Nayteikkuna

Äänimittauksissa juostaan kohinaa karkuun

Kaksikanavaisella äänimittausjärjestelmällä voidaan mitata suoraan sähköistä signaalia tai mikrofonin välityksellä kaiutinta.

Kun haluat tutkia vaikkapa ekvalisaattorin todellista toimintaa, kytke pelkästään tämä laite mittajärjestelmääsi ja ihmettele asetusten ja toteutuneen todellisuuden suhdetta. Joskus tekee esimerkiksi monitorimiksaajalle hyvää tarkistaa ajan saatossa asettuneet graafisen ekvalisaattorin asetukset. Aika usein tulos saattaa osoittaa, että lopputulos on laskenut lähetettävän signaalin tasoa merkittävästi ja varsinaista ekvalisointia on tapahtunut kovin vähän. Tietysti näin saadaan se kierto myös poistettua, mutta oltaisiinko päästy samaan tai ainakin lähes samaan lopputulokseen laskemalla yksinkertaisesti vain lähetettävän signaalin tasoa?

Kohinaa mittauksille aiheuttavat mitattava äänijärjestelmä, mittauslaitteisto ja kaiutinmittauksissa lisäksi ympäristön äänet. Sähköisissä mittauksissa signaali-kohinasuhde ei useinkaan muodosta ongelmaa. Lisätään vain lähetettävän signaalin taso riittäväksi, jotta päästään riittävän kauas pohjakohinoista. Metodi on siis aivan sama kuin vaikka äänitettäessä linjasignaalia. Vastaan tulee aikanaan yliohjautumisen aiheuttama särö, jos joku laite ei kykene enää käsittelemään liian voimakasta signaalia. Tällaisissa tapauksissa särö vääristää aina mittauksen lopputulosta.
Itse pidän sähköisissä mittauksissa riittävänä signaalitasona -20 desibelin tasoa (dBFS). FS tulee sanoista full scale ja tarkoittaa siis mittajärjestelmän täyttä signaalitasoa, jonka mittauksessa käytetty laite kykenee käsittelemään. Tämä 20 desibeliä riittää pelivaraksi useimmille signaaleille säröytymisen estämiseksi. Ja samalla ollaan riittävän kaukana mittalaitteen ja mitattavan laitteen pohjakohinoista.
Esimerkiksi mittaohjelmani Easera SysTunen generoimassa pink noise -mittasignaalissa RMS- ja peak-tasojen suhde on 12 desibeliä. Jäljelle tässä tapauksessa jää vielä 8 desibelin pelivara, headroom.

