Ortoperspekta – unohtunutta äänentoistoa

Teknologia tuottaa valtavia kulttuurin murroksia, ja samalla kulttuuri suuntaa teknologiaa tuottamalla sen kehitykselle rahoituspohjaa. Elektroniikka on ehkä lämpövoimakoneiden jälkeen eniten kulttuuria ja yhteiskuntaa muovannut voima. Taito tallentaa ääntä synnytti niin sanotun kevyen musiikin ja äänilevyteollisuuden. Kun levysoittimet muuttuivat sähköisiksi, alettiin etsiä uusia, kuluttajia houkuttelevia tuotteita. Stereoäänityksen uskottiin tuottavan merkittävän parannuksen äänityksiin. Koska ihmisellä on kaksi korvaa, äänityksetkin pitäisi tehdä kahdella mikrofonilla ja toistaa kahdella kaiuttimella. Stereoäänilevyt kehitettiin 1950-luvun lopulla, ja stereofoniasta tuli äänen tallennuksen ja toiston standardi myös nauhasoittimissa, radiossa, televisiossa ja elokuvissa.

Stereo vaatii tavanomaiseen äänitykseen verrattuna kaksinkertaisen määrän informaatiota. Äänilevyssä tekninen ratkaisu on nerokas: vasen ja oikea kanava kaiverretaan levyn samaan uraan 45 asteen kulmassa levyn pintaan nähden. Levyn ura ei siitä levene, joten levylle mahtuu sama määrä musiikkia kuin ennenkin. Ja mikä parasta, levyä voidaan soittaa myös monosoittimella. Nauhoituksessa tämä ei onnistu, vaan kumpikin kanava nauhoitetaan nauhalle rinnakkain. Käytännössä monoääniraita jaettiin kahteen osaan, siis raita ja äänipäät tehtiin puolta kapeammiksi, mikä heikentää laatua. Vielä 1960-luvulla kaupoissa myytiin sekä että stereofonisia että tavallisia eli monofonsia äänilevyjä, mutta pian monolevyjen valmistus lopetettiin.

Äänentoistolaitteista tuli 1960-luvulla tavattoman suosittuja. Ihmiset hankkivat koteihinsa laadukkaita stereolaitteistoja. Korkealaatuinen ja mahdollisimman luonnonmukainen musiikin kuuntelu kotona oli kiehtova elämys. Suuressa maailmassa syntyi käsite high fidelity eli HIFI. Käsitteellä ei ole suomenkielistä nimeä, se voisi olla ”uskollinen äänentoisto”. Koska elektroniikka oli tuolloin kallista, stereolaitteiden rakentamisesta tuli myös monelle harrastus, joka saattoi johtaa jopa ammattiin. Ehkäpä radioamatöörit ja äänentoiston harrastajat pohjustivat suomalaisen elektroniikkateollisuuden hämmästyttävää kukoistusta mutamaa vuosikymmentä myöhemmin.

Alkuvuosien stereoäänityksissä korostettiin eri soittimien erottelua eri kanaville. Käytännössä se oli kuitenkin pikemminkin outoa kuin miellyttävää. Vähitellen siirryttiin kohti luonnollisempaa äänitystapaa. Stereofonian tehtäväksi tuli pikemminkin tuottaa musiikin kuunteluun tilavaikutelmaa, joka syntyy lähinnä äänen epäsuorista heijastuksista. Useimmissa käytännön stereoäänityksissä molemmissa kanavissa onkin enimmäkseen samaa informaatiota.

Stereon historiaan liittyy toinenkin väärinkäsitys. Kahdella kaiuttimella on mahdotonta luoda kuuntelutilaan äänitystilannetta vastaava äänentoisto – se onnistuu oikeastaan vain kuuntelemalla kuulokkeilla keinopäämikrofonilla tehtyä äänitystä. Useimmat ihmiset kokevat kuitenkin stereona toistetun musiikin miellyttävänä. Luultavasti siksi, että tilavaikutelmaa tuottavat heijastukset kuuluvat laajemmalta alueelta.

Nykyaikaisissa stereoäänityksissä molemmilla kanavilla on siis pääosin samaa informaatiota. Tekniikassa tämä seikka huomioidaan stereoradiossa ja televisiossa.. Musiikista siirretään korkealaatuisella siirtotiellä stereokanavien summaääni eli monokanava. Tilavaikutelmaa luova ääni erotetaan stereokanavilta vähentämällä kanavat toisistaan, ja koska sen informaatiosisältö on useimmissa äänityksissä pieni, sen siirto vie vain vähän arvokasta tiedonsiirtokapasiteetia.

