Kun äänijärjestelmä halutaan virittää hyvin, ymmärtää tilan akustista käyttäytymistä tai tietää vaikkapa konsertin todellinen äänenvoimakkuustaso, edellytyksenä on poikkeuksetta oikeaoppinen mittaustapa ja riittävän hyvillä välineillä. Keskeinen osa tätä ketjua on mikrofoni, joka poimii mitattavan signaalin.

Mittaaminen ei kuitenkaan ole koskaan pelkästään yhdestä komponentista kiinni, vaan itseasiassa mikrofonin, kalibroinnin, äänikortin ja mittausohjelmiston tai mittalaitteen yhteistulos. Ja lopulta kaikkein tärkeimpänä mittaajan kyky tulkita tuloksia ja kysyä kulloinkin oikeat kysymykset, joihin mittaus antaa vastauksen.

Koko signaaliketju ratkaisee

Mittaamisessa pätee erityisen hyvin vanha tuttu sanonta: kokonaisuus on yhtä huono kuin sen heikoin lenkki. Ääneen intohimoisesti suhtautuvat henkilöt puhuvat usein hyvästä tai huonosta soundista ja nyansseista; miltä jokin mikrofoni tai kaiutin kuulostaa, tai jopa tuntuu. Mittaamisen estetiikka perustuu eri lähtökohtiin, koviin faktoihin ja teknisiin suoritusarvoihin. Kysehän on siis nimenomaan mittaamisesta, ei tunneseikoista. Käymmekin seuraavaksi läpi lyhyesti audiomittauksen signaaliketjua ja muutamaa yleisintä mittaustapaa.

Mikrofoni on mittauksen korvat

Sävykkyys, hyvä soundi, käsittelyäänien vaimennus, voimakas suuntaavuus tai mahdollisimman matala pohjakohina eivät ole mittamikrofoneihin ensisijaisesti liitettäviä suureita. Sen sijaan laadun mittareina ovat tasainen taajuusvaste vähintään ihmisen koko kuuloalueella, mahdollisimman suuri äänenpaineen kesto, vähän signaalin värittymistä aiheuttava mekaaninen muoto ja rakenne sekä mahdollisimman hyvä tasalaatuisuus myös eri yksilöiden välillä. Mittamikrofonit ovat myös poikkeuksetta pallokuvioisia, eli kuulevat äänen yhtä hyvin joka suunnasta.

Mittamikrofonit luokitellaan karkeasti kahteen tai itseasiassa kolmeen luokkaan. Kaikkein laadukkaimpia Class I -mittamikrofoneja käytetään yleensä laboratorio-olosuhteissa, rakennusakustiikan mittauksissa ja kaiuttomissa huoneissa tapahtuvissa mittauksissa sekä vaativimmissa melumittauksissa. Mikrofonien hintatason takia, harva haluaa näiden päätyvän esimerkiksi festivaalien päälavan yleisön keskelle pölyn, sateen, mekaanisen rasituksen tai jopa varastamisen kohteeksi.

Meille tutummat Class II -luokan mikrofonit edustavat valtaosaa keikkaympyröissä käytettävistä mikrofoneista. Tämä laatutaso asettaa riittävät vaatimukset, jotta ne ovat luotettavia mittausvälineitä ammattilaisille, mutta hintaluokka pysyy vielä maltillisena ja jopa freelancerin saavutettavana.

Se kolmas luokka onkin itseasiassa luokittelemattomat mikrofonit, joiden suorituskykyä ei määrittele standardit, vaan käyttäjän on luotettava valmistajan antamiin spekseihin tai vertailumittauksiin vaikkapa Class II -luokan mikrofonien kanssa.

Muitakin laadullisia vertailukriteerejä mikrofoneille löytyy, mutta Class-luokittelu on meidän toimintaympäristössämme se tavallisimmin käytetty referenssi.

Koolla on väliä

Eri valmistajien mikrofonit ovat usein myös fyysisesti eri kokoisia. Mekaanisen rakenteen lisäksi mikrofonin kokoon vaikuttaa myös itse kapselin halkaisija. Mikrofonin kärjen fyysinen koko on ratkaiseva tieto silloin, kun mittausvälineistö halutaan kalibroida äänenpaineen mittausta varten. Tämä tapahtuu nimenomaisesti tätä tarkoitusta varten olevilla kalibraattoreilla, jotka yleensä tarjoavat sisäisestä kaiuttimestaan 94dB ja 110dB referenssisignaalin. iSEMcon SC-1 kalibraattori on oiva esimerkki tällaisesta. Se on erittäin tukevarakenteinen ja keikkaolosuhteita kestävä työväline.

