniä jotka ovat niin matalia että ihminen ei niitä yleensä kuule vaan aistii ne tuntoaistillaan värähtelyinä. Ultraäänet taas ovat yli 20 kHz ääniä joita ihmiskorva ei myöskään kuule. Monet eläimet aistivat paljon meitä paremmin infraääniä ( esim. valaat ) ja ultraääniä ( esim. koirat ja lepakot ).
Kuuloalueen sisällä on myös isoja eroja äänen kuulemisessa. Ihmiskorvan herkkyys on parhaimmillaan keskiäänialueilla. Kaikkein herkimmillään korva on noin 3 kHz taajuudella. Tällä 3 kHz taajuudella ihmiskorva pystyy laboratorio-olosuhteissa aistimaan äänen jonka voimakkuus on 0 dB. Kun taas matalissa bassoäänissä ( 20 Hz ) ihmiskorvan kuulokynnys on paljon korkeammalla. Pystymme kuulemaan 20 Hz äänen vasta kun sen voimakkuus on 60-80 dB!!!
Tässä on selitys sille, miksi jossain tehtaassa ilmoitetaan 80 dB melun olevan niin kovaa ja vaarallista että tarvitaan kuulosuojaimia ja 100 dB voimakkuudella kuuluva matala basso ei vielä kuulosta kovalta. Syy on siinä että korva on niin epäherkkä matalille taajuuksille. Melurajoitusten tekoon käytetään tiettyjä painotuksia, kenenkään ei tarvitse pelätä menettävänsä kuuloaan saman tien jos kuulee 100 dB voimakkuudella matalaa bassoa.
Miksei sitä bassoa kuulu niistä auton omista kaiuttimista?
Kuten yllä on jo kerrottu, niin sitä bassoa pitää äänenvoimakkuudeltaan olla aika reilusti että sen kuulee jos verrataan vaikka sähkökitaran ääneen. Nyt käydään läpi se toinen juttu joka entisestään tekee sen basson aikaansaamisen vaativammaksi kuin keskiäänen tai diskantin. Mitä matalampia ääniä halutaan kaiuttimesta saada, sitä enemmän sen pitää liikkua tuota ääntä tuottaakseen. Periaatteessa auton etuovessa oleva kaiutin on suljetussa kotelossa jonka muodostaa ovi. Vakiokuosissaan ovi on tosin aika huono kotelo, se vuotaa ja sen seinämät eivät ole tukevat jne jne, mutta kotelo se kuitenkin on. Suljetussa kotelossa elementin pitää liikkua nelinkertainen määrä kun taajuus puolittuu! Tuottaakseen saman äänenvoimakkuuden vaikka 40 Hz taajuudella ( mukavan kuuloista kohtuu matalaa bassoa ) kuin 3 kHz taajuudella, pitäisi tuon kaiuttimen liikkua noin 5625-kertainen matka.
Kaiutinelementin liikkuma matka on keskiäänillä ja korkeilla taajuuksilla hyvin pieni. Jos 3 kHz taajuudella kartio liikkuu 0.01 cm normaalilla kuunteluvoimakkuudella, pitäisi kartion samaan voimakkuuteen 40 Hz bassotaajuudella päästäkseen liikkua 56.25 cm. Tällaista matkaa ei mikään 6.5″ kaiuttimen kartio pystyy liikkumaan. Puhumattakaan vielä siitä että tällöin äänenvoimakkuus on vasta sama kuin keskiäänialueella. Ihmiskorvan herkkyydestä johtuen tarvitaan paljon suurempi äänenvoimakkuus että sen matalilla taajuuksilla kuulee kunnolla.
Toinen ongelma on että kartio tarvitsee tehoa liikkuakseen paljon. Useimmiten autojen alkuperäisjärjestelmissä soittimen sisäisessä vahvistimessa joka on teholtaan 10-20 W per kanava. Mitä matalampia ääniä halutaan ulos, sitä enemmän vaaditaan tehoa vahvistimelta. Koska kartion pitää liikkua enemmän. Ja sitä tehoa vaan ei ole tarpeeksi käytössä.