Suomalainen elektroniikan itseoppinut pioneeri Tapio Köykkä ymmärsi nämä heikkoudet: on mahdotonta luoda soittimia erottelevaa kuunteluvaikutelmaa, joten ei edes yritetä, vaan keskitytään tilavaikutelmaan. Ja koska laajan toistoalueen kaiutin on kallis ja suurikokoinen, voidaan tulla toimeen yhdellä kaiuttimella. Tilavaikutelman luovissa heijastuksissa ei esiinny bassokomponenttia, vaan heijastukset ovat pääosin korkeataajuisia, joten ne voidaan toistaa pienellä ja halvalla kaiuttimella. Myös ihmisen fysiologia tukee Köykän havaintoa. Tilan ja suunnan aistiminen perustuu pääosin korkeataajuisiin ääniin ja niin sanottuihin transientteihin. Toki bassoäänen suunnan voi myös aistia, silloin se johtuu bassosoittimen tuottamista perusääntä korkeammista ylä-äänistä.

Tapio Köykkä kehitti tältä pohjalta ortoperspekta- äänentoistojärjestelmän. Siinä stereokanavat summataan ja muodostuva monoääni toistetaan yhdellä korkealuokkaisilla kaiuttimella. Suuntaa antava tilaääni muodostetaan vähentämällä stereokanavien signaalit toisistaan. Tämä erotusääni voidaan toistaa kahdella halvalla ja pienellä kaiuttimella, ne suositellaan sijoitettavaksi kuunteluhuoneen sivuille. Ortoperspekta- laitteita valmisti kaupallisesti vain kaksi valmistajaa, Köykän yhtiö Voimaradio Oy ja Salora. Kansainvälistä menestystä ei tullut, suuret elektroniikkajätit eivät siitä innostuneet. Mutta lukemattomat elektroniikkaharrastajat rakensivat itselleen tällaisia laitteita. Yleensä he olivat lopputulokseen hyvin tyytyväisiä. Lisäksi ortoperspektan kaiuttimien sijoittelu kuunteluhuoneeseen on varsin vapaata. Itsekin rakensin tällaisen vahvistimen ja käytin sitä vuosikymmeniä.

Miltä ortoperspekta sitten kuulostaa? Sellainen järjestelmä on oikeastaan varsin helppoa rakentaa tavallisen stereovahvistimen avulla. Olen liittänyt oheen kaavion siitä, miten se tehdään.

Monoääntä ei voi muodostaa kytkemällä stereokanavat suoraan yhteen, sellainen kytkentä saattaa jopa polttaa vahvistimen. Sen sijaan monokaiutin M voidaan toteuttaa summaamalla signaalit akustisesti. Jos harrastaa kaiuttimien rakentamista, koteloon sijoitetaan kaksi samanlaista laajan toistoalueen kaiutinelementtiä tai elementtien ryhmää, joista kumpikin kytketään omaan stereokanavaansa. Jos ei halua rakentaa erillistä kaiutinta, M-ääni syntyy myös, kun sijoitetaan kaksi erillistä kaiutinta vierekkäin mahdollisimman lähelle toisiaan ja osoittamaan samaan suuntaan.

On tärkeää, että vaiheet kytketään oikein. Silloin kaiuttimen ääni kuulostaa normaalilta ja täyteläiseltä. Jos vaiheet on ristissä, ääni muuttuu oudoksi. Bassot ja keskiäänet sammuttavat toisensa, jolloin toistettu ääni on diskanttivoittoista ja kummallisen sähisevää.

Periaatteessa monoääni M voidaan toteuttaa myös yhdellä kaiuttimella, joka kytketään kumpaankin stereokanavaan vastuksen kautta. Sen suuruus voisi olla puolet kaiuttimen nimellisimpedanssista, ja tehonkesto ja jäähdytys riittävä. Haittana on signaalin vaimeneminen.

Erotusääni muodostetaan kytkemällä kaiuttimet O kuvassa näytetyllä tavalla vahistimen kanavien niin sanottuun plusnapaan. Tämä kytkentä toimii, jos vahvistimen kanavat eivät ole niin sanotusti kelluvia. Yleensä eivät ole. Oikein kytketyistä kaiuttimista kuuluu tämä niin sanottu erotusääni, joka useimmiten kuulostaa kaikuvalta ja hieman epämääräiseltä. Jos kuunneltava musiikki on monofonista, se kuluu hyvin heikkona, koska stereokanavat eivät ole täysin samanlaisia. Jos kaiuttimet kytketään vahingossa miinusnapojen väliin, ei niistä kuulu mitään. Jos toinen johto kytketään plus- ja toinen miinusnapaan, kaiuttimista kuuluu hyvin voimakkaana monoääni.

