Äänen taajuus

Ääni syntyy, kun äänilähde värähtelee tai tärisee. Ilmaan syntyy molekyylien tihentymiä ja harventumia. Ääni alkaa levitä ilmassa tai muussa väliaineessa, ja kun se saapuu korvaan, se aistitaan äänenä. Tihentymien tai harventumien määrä sekunnissa on äänen taajuus. Taajuus ilmoitetaan hertseinä, Hz. Tuhat hertsiä on lyhennettynä 1 kHz (kilohertsi).Heinrich Hertz oli 1800-luvulla elänyt maineikas luonnontieteilijä.

Korva aistii ääninä värähtelyt, joiden taajuus vaihtelee 16 – 20 000 hertsin väillä. Tämän ns. kuuloalueen alapuolella on infraääniä. Niitä korva ei pysty aistimaan ääninä, mutta niitä esiintyy aika paljon esim. teollisuudessa, laivoilla ja jopa henkilöautossa, kun sivuikkuna on ajon aikana sopivasti auki. Infraäänet voivat aiheuttaa kuulovaurioita. Tulivuorenpurkauksissa syntyy erittäin voimakkaita infraääniä. Maailmalla on joitakin infraäänialueella toimivia tunnistuslaitteita, joilla etsitään ydinaseräjäytyksiä. Infraäänet voidaan luotettavasti todeta vain mittalaitteilla. Julkisuudessa on ollut paljon spekulaatioita siitä, tunnistavatko jotkut ihmiset esim. sään muutokset infraäänien avulla. Aasian hyökyaallon jälkeen, vuonna 2004, kerrottiin, että norsut pakenivat lähestyvää tsunamia. Norsut kuulevat infraääniä, ja lähestyvä aalto synnyttää erittäin maatalaa jyrinää. Norsut myös ”keskustelevat” infraäänillä. Norsun tuottama matalin ääni on erään tutkimuksen mukaan ollut 14 Hz. Sellainen ääni kantaa monen kilometrin päähän.

Kuuloalueen yläpuolella on ultraääniä. Ihminen ei niitä kuule, mutta monet eläimet käyttävät niitä. Esim. lepakot suunnistavat pimeydessä ultraäänten avulla. Hyvin lyhyissä iskuäänissä ja ritinöissä on paljon hyvin korkeita taajuuksia. Lepakon ultraäänet ovat erittäin lyhyitä naksahduksia (kesto 30-40 millisekuntia). Lääketieteellisissä tutkimuksissa käytetään ultraäänikameroita, joiden avulla kartoitetaan kudosten rajapinnoista lähteviä kaikuja. Ultraäänet eivät yleensä ole kuulolle vaarallisia, koska ne ovat aika hiljaisia ja etenevät huonosti.

 70-luvulla autoihin myytiin pientä muovista ”hirvipelotinta”, joka kiinnitettiin auton konepellille ja jonka väitettiin tuottavan ultraääniä auton liikkuessa. Mainoksen mukaan hirvet pelkäävät tällaista ääntä. Käytännössä ultraäänet eivät kuitenkaan etene ilmassa muutamaa metriä pidemmälle. Kuluttaja-asiamies kielsi laitteen markkinoinnin hirvipelottimena, mutta edelleen niitä myydään internetin kautta. Erittäin korkeita ääniä kutsutaan joskus hyperääniksi.

 Ihmispuheen taajuusalue alkaa n. 80 hertsistä ja ulottuu jopa yli 10 000 hertsiin. Puheen perustaajuus on miesäänessä n. 100 Hz. Naisäänen perustaajuus on keskimäärin kaksinkertainen eli n. 200 Hz. Puheen perustaajuus tarkoittaa puheen äänenkorkeutta. Siinä on paljon yksilällisiä ja hetkellisiä eroja. Joku ”kimittää”, jonkun puhe on hyvin matalaa, Myös mieliala vaikuttaa puheen perustaajuuteen.

Musiikillinen sävelasteikkomme käyttää tällaisia taajuuksia. Kuvassa on pianon koskettimisto ja kutakin kosketinta vastaava taajuus. Huomaa, että taajuudet eivät ole välttämättä kokonaislukuja.