Bassoäänten erikoispiirre autossa, miksi autoon saa helpommin bassoa kuin kotiin !
Tämän sivun alussa puhuttiin aallonpituuksista. Niillä on merkitystä autokäytössä nimenomaan bassotaajuuksista puhuttaessa. Kun tila jossa ääntä kuunnellaan, muuttuu pienemmäksi kuin äänen aallonpituus, alkaa ääni ”vahvistaa itseään”. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä että 60 – 100 Hz taajuudesta alaspäin ( auton koko vaikuttaa tarkkaan taajuuteen ) bassot korostuvat 6-12 dB/oktaavi mitä alempiin bassoihin mennään! Tämä johtuu siitä että äänen aallonpituus ei enää ”mahdu autoon”. Kansantajuisesti sanoen näillä matalilla taajuuksilla ei enää niinkään kuunnella ääniaaltoja vaan auton sisätilassa tapahtuvaa ilmanpaineen muutosta. Voidaan sanoa että subbari toimii eräänlaisena mäntänä joka pumppaa ulos ja sisään muodostaen ali- ja ylipainetta autoon.
Se miten paljon ilmanpaine muuttuu, riippuu kahdesta asiasta: Siitä miten iso kartio liikkuu ja miten paljon se liikkuu. 15″ basson pinta-ala on 2.25 kertaa suurempi kuin 10″ basson. Kun 15″ kartio liikkuu yhden sentin, se syrjäyttää saman verran ilmaa kuin 10″ kartion 2.25 sentin liike. Tässä tullaan siihen miksi isompi kartio tuottaa ”helpommin” bassoa kuin pieni.
Hidas ja nopea basso?
Pikku kysymys niille joiden mielestä pienistä bassoista saa sitä ”nopeaa” bassoa ja isot bassot ovat ”hitaita”. Onko tuon ylläkerrotun jälkeen realistinen ajatus? Liikkuuko se 10″ basso nopeammin 2.25 senttiä kuin se 15″ basso sen yhden sentin? Jos subbarin moottorin koko on riittävä niin iso basso ei taatusti ole sen ”hitaampi” kuin pienikään. Ainakaan jos niistä on tarkoitus saada yhtä paljon ääntä ulos.
Jos englanninkieli taipuu, allaolevaa kuvaa klikkaamalla pääset avaamaan PDF-tiedostona DD Audion tekemän jutun The Speed of Bass:
Mistä sitä bassoa saadaan kuulumaan?
Jotta bassoa saadaan kuulumaan autossa kunnolla, tarvitaan kolme asiaa:
- Riittävästi liikkumaan pystyvä kaiutinelementti riittävän isolla kartiolla ( subbari )
- Riittävästi tehoa sitä subbarin kartiota liikuttamaan ( vahvistin )
- Toimiva koteloratkaisu joka ei ”hukkaa” kaiuttimen liikettä akustiseen oikosulkuun, vuotamiseen, kotelon seinien heilutteluun jne turhuuksiin vaan se mahdollistaa kaiuttimen kunnollisen toiminnan.
Koteloratkaisuna voi olla myös ns. FreeAir-ratkaisu jossa koko auto tai vain sen peräkontti on kotelona, mutta se vaatii sitten tietynlaisen elementin toimiakseen. Myös oviasennuksessa toimivia subwoofereita on nykyään olemassa. Tähän ja muihin koteloratkaisuihin perehdytään tarkemmin omassa jutussaan.
Tässä lienee perusajatukset siitä miten sitä ääntä saadaan aikaan. Seuraavassa jutussa mennään tarkemmin sen ytimeen miten subbarielementti toimii. Toisin sanoen mikä sen saa liikkumaan ja mitä osia siinä on näkyvillä ja piilossa.
Seuraavaksi kannattaa lukea Miten subbari toimii?