Äänentoisto

Nykyaikainen HiFi-vahvistin, jossa on myös radiovastaanotin ja DA-muunnin

Nelitiekaiutin bassorefleksiputkella ja timanttikalvoisella diskanttielementillä.

Langattomat kuulokkeet integroidulla DA-muuntimella

Äänentoisto on reaaliaikaista äänen vahvistamista ja muokkaamista, tai aiemmin tallennetun äänen, esimerkiksi tallennettujen musiikkiesitysten, toistamista.

Toistettava ääni voi olla puhetta, musiikkia tai mitä tahansa ääntä, joka halutaan kuulumaan äänentoistolaitteista. Äänentoiston alkuaikoina tallennettua ääntä toistettiin mekaanisilla laitteilla, kuten gramofonilla, mutta nykyisin äänentoistojärjestelmät ovat lähes yksinomaan sähköisiä.

Kun toistettava ääni on sähköisessä muodossa (siis esimerkiksi laulajan ääni on muutettu mikrofonilla ja mikrofonivahvistimella sähköiseksi signaaliksi), se voidaan tallentaa ja toistaa erilaisilla tallennus- ja toistolaitteilla (esim. kasettinauhuri) tai siirtää kaapeleiden tai radiosignaalin välityksellä haluttuun toistopaikkaan (esim. PA-järjestelmä).

Sähköisissä äänentoistojärjestelmissä tarvitaan siis signaalilähde, joka voi olla esimerkiksi CD-soitin, radiovastaanotin, tietokoneen äänikortti, mikrofoni tai sähköinen instrumentti, kuten elektroninen kosketinsoitin. Jos halutaan yhdistää useammasta eri signaalilähteestä tulevaa äänisignaalia, kuten orkesterin eri soittimia, käytetään mikseriä, joka yhdistää eri signaalilähteistä tulevat signaalit yhdeksi signaaliksi. Signaalilähteeltä tai mikseriltä tulevaa, heikkotehoista äänisignaalia vahvistetaan voimakkaammaksi vahvistimilla, ja vahvistettu signaali saadaan kuuluviin kaiuttimista tai kuulokkeista.

Nykyään sähköinen äänisignaali muutetaan sangen tyypillisesti digitaaliseksi signaaliksi tallennusta tai siirtoa varten parhaan laadun ja häiriöttömyyden takaamiseksi. Tällöin esimerkiksi mikrofonilta saatu analoginen äänisignaali muutetaan digitaaliseen muotoon niin sanotulla AD-muuntimella. Nykyaikaiset musiikin tallennuslaitteet ovat lähes yksinomaan digitaalisia (esimerkiksi MP3-soitin), ja radioteitse tapahtuva signaalin siirto on sangen usein digitaalisessa muodossa. Digitaalinen signaali pitää aina muuttaa takaisin analogiseksi niin sanotussa DA-muuntimessa ennen kuin se voidaan syöttää vahvistimelle, joka vahvistaa signaalin kaiuttimiin.

Toistettava ääni voi olla joko yksikanavaista (mono) tai monikanavaista (esim. stereo). Yksikanavaisessa äänentoistossa kaikki toistettava ääni välitetään yhtenä äänisignaalina.

Monikanavainen äänentoisto ja tilavaikutelma

Monikanavaisessa äänisignaalissa luodaan äänentoistojärjestelmällä moniulotteinen äänimaailma, eli esimerkiksi orkesterin eri soitinten äänet kuuluvat eri voimakkuuksilla eri kaiuttimista, jolloin syntyy äänikuva, jossa soittajat sijaitsevat ennemminkin kuulijan ympärillä, kuin edessä.

Tällainen moniulotteinen ääni voidaan luoda reaaliaikaisesti ääntä toistettaessa mikserillä, mutta kun kysymys on tallennetusta äänestä, tilavaikutelmat rakennetaan tyypillisesti audiotyöasemilla (DAW) siinä vaiheessa, kun äänitallennetta tehdään.

Perinteisin monikanavainen äänentoistojärjestelmä on stereojärjestelmä, jossa on kaksi eri kanavaa ja sen myötä vähintään kaksi eri kaiutinta, jotka on sijoitettu sopivan etäisyyden päähän toisistaan. Äänentoistojärjestelmien kanavien yläraja on Dolby Atmoksessa 128 kanavaa. Etenkin elokuvien äänissä käytetään usein 5–7 kanavaa (monikanavaääni), jolloin elokuvan tapahtumien äänimaailma saadaan levitettyä ympäri elokuvasalia, pyrkimyksenä vaikutelma, että katsoja on elokuvan tapahtumien ympäröimä. Musiikki on tyypillisesti tallennettu stereofonisena eli kaksikanavaisena, mutta yhä enenevissä määrin levyt miksataan myös Dolby Atmos -versioiksi. Atmos-järjestelmien ero perinteiseen monikanavaiseen järjestelmään on se, että niissä vaaditaan vähintään kaksi korkealle sijoitettua kaiutinta (eli pienin kokoonpano voi silloin olla 2.0.2 järjestelmä).