Musiikissa käytetään viritysäänenä normaali-a:ta, joka nykyisin on 440 Hz. Se sovittiin vuonna 1939 Lontoossa. Viritysääni saadaan ääniraudasta. Viritystaajuus on vuosisatojen kuluessa muuttunut Ennen toista maailmansotaa soittimet viritettiin matalammalle, normaali-a oli esim. Ranskassa vuodesta 1859 alkaen keskimäärin 435 Hz. Sitä ennen viritystaajuus oli hyvin vaihteleva. Eri maissa ja eri paikkakunnilla käytettiin tuolloin hyvinkin erilaisia virityksiä. Muusikot koettivat sopeutua tilanteeseen transponoimalla eli soittivat eri korkeudelta kuin säveltäjä oli kirjoittanut. 1700- ja 1800-luvuilla musiikkia soitettiin pienemmissä konserttisaleissa kuin nykyisin. Händelin kerrotaan suosineen viritystaajuutena 423 Hz ja Mozart käytti taajuutta 422 Hz. Viime vuosikymmeninä viritys on entisestään noussut; nykyisin orkesterit käyttävät viritysäänenä 443-444 Hz. Tätä on selitetty sillä, että konserttisalit ovat suuria ja siellä on paljon häiriöääniä, joiden läpi musiikin on tunkeuduttava. Korkeammat äänet ovat läpitunkevampia ja kirkkaampia. Erityisiä ongelmia tulee kuitenkin laulajille, jotka joutuvat sopeutumaan luonnottoman korkeisiin ääniin.

Kansainvälisillä radio- ja tv-yhteyksillä käytetään mittasignaalina 1000 Hz:n vinkunaa. Puheen ja musiikin selkeydelle ja kirkkaudelle tärkeä taajuusalue on ns. preesensalue, n. 2000-6000 Hz. Jo musiikkiäänitysten alkuaikoina huomattiin, että korostamalla laulusolistin äänessä tätä preesensaluetta, laulaja saatiin paremmin esiin, hän oli läheisempi, ”läsnäolevampi” – preesens. Preesensalueen vaimeus tekee äänestä voimattomampaa ja epäselvempää.

S-äänteessä on mukana taajuuksia alueella 2000-10 000 Hz. Mitä heleämpi s-äänne on, sitä korkeampia taajuuksia siinä on. Kaikki sihinät sisältävät paljon korkeita taajuuksia.

Puhelin välittää taajuusalueen 300-3400 Hz. S-äänne kuuluu puhelimessa vain heikkona huminana. Aivot kuitenkin täydentää puheen niin, ettei huonoa laatua juuri huomata.

Korkeimmista äänistä käytetään usein englanninkielisiä nimityksiä diskantti tai treble. Hyvin korkeita ääniä kuullaan harvoin puhtaina. Useimmiten ne ovat äänten osakomponentteja ja antavat äänille heleyden ja kirkkauden.

Äänen etenemisnopeus ja aallonpituus

Äänen nopeus on ilmassa n. 330 metriä sekunnissa. Kylmässä ääni etenee hitaammin. Äänennopeus kasvaa, kun lämpötila nousee. Kun lämpötila on 20 astetta, äänennopeus on 344 metriä sekunnissa. Nyrkkisääntö on, että ääni etenee kilometrin noin kolmessa sekunnissa.

Ääni etenee muissakin väliaineissa. Mitä kiinteämpää väliaine on, sitä nopeammin ääni liikkuu.Äänennopeus on teräksessä 5 050 m/s, alumiinissa n. 5 200 m/s ja vedessä n. 1 440 m/s. Täydellisessä tyhjiössä ei ole ääniä.

Koska ääni etenee ilmassa ilmanpainevaihteluina (tihentymiä ja harventumia), puhutaan ääniaalloista. Ääniaallon pituus pituus on kahden tihentymän (ilmanpainemaksimin) välinen matka. Aallonpituus voidaan laskea kaavasta:

 Aallonpituus = äänen etenemisnopeus / taajuus.

20 Hz  aallonpituus 17 metriä
100 Hz aallonpituus 3,4 metriä
1000 Hz  aallonpituus 34 cm
10 000 Hz  aallonpituus 3,4 cm

Resonanssit

Syntyessään ääni on usein vaimea ja heikko eikä kanna kauas. Ääni voimistuu resonanssien avulla. Esimerkiksi kitaran kieli yksinään soi vaimeasti, mutta soittimen kaikukoppa vahvistaa äänen.

Resonanssit syntyvät näin, koehenkilönä oopperalaulaja: Kun laulaja laulaa kohti lasimaljakkoa, ääniaallot saavat lasimaljakon värähtelemään samalla äänenkorkudella. Mutta lasimaljakolla on yksi (tai useampia) ominaisvärähtelytaajuus. Se löytyy esim. napauttamalla maljakon kylkeen: maljakko kilahtaa tietyllä äänenkorkeudella. Kun laulaja laulaa tarkalleen samalla korkeudella, maljakon värähtely yltyy nnin, että se saattaa särkyä. Seuraavassa kuvassa on kaavamaisesti esitetty, että kun juomalasiin kohdistetaan matalaa ääntä, se värähtelee vain heikosti. Kun äänen kokreus on sama kuin ominaisvärähtelytaajuus, lasi värähtelee voimakkaasti.

Resonansseja esiintyy elinympäristössämme hyvinkin paljon. Ukkosen isku lähelle saa seinäkellon ja ikkunat helisemään. Huoneillakin on omat resonanssitaajuudet: tietynkorkuiset äänet voimistuvat näissä tiloissa. Huoneiden resonanssitaajuuksia kutsutaan moodeiksi. Puheen eri vokaalit syntyvät nielun ja suun resonanssien avulla. Jne.