Kuvassa sivukaiuttimet O on kytketty yksinkertaisuuden vuoksi sarjaan, se ei haittaa, koska erotusääni saakin kuulua heikommin. Kaiutinten keskinäisellä vaiheistuksella ei ole väliä, koska ne kannattaa sijoittaa ainakin muutamien metrien etäisyydelle toisistaan, silloin korkeat äänet eivät sammuta toisiaan. Jos halutaan säätää tilavaikutelman syvyyttä, mukaan kannattaa lisätä säätövastus tai potentiometri, sen tehonkeston tulee olla riittävä. Mukaan voi lisätä myös ylipäästösuodattimena kondensaattorin C, jos ei halua ohjata matalia ääniä sivukaiuttimin. Sopiva arvo voisi olla 20 - 100 mikrofaradin luokkaa. Yleensä matalia ääniä ei erotussignaalissa juuri olekaan, mutta kytkennässä on mielenkiintoinen piirre. Sivukaiuttimiin voi halutessaan syöttää myös hieman monoääntä, se voi kuulostaa miellyttävältä. Se tapahtuu stereoiden balanssisäätimen avulla.

Jos tuntuu kiinnostavalta, hauskaa kokeilua!

Todellinen äänentoisto

Mistähän johtuu, että musiikkiin liittyy niin paljon tunnepohjaisia ja jopa fanaattisia mielipiteitä usein näennäisesti vähäpätöisistä asioista. En tarkoita pelkästään tiettyjen musiikin lajityyppien puolustamista "ainoana todellisena musiikkina" (sana "genre" on tähän vakiintunut mutta en tiedä kirjoitetaanko se genrejen vai genrien). Se ilmenee myös kiintymyksenä soittimiin. Joillekin Fender Stratocaster on ainoa kitara, ja Selmer Mark VI ainoa oikea saksofoni. Muusikkojen sponsorit tai orkesterit maksavat hurjia summia 1600-luvulla tehdyistä merkkiviuluista, joita soitinpuusepät yrittävät pitää edelleen hengissä - vaikka moderni viulu voisi olla vähintään yhtä helposti soitettava ja kauniisti soiva. Tai näin ainakin monet asiantuntijat väittävät.

Sama asia koskee äänentoistoa, eli äänityksiä ja niiden toistovälineitä. Englantilainen kirjailija Nick Honby on kirjoittanut kirjan "Uskollinen äänentoisto". Vaikka kirjassa ei ole kysymys suorastaan hifistelystä, Hornby tutkii tässä ja muissa kirjoissaan fanituksen olemusta. Fanitus on eräänlainen sielun särö, joka kertoo meistä aika paljon. Hornbyn muita esimerkkejä fanituksen kohteista ovat jalkapallojoukkueet ja rock-tähdet.

Itsekin jouduin ainakin keskivahvan hifiharrastuksen pauloihin, ja luulen, että kokemukseni ovat valaisevia. Nuorena opiskelijana rakensin itselleni stereolaitteet kovaäänisineen. Syynä oli, paitsi rakkaus musiikkiin, myös rahapula: 1970- luvun alussa hyvät äänentoistolaitteet oli kalliita. Lisäksi tulee se ehkä minulle itselleni tärkein asia: halusin ratkaista hyvän äänentoiston arvoituksen. Niinpä tein asiasta tutkimuksia, ja lopuksi suunnittelin ja rakensin laitteistoni itse. Sisällytin sen elektroniikkaan joitakin uusia teknisiä ideoita, joita kaupan laitteissa ollut, ja lainasin työpaikkani mittalaitteita todentaakseni että laitteet tosiaan toimivat teknisesti niin kuin pitää. Ja toimivathan ne kuunneltunakin. Ne palvelivat minua hyvin kolmisenkymmentä vuotta, kunnes vahvistin hajosi. (Vanhempana ja viisaampana en lähtenyt enää suunnittelemaan uutta vahvistinta, vaan korvasin sen kaupallisella, jota, se tunnustettakoon, modifioin hieman).

Ja nyt seuraa muutama "totuus" hyvästä äänentoistosta. Kun sähköinen äänentoisto alkoi kehittyä 1920- luvulta alkaen, eräässä vaiheessa syntyi ajatus äänittää musiikkia kahdella mikrofonilla ja toistaa se kahdella kaiuttimella. Ajatus on varsin luonnollinen, onhan ihmiselläkin kaksi korvaa. Mutta tosiasiassa se on laiskaa ajattelua, sillä alkuperäistä äänikenttää ei voi mitenkään rekonstruoida kahdella kaiuttimella. Tilanne on jopa huonompi kuin yhdellä kaiuttimella toistettaessa, sillä kuuntelutilassa kahden kaiuttimen systeemi synnyttää ääntä vääristäviä interferenssi-ilmiöitä. Mutta tämä ei ole koko totuus. Tosiasiassa kahden kovaäänisen stereo kuitenkin kuulostaa luonnollisemmalta ja ennen kaikkea ilmavammalta kuin niin sanottu mono. Syynä on se, että musiikin tilavaikutelma syntyy äänen heijastumisista, ja ne toistuvat paremmin kahdella kaiuttimella.

