Miten bassoääni syntyy?
Miten ääni syntyy?
Ääni on korvan aistimaa värähtelyä joka tulee ilmaa pitkin. Äänella on kolme suuretta joiden ymmärtäminen auttaa käsittämään tällä sivustolla olevia asioita: Ensimmäinen on värähtelyn voimakkuus ts. äänenvoimakkuus. Toinen on värähtelyn taajuus ts. äänen korkeus tai mataluus. Kolmas on värähtelyn kestoaika. 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.
Taajuuden ymmärtämiseksi pari juttua. 20 Hz taajuus tarkoittaa sitä että värähdyksiä tapahtuu 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 340 cm eli 3,4 metriä ja 20 kHz äänen aallonpituus on 1,7 cm eli 0,017 metriä.
Oktaaviksi sanotaan taajuuden muutosta suhteessa 1:2. Toisin sanoen 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 vs. 10 0000 ).
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 se äänialue eli ne taajuudet mitä kuulemme ) on rajallinen, numeroina ilmoitettuna noin 20-20 000 Hz ( 20Hz-20 kHz ). Infraääniksi kutsutaan alle 20 Hz ääniä jotka ovat niin matalia että ihminen ei niitä kuule vaan aistii ne tuntoaistillaan värähtelyinä. Ultraäänet taas ovat yli 20 kHz ääniä joita ihmiskorva ei myöskään suoraan havaitse. 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 noin 70 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 350-kertainen matka.
Kaiutinelementin liikkuma matka on tosin keskiäänillä hyvin pieni. Mutta vaikka se olisi vain yhden kymmenesosamillin normaalilla kuunteluvoimakkuudella, pitäisi samaan voimakkuuteen bassotaajuudella päästäkseen liikkua 3,5 cm. Tällaista matkaa äärimmäisen harva 6,5″ kaiutin 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. Sitten tullaan siihen että ovi vakiokunnossaan on yleensä todella kehno kotelo. Poikkeuksia toki on, joissain autoissa varsin tomiviakin tehtaan tekemiä ratkaisuja on nähty ja tämä asia tuntuu paranevan koko ajan. Ovirakenteet muuttuvat koko ajan umpinaisemmiksi monissa autoissa.
Sitten se tehojutska joka vastoin urbaanilegendoja ei asustele siellä subbarin magneetin sisällä vaan vahvistimessa. Useimmiten autojen alkuperäisjärjestelmissä soittimen sisäisessä vahvistimessa joka on teholtaan kymmmenen watin luokkaa. Mitä matalampia ääniä halutaan ulos, sitä enemmän vaaditaan tehoa vahvistimelta. Koska kartion pitää liikkua enemmän. Ja sitä tehoa vaan ei ole tarpeeksi kun sitä on se kymmenen wattia 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 noin 100 Hz taajuudesta alaspäin ( auton koko vaikuttaa tarkkaan taajuuteen ) bassot korostuvat 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. Noin karkeasti heitettynä 15″ basson pinta-ala on kaksi kertaa suurempi kuin 10″ basson. ( ei tarkalleen, juu tiedetään, se on vähän enemmän isompi ). Kun 15″ kartio liikkuu sentin, se syrjäyttää saman verran ilmaa kuin 10″ kartion kahden sentin liike. Tässä tullaan siihen miksi isompi kartio tuottaa “helpommin” bassoa kuin pieni.
Pikku kysymys niille joiden mielestä pienistä bassoista saa sitä “nopeaa” bassoa ja isot bassot ovat “hitaita”. Onko tuon ylläkerrotun jälkeen realistinen urbaanilegenda? Liikkuuko se 10″ basso nopeammin kaksi 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. Tähän ja muihin koteloratkaisuihin perehdytään tarkemmin täällä.
Tässä lienee perusajatukset siitä miten sitä ääntä saadaan aikaan. Seuraavalla sivulla mennään tarkemmin sen ytimeen miten subbarielementti toimii. Toisin sanoen mikä sen saa liikkumaan ja mitä osia siinä on näkyvillä ja piilossa.
Pahoittelut tiedemiehille
Etukäteen pahoittelut niille eri alojen asiantuntijoille ja tutkijoille, joiden mielestä tässä artikkelissa käytetyt termit eivät ole tieteellisesti eksakteja tai jokin asia on teoriassa jonkun fysiikan lain mukaan kuvailtu hieman epätarkasti. Koittakaa kestää, tätä lajia teksti on jatkossakin. Jalat maassa ja järki päässä käytännön ehdoilla.
Seuraavaksi kannattaa lukea Miten subbari toimii?