Katso tästä esimerkkejä resonansseista.

Musiikilliset sävelet

”Kauniisti” soivilla musiikillisilla äänillä on yksi erikoisominaisuus: ne sisältävät taajuuksia, jotka ovat matemaattisessa suhteessa toisiinsa. Jo Pythagoras aikoinaan huomasi tämän ilmiön. Musiikillisia säveliä saadaan soittimista. Mitä ”puhtaampi” ääni on, sitä enemmän se noudattaa matematiikan kaavaa. Musiikillisia säveliä on joidenkin lintujen äänissä ja pilleissä. Myös ihmisäänen vokaalit voivat laulaessa olla puhtaimmillaan lähellä musiikillisia säveliä.

Musiikilliset sävelet syntyvät näin: Kun näpäytetään kielisoittimen kieltä koko pituudeltaan, se värähtelee koko pituudeltaan ns. perustaajuudella, esim. yksiviivaisen c:n äänenkorkeudella, 261 Hz.

Samanaikaisesti ja huomaamatta kieli jakautuu puolikkaisiin, jotka värähtelevät samanaikaisesti tuottaen kaksi kertaa korkeamman taajuuden, 522 Hz. Värähtely on nopeampaa. Nämä ns. yläsävelet saadaan kuuluviin esim. kitarassa painamalla sormella kevyesti kieltä tarkalleen sen keskikohdasta. Yläsävelet jäävät kuulumaan, mutta perussävel tukahtuu pois. Soittaja kutsuu näitä ääniä huiluääniksi.

Edelleen kieli jakautuu kolmasosiin, neljäsosiin, jne. ja kaikki osat värähtelevät samanaikaisesti tuottaen ääniä, jotka ovat 3 kertaa perustaajuus (783 Hz), neljä kertaa perustaajuus (1044 Hz), jne.

Nämä ovat ns. yläsäveliä. Nämä yläsävelet saa myös selvästi kuulumaan kitarassa, kun painaa kieltä kevyesti oikeasta kohdasta.

Siniäänet ja äänispektri

Äänten rakennetta voidaan kuvata äänispektrinä. Siinä näkyy tolppina, mistä osataajuuksista ääni koostuu. Musiikillisten äänten eli ”sävelten” äänispektri on hyvin matemaattinen: perussävel ja yläsävelet matemaattisessa suhteessa. Nämä taajuudet muodostavat ns. luonnollisen yläsävelsarjan, joka on musiikin teoriassa tuttu käsite.

Seuraavassa on muutamia äänispektrejä. Äänet, joissa on vain yksi taajuus, ovat arkielämässä varsin harvinaisia. Sellaisia voi syntyä pilleissä ja äänet kuulostavat vinkunoilta. Yhden taajuuden ääntä kutsutaan usein ”siniääneksi” tai ”sinusääneksi”. Nimi tulee matematiikasta, sinifunktion matemaattisesta kaavasta. Viime vuosina on kaupiteltu lepotuoleja, jotka värähtelevät yhdellä, hyvin matalalla sinitaajuudella ja joiden väitetään vilkastuttavan verenkiertoa, vähentävän lihasjännityksiä sekä lieventävän kiputiloja. Siniäänen kaltaisen äänen saa aikaan puhaltamalla sopivalla voimakkuudella virvoitusjuomapullon suun sivuitse.

Seuraavassa kuvassa on graafisesti kuvattu siniääni (vain yksi taajuus). Ääni soi 48 Hz:n korkeudella. Se on hyvin matalaa, puhdasta ääntä.

Useimmissa soittimissa ääni koostuu suuresta määrästä osakomponentteja eli osasäveliä. Matalin osakomponentti on perusääni: soitin soi sillä äänenkorkeudella. Ylemmät komponentit, ns. ylä-sävelet, antavat soittimelle sen tyypillisen soundin, sointivärin. Musiikillisen sävelen osakomponentteja kutsutaan myös ”harmonisiksi”: ne soivat jollain tavoin harmonisesti yhteen. Kontrafagotin matalin ääni on 48 Hz. Kontrafagotin äänispektri on kaavamaisesti tällainen (huomaa taajuuksien matemaattinen suhde).

Jos äänessä on paljon matalia taajuuksia, se kuulostaa tummalta. Jos siinä on paljon korkeita taajuuksia, se kuulostaa heleältä, kirkkaalta tai sihisevältä. Teoreettisesti mielenkiintoista on, että joissakin bassosoittimissa perusääni on erittäin heikko, mutta siitä huolimatta kuulemme tämän matalan äänen. Aivot ”täydentää” äänikuvaa. Sama ilmiö esiintyy kaiutinkuuntelussa: Vaikka kaiutin ei toistaisikaan kaikkein matalimpia taajuuksia, ne kuullaan. Aivot rakentavat puuttuvan perussävelen.