SC-1 kalibraattorin toiminta on hyvin suoraviivaista. Käyttöpainikkeet on upotettu rungon päätyyn ja on/off-painikkeen rinnalla on vain valintakytkin, halutaanko 94dB vai 110dB testisignaali. Toisessa päässä on kolo adapterille, jonka avulla mikrofoni sovitetaan mekaanisesti ja akustisesti laitteeseen. SC-1 toimii 9V pariston avulla ja kokemukseen perustuen, irrallisia soviterenkaita ei välttämättä kannata säilyttää mittarin kanssa samassa pussukassa, koska ne voivat vahingossa kytkeä mittarin päälle ja tällöin pidemmän ajan kuluessa paristo kuluu loppuun. Samoin sovitteet kannattaa merkitä ja nimetä, esimerkiksi teippimerkintälaitteella. Näin omistajasta ei ole epäselvyyttä ja niiden tarkka malli pysyy tiedossa. Kun merkinnän tekee sovitteen ulkoreunaan, se napakoittaa istuvuutta kalibraattoriin ja adapteri pysyy kuljetuksen aikana paikallaan. Kalibraattorin hinta on kirjoitushetkellä 325€ alv0%.

Kalibroidessa mittamikrofoni yhdistetään tiiviisti kalibraattoriin oikeankokoisella adapterilla ja mittalaitteisto kalibroidaan annetun referenssisignaalin mukaiselle tasolle. Tämän jälkeen järjestelmällä voidaan mitata todellisia äänenpaineen tasoja, kunhan mikrofoni pysyy samana ja mittaetuasteen vahvistusta ei muuteta. Poikkeuksellisesti esimerkiksi Smaart-mittaohjelmisto yhdessä Audient EVO -äänikorttien kanssa tarjoaa ohjelmallisen gain-kompensaation, jolloin etuasteen vahvistusta voi vapaasti säätää kalibroinnin pitäessä edelleen kutinsa. Ylipäätään mittauksissa suositaan nykyisin äänikortteja, joissa vahvistuksen säätö on softallinen, eikä analogisen gain-potikan varassa. Näin asetettu vahvistus pysyy oikeana myös pidemmällä aikavälillä.

Yleisimmät halkaisijat mittamikrofoneille ovat ¼  ja ½ -tuumaa ja SC-1 kalibraattorin vakiovarusteisiin kuuluu sovitteet molemmille. 10mm kokoisia mikrofoneja ovat esimerksi RTA420 tai dbx -mittamikrofonit sekä näiden johdannaiset ja kopiot. Eniten harmaita hiuksia sovitteiden suhteen käyttäjille ovat aiheuttaneet erikoisemman muotoiset mittamikrofonit, kuten kärjestään kapeneva DPA 4090 tai Beyerdynamic MM 1. Jälkimmäisestä on olemassa ainakin kahta eri ikäistä tuotantoversiota, joissa mikrofonin pintakäsittelyn paksuus on vaihdellut, tämän vuoksi MM1-sovitteen kanssa tulee olla tarkkana.

iSEMcon valmistaa kalibraattorisovitteita kaikkiin edellämainittuihin ja myös muihin erikoisempiin mikrofonimalleihin. Adapterien hintaluokka on noin 30€ alv0%.

iSEMcon EMX-7150 – nykypäivän luottotyökalu

Yksi tämän hetken vakiintuneimpia valintoja ääniammattilaisten mittamikrofoniksi on iSEMcon EMX-7150. Se on laadukkaaksi Class II -luokan mittamikrofoniksi kohtuuhintainen, mekaanisesti kestävä, taajuusvasteeltaan tasainen (+/- 0,5dB) ja kestää yli 140dB SPL äänenpainetta. Kuten valtaosa Class II -luokan mikrofoneista, sekin on ¼-tuuman kokoa. EMX-7150 toimii 12-52V phantom-virralla ja on ulostulotasonsa puolesta yhteensopiva useimpien äänikorttien ja mittareiden kanssa. Mikrofonin hinta on 275€ alv0%.

Valmistaja tarjoaa verkkosivuillaan mikrofonin sarjanumeron perusteella ladattavan – aidosti mitatun – taajuusvasteen kompensaatiotiedoston. Tämän avulla eri mikrofonien yksilölliset erot voidaan mittaohjelmistossa ikään kuin ”nollata”. Mikrofoneista on myös saatavilla sovitettuja pareja, tripletteja, jne.

On toki tärkeää monikanavaisissa mittaustilanteissa, että mikrofonit ovat keskenään mahdollisimman samanlaisia, mutta matchattyjen settien konkreettisesta hyödystä voidaan olla monta mieltä. Käytännössä mittausympäristö aiheuttaa suurempia muutoksia, kuin vakiomikrofonien keskinäiset erot. Tämä on havainnollisesti todistettu eri mittauskoulutusten yhteydessä. Mikrofonin siirtäminen 5cm eri kohtaan aiheuttaa suuremman muutoksen mittaustuloksessa, kuin kahden eri mikrofonin välinen taajuusvasteen ero. Mieti siis tavoitteletko sovitetulla setillä itsellesi enemmän mielenrauhaa, vai onko tämä todella käytössäsi tarpeellinen ominaisuus.

