Mitä ääni on?

Ääni syntyy värähtelystä, joka edetäkseen tarvitsee väliaineen. Yleensä väliaineena toimii ilma, mutta ääni etenee myös esimerkiksi talojen runkorakenteita tai seiniä pitkin. Värähtely etenee ilmassa aaltoliikkeenä, jonka nopeus on huoneenlämpötilassa 344 metriä sekunnissa. Ilmanpaine muuttuu värähtelyn tahdissa.

Paineenvaihtelun laajuus on verrannollinen kuultavaan äänen voimakkuuteen. Äänenvoimakkuus ilmoitetaan desibeleinä. Desibeliasteikko on logaritminen ja äänenpaineen kaksinkertaistuessa voimakkuus desibeliasteikolla kasvaa 6 dB.

Ihmiskorva kuulee voimakkuuden muutoksien lisäksi äänen värähtelytaajuuden, joka vastaa äänenkorkeutta. Värähtelytaajuuden mittayksikkö on hertsi (Hz), se tarkoittaa värähdysten lukumäärää sekunnissa. Ihminen kykenee keskimäärin kuulemaan taajuuksia välillä 20-20 000 hertsiä. Korva ei rakenteensa johdosta kuule kuitenkaan eri taajuuksia samalla voimakkuudella, vaan se on epäherkempi matalille taajuuksille. Korkeiden taajuuksien toisto myös heikkenee yleensä iän tai mahdollisen kuulovaurion johdosta. Kuulovaurion syntyyn vaikuttaa altistuminen kovalle melulle.

1.1 Äänen taajuussuhteet

Taajuuksien välistä suhdetta käsitellään termein oktaavi ja terssi. Oktaavin suhde on 1:2 ja terssin 1:1,25. Terssiä kutsutaan toisinaan myös kolmasosaoktaaviksi. Termit kuvaavat kahta eri äänenkorkeutta, siten kuin korva sen kuulee. Taajuuksien ero 50Hz sekä 100 Hz kuulostaa samalle kuin 3000 Hz ja 6000 Hz ero.

1.2 Ääniaalto

Kuten aikaisemmin todettiin, ääni etenee ilmassa aaltomaisesti. Ääniaallon huippukohtien välistä eroa kutsutaan vaihekäyttäytymiseksi. Ääniaallon maksimi sekä minimikohdan ero yhdessä jaksossa on 180 astetta. Tällä on merkitystä kun saman taajuisia ääniaaltoja saapuu useammasta kuin yhdestä pisteestä. Jos kaksi samassa vaiheessa olevaa ääniaaltoa etenee samanaikaisesti, vaihe-ero on nolla astetta ja silloin äänenpaine kaksinkertaistuu (+6dB). Kaksi vastakkaisessa vaiheessa olevaa ääniaaltoa vaimentuvat täysin, jos ne ovat yhtä voimakkaita. Kun vaihe-ero on 90 astetta, kahden aallon summa on 3dB.

Vaihekäyttäytyminen on tärkeä osatekijä äänentoistossa. Kaksikanavajärjestelmissä kummatkin kaiuttimet ovat samanlaisia, joten niiden tuottamat ääniaallot etenevät samassa vaiheessa. Tämä sillä edellytyksellä, että kaiuttimen kytkentä vahvistimeen on samanvaiheinen sekä kaiuttimien etäisyys kuuntelijaan yhtä pitkä. Kotiteatterijärjestelmissä ongelmia tuottaa yleensä keskikaiutin, joka ei vaihetoistoltaan vastaa pääkaiuttimia.

1.3 Aallonpituus

Aallonpituus vaihtelee taajuuden mukaan. Matalilla taajuuksilla aallonpituus on suuri ja vastaavasti korkeilla taajuuksilla se on pieni. Aallonpituus on mahdollista laskea oheisen kaavan mukaan.


Aallonpituus = Äänennopeus: Taajuudella

Esimerkiksi: Aallonpituus 20 hertsin taajuudella on 344:20=17,20 metriä


Taajuus ja aallonpituus

Taajuus (Hz) 20 50 100 250 1000 10000 20000  
Aallonpituus 17,2 m 6,9 m 3,4 m 1,4 m 34 cm 3,4 cm 1,7 cm  
1/4 aallonpituus 4,3 m 1,72 m 86 cm 34,4 cm 8,6 cm 0,86 cm 0,43 cm  
1/10 aallonpituus 1,7 m 68,8 cm 34,4 cm 13,8 cm 3,4 cm 0,34 cm 0,17 cm  


Kuinka ääni käyttäytyy huoneessa?

Äänen käyttäytymiseen vaikuttaa suuresti akustiikka, joka on erilainen eri olosuhteissa. Akustiikka muodostuu seuraavista osatekijöistä.