Tietokoneen äänenkäsittelyohjelmissa on mukana analysaattoreita, joilla saadaan esiin äänen spektri. Seuraavassa kuvassa on sellon ääni, yksiviivainen f (349 Hz). Kuvaan on merkitty punaisilla pylväillä, missä teoreettisesti on 12 ensimmäistä yläsäveltä (2 x perussävel, 3 x perussävel, jne.). Analysaattorin kuvassa yläsävelet näkyvät selvinä huippuina. Tietokoneohjelmana on Sound Forge 4.5.

Näillä siniaaltomuotoisilla testiäänillä voit kuunnella eritaajuisia ääniä ja testata äänetoistolaitteistosi suorituskykyä. Kaikkien testisignaalien huipputaso on -10db. Päätteeksi mukana on myös ns. vaalenpunaista kohinaa (Pink Noise), jossa kullakin äänen oktaavilla on yhtä paljon energiaa.

LINEAARINEN WAV 16-bit 44kHz mono, 1.3 MT	ESIKUUNTELUVERSIO MP3 128kbit/s mono, 243kT
20 Hz	20 Hz
40 Hz	40 Hz
60 Hz	60 Hz
100 Hz	100 Hz
250 Hz	250 Hz
440 Hz	440 Hz
1000 Hz	1000 Hz
2500 Hz	2500 Hz
4000 Hz	4000 Hz
6000 Hz	6000 Hz
8000 Hz	8000 Hz
10000 Hz	10000 Hz
12000 Hz	12000 Hz
14000 Hz	14000 Hz
15000 Hz	15000 Hz
16000 Hz	16000 Hz
17000 Hz	17000 Hz
18000 Hz	18000 Hz
19000 Hz	19000 Hz
20000 Hz	20000 Hz
Vaaleanpunaista kohinaa	Vaaleanpunaista kohinaa

Soittimien erilaiset soundit

Eri soittimissa yläsävelet ovat voimakkuudeltaan erilaisia. Siitä syntyvät soitinten sointivärien eli ”soundien” erot. Viulussa ensimmäiset yläsävelet ovat voimakkaita.

Nasaalisen puhaltimen äänestä puuttuu joka toinen yläsävel. Tässä kuvassa on kaavamaisesti klarinetin nasaalin äänen äänispektri: alapäässä joka toinen komponentti on vaimea.

Yläsävelet muodostavat kolmisoinnun

Muusikko huomaa heti, että neljä ensimmäistä yläsäveltä muodostavat kolmisoinnun. Kolmisoinnulla on musiikissa erityisasema, mutta kolmisoinnun lähtökohta on fysiikassa.

Hälyäänet

Hälyille ja meluille on tyypillistä, että niiden sisältämissä taajuuksissa ei ole mitään matemaattisia suhteita, vaan äänispektri on jatkuva: niissä on sekaisin kaikkia taajuuksia. Tyypillisiä hälyääniä ovat tuulen kohina, liikenteen äänet, suuren ihmisjoukon häly ja tehdasmelu.

Monien soitinten äänessä on yhtaikaa musiikillisia säveliä ja hälyääntä. Esim. huilun äänessä puhalluksen aiheuttama kohina on hälyääntä, ja se on oleellinen osa huilun ääntä.

Puheen s-äänne on erityislaatuinen. Siinä on vain korkeita taajuuksia: n. 2-10 kHz. Se näkyy hyvin myös äänianalysaattorikuvassa.

Helmholtzin lista

• Perusääni yksinään - hempeä
• Perusääni + ensimmäiset yläsävelet - pehmeä
• Perusääni + monia yläsäveliä - lavea (???)
• Perusääni + korkeita yläsäveliä - terävä
• Perussävel vallitsevana - mahtava
• Yläsävelet vallitsevina - ontto
• Parittomat osasävelet vallitsevina - umpisointuinen, nasaali
• Riitasointuiset osasävelet vallitsevina - raaka, karkea
• Riitasointuiset korkeat osasävelet vallitsevina - kirkuva

Oktaavi

Mielenkiintoinen kuulon ilmiö on oktaavi. Oktaavi on taajuusalue, jossa taajuus kaksinkertaistuu. Se jäsentyy aivoissa samantyyppiseksi oltiinpa millä äänenkorkeudella tahansa. Kuuloalue 20-20 000 Hz sisältää n. 10 oktaavia.

Kunkin oktaavin alueelta aivomme hahmottavat sävelasteikkomme: c, d, e, f, g, a, h, c eli do-re-mi-fa-sol-la-si-do.