Nykyaikaisissa äänentoistojärjestelmissä voidaan digitaalisen prosessoinnin avulla luoda myös keinotekoisia tilavaikutelmia, joista tyypillisimpiä ovat reaaliaikaisessa äänentoistossa usein käytettävät kaiku ja kaje, joilla aikaansaadaan "täyteläisyyttä" ääneen lisäämällä siihen keinotekoisia kaikuelementtejä. Tallennetusta stereofonisesta musiikista voidaan myös luoda digitaalisen prosessoinnin avulla useampikanavaista nykyaikaisissa AV-vahvistimissa; tässä kaksikanavaisesta äänitallenteesta luodaan esimerkiksi äänentoistojärjestelmän takakaiuttimille keinotekoisesti signaalia, joka aikaansaa laajemman tilavaikutelman kuin tallennettu stereoääni. Keinotekoista akustiikkaa pääsee kokemaan esimerkiksi G Livelabissa ja immersiivistä audiota moderneissa teattereissa.

Häiriösuojaus

Pääartikkeli: Sähkömagneettinen yhteensopivuus

Digitaaliset signaalin käsittelylaitteet ovat herkkiä vastaanottamaan sekä lähettämään häiriöitä radiotaajuuksilla. Äänentoistolaitteissa häiriö tarkoittaa sitä, että siirrettävään signaaliin kytkeytyy halutun in-formaatin lisäksi ei toivottu signaali, tällöin siirrettävä informaatio muuttuu, tai siitä menetetään osa. Häiriöt voidaan havaita myös esimerkiksi kohinana ja surinana.

Häiriön kytkeytyminen

• Häiriölähde/lähetin
  • Häiriölähteenä toimii yleensä esimerkiksi laite itse, sähköverkko, muut laitteet ja sähköjohdot.
  • Tyypillisimpiä häiriölähteitä ovat käytettävän verkkojännitteen kautta piiriin kulkeutuvat häiriöt. Näitä voivat aiheuttaa erilaiset hakkuriteholähteet, suuritehoiset moottorit tai tehoelektroniikan aiheuttamat kytkentäpiikit.
• Häiriön siirtotie
  • Siirtotienä voi toimia esimerkiksi laitteen kuori, verkkojohdot ja laitteiden välikaapelit.
• Häiriön vastaanottaja
  • Laite, jossa häiriö ilmenee; esimerkiksi kohinana, sammumisina tai hajoamisina.

Häiriöiden vähentäminen ja poistaminen

Häiriöiden vähentämiseksi tai poistamiseksi tulee selvittää häiriön kytkeytymismekanismi.

Häiriöiden vähentämiseksi tai poistamiseksi tulee ensin selvittää häiriöitä aiheuttava häiriölähde, jonka jälkeen voidaan selvittää häiriön kytkeytymismekanismi.

Galvaaninen kytkeytyminen

Häiriösignaali kytkeytyy galvaanisesti, kun häiriölähteen ja häiriönvastaanottajan välillä on fyysinen yhteys. Äänentoistolaitteisiin yleisimmin häiriötä aiheutuu verkkojännitteen kautta, kuten esimerkiksi jääkaapin käynnistyessä, hakkurivirtalähteestä tai hissin verkkohäiriöistä johtuen. Galvaanisten kytkentöjen aiheuttamat maasilmukat ovat yksi yleisimmistä äänentoistotekniikan häiriöistä. Ne aiheutuvat useimmiten laitteiden välisistä maapotentiaalieroista. Mikäli maasilmukan aiheuttama virta pääsee virheellisen laitesuunnittelun takia laitteen signaalipiiriin, aiheuttaa 50 Hz:n häiriösignaalin järjestelmään.

Verkkojännitehäiriöltä voidaan suojautua järjestämällä äänentoistolaitteille oma sähkönsyöttö esimerkiksi suoraan sähkökeskuksesta. Maadoitukseen liittyviltä häiriöltä voidaan suojautua rakentamalla maadoitusjärjestelmä tähtipistemetelmää käyttäen. Näin maasilmukoita ei pääse syntymään. Nykyään digitaalinen signaalinkäsittely on kuitenkin yleistä ja tällaisten järjestelmien kanssa tähtipistemenetelmän heikkoudet korostuvat sen hyötyjä suuremmiksi.