Tämän kaiken sain selville suunnitellessani omaa laitteistoani, enkä minäkään pystynyt ratkaisemaan täydellisen äänentoiston arvoitusta. Luonnonmukaisen äänikentän synnyttäminen 2-4 kaiuttimella olisi vaatinut mutkikasta prosessointia, se olisi ollut 1970-luvun tekniikalle lähes mahdotonta, ja se oli minulle myös matemaattisesti liian vaikeaa. Joten päädyin suomalaisen itseoppineen elektroniikkaneron Tapio Köykän keksimään ortoperspekta- järjestelmään. Siinä kummallekin kanavalle yhteinen ääni toistetaan yhdellä kaiuttimella, jolloin ei synny edellä mainitsemaani haitallista interferenssiä. Tilavaikutelman synnyttävät heijastusäänet otetaan erilleen ja soitetaan kahdella yksinkertaisella kaiuttimella. Ja koska rakensin oman laitteistoni tällä perusteella, voin todella sanoa että Köykän keksintö on käytännössä erinomainen.

Nyt pitäisi alkaa tehdä johtopäätöksiä. Ensimmäinen on, että laiska ajattelu johtaa usein harhaan. Se laiska ajatus että musiikkia pitää kuunnella kahdella kaiuttimella koska ihmisellä on kaksi korvaa, on väärä. Tavallisessa stereossa äänilähteiden paikan erottaminen ei juuri onnistu, ellei ne ole vahvasti erottuvia (ns. ping-pong sterero). Se onnistuu paremmin keinopää-äänityksissä, jos niitä kuuntelee kuulokkeilla. Ja elokuvia varten on kehitetty monikanavaisia äänentoistojärjestelmiä. Vaikka Tapio Köykän järjestelmä oli hyvä, se ei yleistynyt. Sekin on luonnollista, sillä innovaatioiden leviämiseen vaikuttavat enimmäkseen muut seikat kuin tekninen laatu.

Mutta vielä mielenkiintoisempaa seuraa. Aivotutkimuksessa suurimmat edistysaskeleet on syntyneet tutkimalla erilaisten vammojen seurauksia, ja minulla on hieman samanlainen kokemus. Sairastuin korvasairauteen, joka vei oikeasta korvastani kuulon kokonaan. Kun vähitellen toivuin tästä äkkiä ottaen aika masentavasta tapahtumasta, huomasin että musiikin kuuntelu on aivan yhtä nautinnollista kuin ennenkin. Ja huomasin jotain hyvin outoa. Suuntakuuloni toimii edelleen. Kuulen aivan täsmälleen, onko puhuja vasemmalla tai oikealla tai vaikka takana, jos olen hetki sitten nähnyt puhujan. Tai konsertissa saatan kuulla miltä suunnalta soittimen ääni kuuluu. Mutta jos kännykkäni hukkuu ja soitan siihen löytääkseni sen, suuntakuuloni onkin täysin kateissa. Kuulen pirinän, mutta minulla ei ole aavistustakaan, mistä suunnasta etsiä. Johtopäätös on, että aivot luovat luonnollisen tuntuisen kolmiulotteisen äänikentän käyttäen erilaisia pieniä vihjeitä, ja ilmeisesti myös näköaistia. Samasta syystä kokenut orkesterinjohtaja tai konserttivieras saattaa hyvinkin tunnistaa orkesterisoitinten sijainteja kuunnellessaan tavallista stereota. Hänen harjaantuneille aivoilleen riittävät hyvinkin pienet vihjeet.

Hifistelyn asiaperusteet ovat siis aika pahasti hukassa.

Tästä päästään alussa esittämääni kysymykseen. Miksi sellaiset asiat kuin musiikki, äänentoisto tai vaikka kirjallisuus synnyttävät meissä niin voimakkaita tunteita ja väärin-oikein- tulkintoja. Koska niissä pitämiseen ei tarvita selkeitä ja loogisia perusteita. Laiska ajattelu riittää, ja sopeutuvat aivomme rakentavat meille vähitellen sen illuusion, että laiska ajattelun oli oikeassa. Tämä pätee myös tieteessä. Laiska ajattelu synnyttää jopa tieteenaloja, ja vasta vähitellen ja tiedeyhteisön karttuessa laiskan ajattelun virheet paljastuvat.