Suuressa konserttiflyygelissä on n. 7 oktaavia. Kouliintumaton laulaja pystyy laulamaan tuskin kahta oktaavia. Perulainen laulajatar Yma Sumac tuli tunnetuksi laajasta äänialasta. Hän lauloi 4 ½ - 5 oktaavia. Soittimilla on seuraavanlaisia äänialoja (äänen korkeus ja ääniala oktaaveina) :

• Viulu 200 – 3400 Hz (yli 4 oktaavia)

• Sello 62 – 780 Hz (yli 4 oktaavia)

• Huilu 280-2290 Hz (lähes 4 oktaavia)

• Pikkolo 500-4600 Hz (yli 4 oktaavia)

Suuren Steinway-konserttiflyygelin matalin kosketin soi 27,5 Hz:n korkeudella, ja korkein ääni on 4 186 Hz. Se on varsin laaja ääniala: yli 7 oktaavia.

Laulajien keskimääräisiä äänialoja:

• Sopraano  270 – 1 600 Hz

• Mezzosopraano 240 – 860 Hz

• Altto 200 – 790 Hz

• Tenori 140 – 570 Hz

• Baritoni 110 – 450 Hz

• Basso 85 – 390 Hz
  

Yksilöllinen lauluääniala rajoittuu yleensä 2 – 3 oktaavin alueelle. Jokainen pystyy testaamaan oman lauluäänialansa laulamalla skaalaa niin alhaalta kuin mahdollista niin ylös kuin mahdollista (do-re-mi-fa-sol-la-si-do). Siitä voi laskea, montako oktaavia pystyy laulamaan ilman erityistä ponnistusta. Esim. otsan rypistäminen osoittaa, että ollaan äärirajoilla.

Harmoniaa vai riitasointuja

Mielenkiintoinen kuulohavaintojen ilmiö on yhtaikaa soivien sävelten konsonanssi tai dissonanssi (tasasointu tai riitasointu). Länsimaisessa musiikissa olemme tottuneet siihen, että kolmisointu soi kauniisti yhteen. Täydellisin konsonanssi, harmonia syntyy, kun sävelet ovat oktaavin päässä toisistaan. Sävelkorkeuksien välejä kutsutaan intervalleiksi. Esim. sekunti on intervalli, jossa nuotit ovat nuottiviivastolla viivalla ja sen viereisessä välissä.

Kun intervalleja soitetaan pianolla (siis molemmat sävelet soivat yhtaikaa), voi selvästi havaita, että sekunti soi riitasointuisesti, terssi melko täyteläisesti, kvartti ja kvintti onttona, seksti melko täyteläisenä, septimi riitaisena ja oktaavi täyteläisenä ja harmonisena. Musiikissa tasasoinnut ovat yleensä pehmeitä, kauniisti soivia ja riitasoinnut kiihkeitä, eteenpäin pyrkiviä.

Kun tutkitaan hyvin yhteen soivien sävelten taajuuksia, huomataan, että ne ovat yksinkertaisissa matemaattisissa suhteissa toisiinsa samalla tavoin kuin musiikin perussävelet ja ensimmäiset yläsävelet.

Kolmisoinnun taajuudet ovat suhteissa:

• Terssi  e:c  9:8

• Kvartti f:c 4:3

• Kvintti g:c  3:2

Käytännössä on monia viritysjärjestelmiä, koska hyvää viritystä ei saada pelkästään matemaattisten suhteiden avulla. Lisää viritysjärjestelmistä täällä. Voit kokeilla itse eri intervalleja täällä.

Kuulokyky

Korva aistii ääninä taajuudet 16 Hz – 20 kHz. Iän lisääntyessä korkeiden äänten kuuleminen heikkenee. Eläkeiän alkaessa kuullaan vain nipin napin 10 kHz:n ääniä. Monikaan ei huomaa kuulon heikkenemistä. Siihen mukautuu vuosien mittaan. Joskus  törmää siihen, että ei enää kuule; esim. heinäsirkat eivät enää siritä 

Kuulomme mukautuu, adaptoituu nopeasti vallitseviin olosuhteisiin. Kuuntelijatutkimuksissa 1950-luvulla kävi ilmi, että radion kuuntelijat pitivät  parempana vanhan AM-radion ääntä kuin modernimman FM-vastaanottimen kirkkaampaa ja häiriöttömämpää ääntä.

Melun aiheuttamat kuulovammat alkavat usein korvan herkimmän alueen eli preesensalueen taajuuksista ja leviävät vähitellen laajemmalle. Aluksi ääni menettää selkeyttään ja kirkkauttaan, mutta vähitellen siitä tulee vain tummaa mutinaa.

Matalat äänet

Ihmisen kuuloalueen matalimpia taajuuksia kutsutaan bassoiksi. Kaikkein matalimmat bassot (alle 60 Hz) ovat usein kuuloelämyksinä vaatimattomia, mutta ne vaikuttavat pääasiassa tuntoaistin kanssa. Äänet ”hierovat” kuulijaa. Matalien äänten tulosuuntaa on vaikea havaita. Ne täyttävät ympäröivän tilan, ja kulkeutuvat helposti ikkunoiden ja seinien läpi.  Arkisia tilanteita ovat naapurista kuuluva matala ”jumputus” tai kadulla maatalia taajuuksia sykkivä henkilöauto.