Salissa kohisee

Kaiutinmittauksissa on edellä esitettyjen lisäksi haasteena ympäristön melu, johon tulee suhtautua kuin kohinaan. Uudiskohteet ovat usein tällaisia. Esimerkiksi aikanaan Kansallisteatterin pääsalia virittäessäni työmaalla oli täysi tohina käynnissä, eikä minulla ollut mitään mahdollisuuksia saada suoritettua mittauksia siellä muiden työskennellessä. Ja isoilla työmailla pitkäaikaiset mittasignaalit voivat olla jopa työsuojelullinen riski. Ensinnäkin olisin joutunut soittamaan mittasignaalia todella lujaa. Olisin mittasignaalillani aiheuttanut työmaalle hetkiä, jolloin kommunikointi ei olisi ollut mahdollista ja jo näin joku kriittinen asia olisi voinut jäädä viestittämättä. Samoin signaalitaso olisi ylittänyt työsuojelulliset normit selvästi. Erikoisjärjestelyin sain suorittaa mittaukset myöhään iltaisin. Koko yötä en saanut työskennellä siellä, vaan suoritin mittaukset ja säädön useana eri iltana pienissä pätkissä.
Telakoilla on lähes mahdoton saada aikaan hetkiä, jolloin virityksen kohteena olevassa tilassa ei työskentelisi ketään muita. Esimerkiksi kolmen rälläkän kanssa en lähtenyt kilpasille. Silloin tarvitaan diplomatiaa ja uuvuttavia neuvotteluja. Rakensin mittasignaalin niin, että ohjelma antoi kaksi viiden sekunnin sweep-signaalia ennen varsinaisia mittasignaaleja. Rälläkät pysähtyivät tämän aikana ja sain asialliset mittaukset suoritettua. Ja taas välittömästi signaalin loputtua työkoneet käynnistyivät. Homma toistettiin kymmeniä kertoja.
Sama tulee vastaan myös vaikkapa festareilla. Meluisimpia hetkiä pitää välttää. Esimerkiksi viereisen lavan kanssa kannattaa sopia mittausajankohdista. Ja Merimaan hakekuorman kannattaa antaa asettua paikoilleen. Silti täydellistä hiljaisuutta ei vain tällaisessa ympäristössä tule.
Signaalin ja kohinan suhde
Mikä sitten on riittävä signaali-kohinasuhde kaiutinmittaukselle? Yksi hyvä tapa on tarkkailla koherenssiarvoa (coherence). Koherenssi kuvaa tuloksen luotettavuutta prosentteina ja kertoo meille, kuinka luotettavaa saamamme tieto on. Huonot mittausolosuhteet vaikuttavat laskevasti tähän lukuun. Nolla on kelvotonta ja sata on luotettavaa.
Mikä sitten on kelvollinen lukema, on aina tulkinnallista. Esimerkiksi SysTunen ja Smaartin ilmoittamat koherenssiarvot poikkeavat toisistaan. Kun mittaa muutaman vuoden, pystyy tulkitsemaan koherenssista esimerkiksi lattiaheijastuksen, jakopisteen elementtien välillä, liian kaikuisan ympäristön ja tässä puheena olevan signaali-kohinasuhteen sekä osaa jättää nämä tulokset pois lopullisesta tulkinnasta.
Useissa mittaohjelmissa pystytään säätämään koherenssin arvolle kynnystaso, jonka avulla varsinainen mittaustulos jättää piirtämättä tai piirtää himmeällä asetetun kynnystason (treshold) alapuolelle jäävät arvot. Kun nostat mittauksessasi signaalitasoa ja koherenssi paranee, niin silloin signaalitasoa kuuluu nostaa. Kun et huomaa koherenssin enää paranevan, olet saavuttanut riittävän tason.
Bob McCarthy antaa hyvän ohjeen kirjassaan Sound Systems: Design and Optimization. Mittauksen signaalitason tulee olla vähintään 20 desibeliä korkeampi kuin pohjakohinan. Tietysti tämä 20 desibelin arvo pitää saavuttaa myös siinä kauimmaisessa mittauksessa. Meidän tulee siis ensin pyrkiä eliminoimaan ympäristömelu minimiin, valita mittaushetki huolella ja sen jälkeen suorittaa mittaus riittävällä voimakkuudella järjestelmän minkään yksittäisenkään laitteen kuitenkaan säröytymättä.
Easera SysTune tarjoaa vielä yhden apukeinon lisää. Ohjelma pyrkii erityisen SSA-filtterin yhden toiminnon avulla sulkemaan pois jotakin määriteltyä tasoa alemmat signaalit mittaustuloksesta. SysTune-kouluttajanakin toimiva Doug Fowler kehottaa asettamaan tämän arvon 6–12 desibeliä pohjatason yläpuolelle.