Kapasitiivinen kytkeytyminen

Sopivan välimatkan päässä olevalla sähköisellä johtimella on välissään kapasitanssia. Kapasitiivisessä kytkeytymisessä varautunut johdin (häiriönlähde) varaa myös toisen johtimen, minkä vaikutuksesta syntyy häiriöjännitteitä. Kun kapasitiivisen kytkeytymisen vaikutuksesta syntyy ei-toivottuja virtoja ja jännitteitä, kutsutaan niitä kapasitiivisiksi häiriöiksi.

Kapasitiivisesta häiriöstä voidaan välttyä vetämällä eri teholuokan kaapelit erilleen toisistaan esimerkiksi verkkokaapelit erilleen signaalikaapeleista. Kun kaapeleita vedetään toistensa kanssa ristiin, se kannattaa tehdä niin että kaapelit ovat suorassa kulmassa. Myös kaapelivalinnalla voi olla merkitystä. tulisi siis käyttää johtavalla materiaalilla peitettyjä eli suojattuja kaapeleita.

Induktiivinen kytkeytyminen

Induktiivinen kytkeytyminen tarkoittaa sähkövirran muodostumista kaapeleihin muuttuvan magneettikentän vaikutuksesta. Indusoitunut virta aiheuttaa sähkölaitteisiin häiriöjännitettä ja aiheuttaa ongelmia esimerkiksi signaalien siirrossa. Verkkokaapeleiden magneettikenttä indusoi häiriövirtoja signaalikaapeleihin ja signaalia vahvistettaessa myös häiriötä vahvistetaan. Äänentoistotekniikassa induktiivisten häiriöiden kytkeytyminen on yleistä, ja niiden suhteellinen osuu ja merkitys muihin häiriöiden syntytapoihin on suuri. Induktiivisen kytkeytymisen aiheuttamia häiriöitä voidaan pienentää erilaisin tekniikoin:

• Kaapelivalinnat
  • kasvatetaan kaapeleiden etäisyyttä toisistaan, jolloin kaapelit eivät ole toistensa magneettikenttien vaikutusalueilla.
  • pyritään sijoittamaan kaapelit suorakulmaisesti toisiinsa nähden, jolloin johtimien aiheuttamat magneettikentät ovat erisuuntaisia.
• Suunnittelu
  • Yritetään välttää kaapeleiden kiertämistä.
  • Käytetään mahdollisimman lyhyitä johtoja.

Esimerkiksi levysoittimen äänirasiaan aiheutuu helposti häiriöitä, sillä sen rakenne on altis ulkoisille magneettikentille.

RF-säteily

RF-säteily aiheuttaa häiriöitä sähkömagneettisen säteilyn tai induktion välityksellä sähköisissä laitteissa. RF-häiriöt kasvavat kaapeleiden pituuden kasvaessa. Se siirtyy yleensä joko jatkuvina tai impulssimuotoisina signaaleina. RF-säteilyn aiheuttamilta häiriöiltä voidaan suojautua käyttäen erilaisia tekniikoita:

• Maadoitus
  • käytetään laadukasta säikeistettyä maadoitusjohdinta, esimerkiksi Litz-johdinta.
  • käytetään yhteistä maapistettä, jolloin maajohtimet eivät muodosta RF-säteilyä vastanottavaa silmukkaa.

• Suojaus
  • kaiutinkaapeleiden suojavaipat yhdistetään vahvistimen kuoreen, ja sitä kautta suojamaahan.
  • käytetään pieniä liittimiä, jolloin niiden sähkömagneettinen profiili on myös pieni.
  • käytetään mahdollisimman lyhyitä kaapeleita.
  • kotelointi
• Suodatus
  • lisätään ferriitti vahvistimen tuloon

Katso myös

• Hifi
• Megafoni

Kirjallisuutta

• Toivanen, Jarmo: Teknillinen akustiikka, "Kaiuttimet", s. 261–359. Espoo: Otakustantamo, 1976. ISBN 951-671-123-5
• Toivanen, Jarmo: Teknillinen akustiikka, "Mikrofonit", s. 186–260. Espoo: Otakustantamo, 1976. ISBN 951-671-123-5
• Toivanen, Jarmo: Teknillinen akustiikka, "Äänentoistojärjestelmät", s. 433–437. Espoo: Otakustantamo, 1976. ISBN 951-671-123-5

Aiheesta muualla

• Audiokirja, audiotekniikkaa ammattilaisille ja kehittyneille harrastajille
• Akustiikan perusteita, keinotekoisia tilavaikutelmia