Konserttiflyygelin matalin ääni on 27,5 Hz ja kontrafagotin 48 Hz. Puheen matalimmat taajuudet ovat n. 80-100 Hz.

Matalat äänet kuuluvat kauas ja sen vuoksi esim. laivojen sumusireenit ja saariston kiinteät sumusireenit eli nautofonit lähettivät käheää 150-300 Hz:n ääntä. Se kuului jopa 50 km:n päähän. Viimeinen nautofoni Ahvenanmaalla lopetti v. 1993.

Matalia ääniä syntyy yleensä vain suurista, massiivisista esineistä tai rakennelmista. Bassokaiuttimet ovat suurikokoisia.

Erilaisten sähkölaitteiden käyttäjät joutuvat usein tekemisiin verkkovirran 50 Hz:n hurinan kanssa tai sen kerrannaisten, 100 Hz ja 150 Hz.

Teollistuminen toi  mukanaan valtavan määrän matalia ääniä. Moottorit ja koneet tuottavat paljon matalia ääniä, jopa infraääniä. Metroaseman matala jyminä on suurkaupunkien tyypillinen ääni. Musiikkiteollisuudessa alkoi 60-luvulla eräänlainen ”bassofetisismin” aikakausi, joka viime vuosikymmeninä on levinnyt myös elokuvateattereihin. Ääri-ilmiöinä ovat olleet jotkut katastrofielokuvat, joissa koko elokuvasali on saatu värähtelemään.

Moni näkee ylenmääräisissä bassoissa jotain hyvin seksuaalista. Matala värinä aihettaa elimistössä tuntoaistimuksia ja erilaisia psykofyysisiä reaktioita, ja jonkinlaista vaikutusta on myös tasapainoaistiin. Harley-Davidson antaa ehkä uutta potenssia. Monesti vaimea, matala ja  tasainen ääni rauhoittaa ja unettaa. On tehty kokeita, joissa matalilla äänillä potilaat on saatettu sellaiseen tilaan, etteivät he koe kipuja. 

Luonnossa matalia ääniä kuullaan paljon vähemmän. Korva on varsin epäherkkä matalimmille taajuuksille.

Kulttuurissamme matalat äänet ovat liittyneet uskonnollisiin rituaaleihin. Rummut, kirkonkellot ja urut tuottavat paljon matalia ääniä, ja vaikuttavat suggestiivisesti. Jumala kuultiin ukkosen jyrinän kaltaisena pauhuna. Nykyisin matalia luonnonääniä syntyy ukkosesta, maanvyöryistä ja maanjäristyksistä. Kohiseva koski voi  kuulua hyvinkin kauas.

Elokuvassa matalat äänet usein ilmentävät emotionaalisesti voimakkaita tilanteita. Ne synnyttävät ahdistusta, uhkaa tai jännitystä. Matalilla äänillä kuvataan joko edessä olevaa uhkaa tai tunnelmia katastrofin aikana.

Radiossa ja tv:ssä bassojen yliviljely on vaikeaa, koska kuunteluvoimakkuudet kotona ovat harvoin yli 80 dB.

Preesensalue - puheen selkeys

Taajuusaluetta 2000-8000 Hz kutsutaan usein preesensalueeksi. Preesensalue on erittäin tärkeä äänten selkeydelle. Kun preesensaluetta teknisesti korostetaan, ääni muuttuu selkeämmäksi ja kirkkaammaksi.

Monissa metallisissa äänissä on paljon preesensalueen taajuuksia. Kun telakalla nuijitaan suuria metallilevyjä, äänessä on paljon metallista preesensiä. Tällaiset äänet vaikeuttavat puheen kuulemista.

Eläinten ja lintujen äänissä on paljon preesensalueen taajuuksia. Äänet on helppo havaita. Myös hälytysäänissä, esim. pirisevässä hälytyskellossa, on paljon preesensiä. Korva on herkin preesensalueen taajuuksille.

Korkeat taajuudet

Myös korkeilla äänillä on erikoisasema. Korkeat äänet säteilevät äänilähteestä kapeana keilana suoraan eteenpäin. Korkeisiin ääniin liittyy usein jonkinlainen signaaliominaisuus: esim. kilinä, sireeni tai kimeä pilli. Lintuparven korkea kirskunta sisältää paljon korkeita taajuuksia, ja synnyttää rauhattoman tai epämieluisan tunteen.

Monissa äänissä on mukana korkeita taajuuksia. Musiikillisissa äänissä ne lisäävät heleyttä, mutta jos ne ovat hyvin epäharmonisia, syntyy vaikutelma pistävyydestä tai ”terävyydestä”. Terävä ääni synnyttää monissa ihmisissä puistatuksia, esim. liidun kirskahdus liitutaulussa, junan pistävä jarrutusääni tai veitsen terävä ääni lautasen pintaa vasten.