Varsinaiseen mittajärjestelmään kaiutinmittauksissa kuuluvat mikrofoni ja mikrofonietuaste vaikuttavat tietysti myös signaali-kohinasuhteeseen. Mikrofonia valittaessa vaakakupissa ovat aina sen herkkyys ja sen kestämä maksimiäänenpaine. Mikrofonikapseli vaikuttaa tietysti tähän yhtälöön. Kun valmistaja on päätynyt johonkin kapseliin, niin seuraavana punnittavana asiana on tälle pallokuvioiselle kondensaattorimikrofonille tehtävä vahvistus mikrofonin sisäisellä etuasteella. Kun vahvistusta nostetaan määrätyn kynnyksen yli, samalla toisessa päässä annetaan maksimiäänenpaineelle periksi. Sinun käyttämässäsi mikrofonietuasteessa taas tulee usein kohina vastaan todella isoilla vahvistuksilla. Ja koska signaali muutetaan tässä etuasteessa digitaaliseksi on bittien määrällä myös vaikutusta pohjakohinaan. Pitää siis valita mikrofoni huolella ja välttää etuasteen sudenkuopat.

Rahalla saa ostettua myös signaali-kohinasuhdetta. Olen hankkinut itselleni esimerkiksi DPA 4090 -mikrofonin herkkyyden vuoksi, mutta silti se kestää riittävästi äänenpainetta. Tämän mikrofonin ainoa huono ominaisuus on sen hinta. Monikanavaisen mittajärjestelmäni mikrofoneina toimivat Beyer Dynamic MM1 -mikrofonit. Ne palvelevat siinä mainiosti. Ja hintakaan ei ole aivan mahdoton.

Varsinaisessa mittauksessa voimme vielä vaikuttaa signaali-kohinasuhteeseen. Mitä pidempi mittaus on kestoltaan, sitä kauemmaksi kohinoista päästään. FFT:n (Fast Fourier Transform) koko määrää mittauksen keston. Samalla FFT yhdessä näytetaajuuden kanssa määrittää mittauksemme resoluution. Siis sen, kuinka paljon meillä on mittapisteitä tutkittaessa signaalia. Tämä FFT:n koko määrittää myös SysTunessa tallennettavan tiedoston koon. Käytän usein kaiutinmittauksissa FFT:n kokona arvoja 1,37 s, 65 536, 0,73 Hz. Mittaus kestää 1,37 sekuntia, mittapisteitä on 65 536 kappaletta ja taajuusresoluutio on 0,73 hertsiä. FFT:n koko on suorittamissani mittauksissa ollut riittävä, paitsi jos RT (reverberation time, jälkikaiunta-aika) on pidempi kuin asettamani 1,37 sekuntia. Joudun siis tämän vuoksi kasvattamaan tätä arvoa, kun haluan saada jälkikaiunta-ajan selville tiloissa, joissa se on pidempi. Mittausten kestoa voidaan kasvattaa laskemalla useamman mittauksen keskiarvoa (averages).
Nyrkkisääntönä mittausajan kaksinkertaistaminen parantaa signaali-kohinasuhdetta kolme desibeliä. Jos käytän kaiutinmittauksissani average-arvoa 4, pääsen kohinoita karkuun kuusi desibeliä lisää ja mittaukselle kertyy aikaa lähes 5,5 sekuntia.
Tästä kasapanoksesta jäi käteen taas pari ihan oman juttunsa ansaitsevaa aihetta. Niihin palataan aikanaan, ehkä tai varmasti.

Erityiskiitokset avusta Kalle Koivuniemelle ja Kalle Mäkiselle.


Oheinen teksti on julkaistu alunperin Reima Saarisen vakiopalstalla Riffi-lehden painetussa numerossa 1/2010.
Vaikuttiko juttu kiinnostavalta? Samaa aihepiiriä käsitteleviä artikkeleita sekä Reiman tuoreet evästykset löydät painetusta Riffi-lehdestä.
Riffiä myyvät Lehtipisteet, kirjakaupat ja hyvin varustetut soitinliikkeet kautta maan. Lehteä sekä irtonumeroita voi tilata myös suoraan kustantajalta näillä sivuilla olevan Riffi-kaupan kautta.
Lehden digitaalinen versio vuosikerrasta 2011 alkaen on ostettavissa myös Lehtiluukkupalvelusta

16.12.2013
|
Reima Saarinen
Tekninen toteutus: Sitebuilders Finland Oy