Varhaiset heijastukset

Kun ääniaalto lähtee äänilähteestä, kuten kaiuttimista, se törmää joko seinään tai lattiaan, josta se heijastuu kuin valo peilistä. Heijastuskulma on yhtä suuri kuin tulokulma. Pinnasta heijastuneet äänet kulkevat pidemmän matkan kuin suora ääni. Matkaero saattaa olla muutamia senttejä, maksimissaan noin metri. Tälläisiä heijastumia kutsutaan varhaisiksi heijastumiksi. Äänen aaltomaisen etenemistavan sekä heijastuneiden aaltojen pidemmän matkaeron johdosta ääneen tulee vaihesiirtoa. Vaiheen minimit ja maksimit eivät välttämättä kohtaa. Jos heijastuneessa ääniaallossa on vaiheen maksimikohta, silloin kun suorassa äänessä minimikohta, aallot tasoittavat toisiaan. Ääni vaimenee. Huippukohtien osuessa kohdalleen, toisto vahvistuu.

Vaihesiirto riippuu matkaerosta sekä aallonpituudesta. Jos matkaero on aallonpituuden tai sen monikerran suuruinen, esimerkiksi kuusinkertainen, heijastus vahvistaa kaiuttimesta tulevaa suoraa ääntä. Jos taas matkaero on puolikas aallonpituudesta tai parittoman monikerran pituinen, heijastus vaimentaa ääntä. Vaihesiirrosta johtuu, että kaiuttimista lähtevä ääni muuttuu epätasaiseksi. Matalilla taajuuksilla jokainen lähellä oleva pinta lisää bassoalueen voimakkuutta kolme desibeliä. Jos kaiutin sijoitetaan nurkkaan, niin taso kasvaa 9 desibeliä. Jos kaiutin on tarkoitettu sijoitettavaksi lähelle seinää, se on otettava huomioon jo kaiuttimen suunnitteluvaiheessa. Normaalissa huoneessa heijastuvia ääniaaltoja on 75–80 %, ainoastaan pieni osa äänestä on suoraa ääntä.


Seisovat aallot

Ääniaaltojen heijastuessa huoneessa syntyy paikallaan pysyviä äänijakautumia. Näitä kutsutaan seisoviksi aalloiksi. Seisovat aallot esiintyvät taajuuksilla, joiden aallonpituus on tietyssä suhteessa huoneen kokoon. Kun jokin huoneen mitoista on aallonpituuden puolikkaan tai sen parittoman monikerran suuruinen, eri suuntiin etenevät aallot ovat tietyssä huoneen kohdassa aina samassa vaiheessa. Näin ääni vahvistuu huomattavasti. Päinvastaisessa tilanteessa ääni lähes kumoutuu. Seisovia aaltoja muodostuu erittäin tiheää korkeilla (yli 500 Hz) taajuuksilla, mutta niitä on vaikea kuulla erillisinä. Tästä syystä seisovat aallot eivät juuri haittaa keski- ja korkeilla taajuuksilla. Tilanne on kokonaan toinen matalilla taajuuksilla, joilla seisovien aaltojen tuoma korostus voi olla jopa 18 dB jollain taajuudella. On selvää, että toisto heikkenee merkittävästi tämän seurauksena.

Seisovien aaltojen voimakkuus on riippuvainen seinä- ja lattiapintojen materiaalista. Järeät betonipinnat heijastavat ääntä voimakkaammin, kuin kevyet, esimerkiksi puurakenteiset seinät. Tämän johdosta seisovien aaltojen vaikutus äänentoistoon on suurempi kerrostalossa kuin esimerkiksi puurakenteisessa omakotitalossa. Seisovat aallot huoneessa voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

344: (2 x m), jossa m on huoneen korkeus, leveys tai pituus. Esim. huoneen mitat ovat, pituus 5m, korkeus 3m ja leveys 4 m. Huoneen pituussuunnassa seisovat aallot sijaitsevat taa­juudella 34 hertsiä (344: (5 x 2)). Lisäksi samansuuntaiset heijastumat sijaitsevat taajuuksilla 68, 102, 136 jne. Korkeussuunnassa seisova aaltoja esiintyy taajuuksilla 57, 114, 171 jne. Sekä leveyssuunnassa taajuuksilla 43, 86, 129 jne. Jos olet rakentamassa uutta taloa, kannattaa oheinen kaava ottaa huomioon kuunteluhuoneen mittoja suunni­teltaessa.

Myöhäiset heijastukset

Myöhäisiä heijastuksia kutsutaan usein jälkikaiunnaksi. Ne ovat heijastuksia, jotka ovat heijastuneet useisiin eri pintoihin ennen saapumistaan perille. Jälkikaiunnan suu­ruutta ilmaistaan jälkikaiunta ajalla. Se tarkoittaa aikaa jolloin ääni on vaimentunut 60 desibeliä. Tyypillinen jälkikaiunta-aika on normaalissa huoneessa 1-2 sekuntia matalilla taajuuksilla. Yli 500 Hz:n taajuuksilla yleensä alle sekunnin. Pitkä jälkikaiunta huonontaa toistoa. Kovat samansuuntaiset pinnat huoneessa, esimerkiksi betoni­seinät, aiheuttavat tärykaikua. Läimäyttämällä käsiä yh­teen tällaisessa huoneessa, kuuluu tärykaiku nopeina peräkkäisinä vaimenevina kaikuina.