Korkeiden äänten suuntaa on vaikea havaita. Joidenkin lintujen varoitusäänet ovat hyvin korkeita.

Elokuvassa korkeita ääniä käytetään harvoin tehokeinona. Sen sijaan tavallisempaa on, että korostetaan yhtaikaa matalaa bassopäätä ja korkeita taajuuksia. Esim. tulen ääni sisältää yhtaikaa matalaa kohinaa ja korkeita ritinöitä.

Kotikuuntelija havaitsee usein vastaanottimessaan korkeat taajuudet sihinänä.

Valkoinen kohina

Valkoinen kohina on mielenkiintoinen ääni.  Siinä on mukana kaikkia taajuuksia. Kun tv:ssä on  lähetyskatko, äänessä kuuluu valkoista kohinaa. Tämä ääni on saanut nimensä näköhavaintojen puolelta: kun kaikki sateenkaaren värit sekoitetaan, lopputuloksena on valkoista väriä. Samalla tavoin: kun erikorkuiset äänet sekoitetaan, lopputuloksena on ”valkoinen ääni”, joka kuullaan kohinana.

Valkoinen kohina on eräänlainen maailman perusääni. Tuulen ja meren kohina, suihkulähde, etäinen liikenteen kohina ja tehtaan yleishäly ovat täynnä valkoista kohinaa.

Kohinan väri voi vaihdella. Tummempaa kohinaa kutsutaan vaaleanpunaiseksi kohinaksi. Sitä käytetään mm. äänimittauksissa. Se on tummempaa ja pehmeämpää kuin valkoinen kohina.

Valkoinen kohina peittää kaikki muut äänet tehokkaasti alleen. Salainen agentti panee veden juoksemaan hanasta, kun käydään tärkeitä neuvotteluja. Demostenes harjoitteli antiikin aikaan puhumista meren rannalla.

Mittaustarkoituksiin käytetään ”vaaleanpunaista kohinaa”. Se on pehmeämpää kuin valkoinen kohina. Siinä on suhteessa enemmän matalia taajuuksia.

Puheäänen taajuudet

Puhuessa keuhkoista tuleva ilmavirta kulkee kurkunpäässä äänihuulten välistä. Äänihuulet ovat kurkunpäässä suunnilleen ”aataminomenan” kohdalla. Soinnilliset äänteet syntyvät niin, että äänihuulet värähtelevät edestakaisin. Äänihuulien värähtelystä syntyy ääni, jossa on mukana perusääni ja suuri joukko ylä-ääniä eli harmonisia. Ylä-äänten voimakkuus pienenee, mitä korkeampi taajuus on.

Kun äänihuulista lähtevä ääni jatkaa matkaa ylöspäin, se kulkee nielun ja suun onteloiden kautta. Näillä onteloilla on niille tyypilliset resonanssitaajuudet, jotka riippuvat onteloiden koosta ja aukkojen suuruudesta. Äänen kulkiessa ontelon läpi siinä voimistuvat ne taajuudet, jotka sattuvat ontelon resonanssitaajuudelle. Lopullisessa puheäänessä, jonka kuulemme, ovat korostuneina tietyt taajuusalueet, ns. formanttialueet. Kuvaan on merkitty nuolilla nielun ja suuontelon resonanssitaajuudet. Ne taajuudet korostuvat ja muodostavat ns. formantit.

Puheen perustaajuus  eli puhekorkeus on miehellä keskimäärin 120-130 Hz ja naisella oktaavia ylempänä eli n. 180-220 Hz, mutta yksilölliset erot voivat olla suuria.

Formantit ovat eri äänteillä eri kohdissa taajuuskaistaa. Tämä johtuu siitä, että puhuessa nielun ja suun ontelot muuttavat jatkuvasti muotoaan. Seuraavassa kuvassa on poikkileikkaus nielusta ja suusta. Kieli muuttaa puhuessa muotoaan ja onteloiden koot muuttuvat. Kuvassa on kielen asento vokaaleissa "a" ja "i".

Puheen vokaaleissa voidaan havaita selkeästi kaksi, kolme tai jopa neljä formanttialuetta. Tässä on esimerkkinä i-äänne amerikanenglannissa mies- ja naisäänellä. Formanttialueet on merkitty F1, F2, F3 ja F4.

Alin huippu on puhekorkeus (puheen perustaajuus). Ylemmät huiput ovat formantteja. Naisäänessä perustaajuus ja formantit ovat hieman ylempänä.

Suomen kielessä kaksi alinta formanttia F1 ja F2 sijoittuvat tällä tavoin.

Laulajan formantti

Ruotsalaiset fonetiikan tutkijat Sten Ternström ja Johan Sundberg tekivät 1980-luvun puolivälissä mielenkiintoisen havainnon. Koulutetun laulajan äänessä korostuu n. 2000 Hz:n tienoilla oleva taajuusalue. Se on saanut nimen "laulajan formantti"”, ja se syntyy kurkunpään laskeutumisesta koulutuksen tuloksena. Kurkunpään laskeutumista voi kokeilla esim. puhumalla haukotellen.

Laulajan formantin merkitys löytyy, kun tarkastellaan orkesterimusiikin ja laulajan keskimääräistä taajuusjakautumaa esim. minuutin jaksossa. Orkesterimusiikissa on eniten n. 450-500 hertsin taajuuksia. Korkeampia taajuuksia on vähemmän. Laulajan äänessä korostuu n. 2000 hertsin alue, ja se aiheuttaa, että laulajan ääni ei peity yhtä helposti orkesterin alle, vaikka orkesteri soittaisi kovaa.

Konsonanttien taajuudet

Soinnittomat konsonantit, kuten s, f, k, p ja t sisältävät korkeampia taajuuksia, erityisesti, kun puhuja artikuloi huolellisesti. Soinnilliset konsonantit kuten m, n, d, j  ja r muistuttavat hieman vokaaleja, mutta niiden formantit ovat huomattavasti laajempia. Tässä joitakin viitteellisiä taajuuksia:

• "D"      100-200 Hz      1,5-2,8 kHz

• "J"       250-500 Hz      2,1-6,8 kHz

• "K"      900-2 250 Hz

• "L"      400-1200Hz       1,7-3,2 kHz

• "M"     200-250 Hz       1,3-1,6 kHz

• "R"      250-1800 Hz    2050-4850 Hz

• "S"       2 – 8 kHz

Osa konsonanttien taajuuksista on preesensalueella.

Nyrkkisääntö: vokaalit antavat puheelle voimaa, konsonantit antavat puheelle selkeyttä. Jos halutaan selkeyttää puhetta, on tärkeää, että konsonantit kuuluvat.

Kuiskaus ja huuto

Kuiskatessa matalien taajuuksien osuus vähenee ja vokaalit vaimenevat. Konsonantit säilyvät lähes muuttumattomina, ja sen vuoksi kuiskauksesta saadaan selvää.

Hiljainen puheääni sisältää vain niukasti korkeita taajuuksia, ja sen vuoksi se kuuluu huonosti. Voimakkaassa äänessä on paljon enemmän korkeita taajuuksia. Kun puhe kohdistetaan suurelle joukolle, äänenkorkeus nousee ja selkeys lisääntyy.

Leena Rantala on opinnäytetyössään tutkinut naisopettajien äänenkäyttöä. Siinä on paljon tietoa puheäänestä.

Soittimien formantit

Myös soittimien äänissä on soittimille tyypillisimpiä taajuusalueita. Jos tyypillisimmät taajuusalueet osuvat puheen formanttien kohdalle, voidaan sanoa, että soitin soi esim. kuin o-äänne tai y-äänne. Tällaisia soundeja kutsutaan joskus ”vokaalisiksi sointiväreiksi”.

Seuraavassa kaavakuvassa on verrattu jousisoittimien ja vokaalien formanttialueita Michael Dickreiterin kirjan ”Der Klang der Musikinstrumente” (1977) mukaan. Formantit syntyvät soittimen rakenteesta, erityisesti rungon ja kaikukopan resonansseista. Sanotaan, että hyvässä viulussa on voimakas formantti a-äänteen alueella 800-1200 Hz, mutta äänen briljanssi (kirkkaus, heleys) tulee 2000-2600 Hz:n ja 3000-4000 Hz:n formanteista. 

Puhaltimista huilulla ja klarinetilla ei ole tunnusomaisia formanttialueita, joiden avulla niiden äänen voisi tunnistaa. Sen sijaan puupuhaltimista oboella, englannintorvella, fagotilla ja kontrafagotilla on tunnusomaiset formantit ja niiden avulla tunnistettava soundi. Vuosikymmenien ajan on etsitty teoreettista mallia siihen, miten puhaltimien formantit syntyvät. Puhaltimessa ääni syntyy, kun ilmapatsas puhaltimen sisällä värähtelee. Puhaltimen materiaalilla ei ole vaikutusta soundiin. Hopeinen huilu ei soi paremmin kuin jokin muu huilu. Formantit syntyvät todennäköisesti suukappaleen ja putken yhteisvaikutuksesta. Internetissä on paljon sivustoja, joissa pohditaan  formanttien syntyä puupuhaltimissa.

Sointivärikartta

Teknisesti äänen sointiväriä muutetaan korjaimilla  eli ekvalisaattoreilla (EQ). Sellaisia löytyy monista äänenkäsittelyohjelmissa tai ne ovat erillisiä räkissä olevia laitteita. 

Miten muokkaaminen vaikuttaa puheääneen? Jos ääneen tehdään keinotekoisesti formanttien kaltaisia korostuksia, äänten soundit muuttuvat alla olevan kartan mukaisiksi.