SPL ei ole mielipidekysymys – mutta voi mittauskin vääristää totuutta

”Nyt ääntä hiljaisemmalle, täällä on ainakin 200 desibeliä!” Kuulostaako tutulta? Äänentasoista on kaikilla mielipide, mutta harvoin yleisön mielipiteet perustuvat oikeaoppisesti mitattuun faktaan. SPL-mittari on nykyisin saatavilla applikaationa lähes jokaiseen älypuhelimeen ja sen myötä mittaajia on myös joka lähtöön. Nämä puhelimella tehdyt mittaukset antavat lähinnä viitteellisiä tuloksia ja niiden oikeellisuuteen voi vaikuttaa moni ulkoinen tekijä. Desibeli on myös ylipäätään hankalasti ymmärrettävä mittayksikkö, joten sen kanssa tulee olla tarkkana.

Äänenpainetason mittaaminen, erityisesti live-tilanteissa asettaa mittalaitteille poikkeuksellisen kovat vaatimukset. SPL-mittauksessa ei riitä, että mikrofonin taajuusvaste on tasainen – sen on myös kestettävä hetkelliset äänenpainehuiput vääristymättä. SPL-mittauksia tehdään yleensä eri aikaikkunoihin peilaten. Kuulijoiden terveyden kannalta hetkellisiä huippuja merkittävämpää on pidemmän ajan altistuminen. Altistumiseen vaikuttaa kokonaiskertymä, joka on käytännössä summa kaikesta tietyssä ajassa kuuluneesta äänestä, oli se sitten yksittäisiä voimakkaampia iskuja, pyrotekniikan pamahduksia tai vaikkapa taukoja kappaleiden välissä. Mittaamisen kannalta on ensiarvoisen tärkeää, että koko mittalaitteisto kykenee suoriutumaan myös niistä kaikkein voimakkaimmista huipuista.

Jos konsertin äänentaso on ollut 99dB SPL LAeq10 – eli mutkat suoraksi vedettynä: kuulon herkkyyden mukaan matalia taajuuksia vähemmän huomioiva kymmenen minuutin aikainen äänenpaineen kokonaiskertymä – silloin voimakkaimmat hetkelliset äänenpaineen huiput ovat yleensä osuneet noin 130-135dB SPL välimaastoon. Jos mittamikrofonin tai äänikortin rajat tulevat vastaan vaikkapa 125dB SPL -tasolla, kaikki tämän yli menevä äänenpaine jää mittauksessa vain 125dB SPL -tasolle, vaikka itse mittari tai ohjelmisto voisi antaa suurempia lukuja. Mittaus ei siis tällöin anna lainkaan oikeaa tulosta.

Valtaosa edullisimmista mittamikrofoneista ei kestä edes 130dB SPL äänenpainetta, niinpä ne ovatkin soveltuvampia muuhun, kuin luotettavaan SPL-mittaukseen. On myös valitettavaa, että tietyn – tässäkin jutussa aiemmin mainitun – valmistajan mittamikrofoneissa todellinen maksimi SPL -suorituskyky on vaihdellut eri aikakausina, vaikka mikrofonin tekninen dokumentaatio on säilynyt muuttumattomana. Tällainen on ilmetessään harmillinen yllätys, varsinkin kun puhutaan mittalaitteista.

EMX-7150:n kohdalla maksimiäänenpaineen kesto on harvinaisen korkealla – yli 140 dB SPL ja käytännön mittauksissa on dokumentoitu 145 dB SPL 3% THD:llä. Tämä tarkoittaa, että mikrofonilla voidaan tehdä luotettavia SPL-mittauksia myös konserttiolosuhteissa.

RTA-mittaus on lähin visuaalinen vastine sille, mitä me kuulemme

Real-Time Analyzer eli RTA on monelle ensimmäinen kosketus akustiseen mittaamiseen. Sen visuaalinen ilme – nousevat ja laskevat taajuusviipaleet – on lähimpänä oleva visuaalinen kuva siitä, miltä ääni kuulostaa: ”enemmän matalia, vähemmän keskialuetta, pieni nouseva piikki jossain diskantin puolella”. Tässä mielessä RTA on intuitiivinen – se näyttää juuri sen, minkä moni kokee kuulevansa.

Vaikka RTA toimii havainnollisena työkaluna, sen vahvuudet ovat rajoittuneita. Se ei kykene tunnistamaan aika- tai vaihe-eroja, eikä se osaa kertoa, mistä jokin taajuuspiikki johtuu: kuuluuko se kaiuttimesta, huoneesta, yleisön vislauksesta, vai yksinkertaisesti mittauspisteen akustisesta summauksesta.

Puutteistaan huolimatta RTA on käyttökelpoinen työkalu, esimerkiksi miksaustilanteessa. Sen avulla voidaan nopeasti ja korvakuuloa tarkemmin tulkita millä taajuudella orastava puhemikrofonin kierto tai humiseva bassorummun sointi sijaitsee. Monissa nykypäivän digimiksereissä RTA-näkymä onkin saatavilla jopa kanavakohtaisesti taajuuskorjaimen ”taustalle”. Tämä helpottaa edellä mainittujen ongelmien löytämistä. Vaihtoehtona on myös käyttää vaikkapa Smaartin kaltaista mittausohjelmistoa. Nokkelimmat ohjaavat Smaartin monikanavaiseen RTA-näkymään samanaikaisesti mikserin ulostulon, erillisen soolokuuntelun ja mittamikrofonin signaalin. Näitä vertailemalla voi havaita vaikkapa, onko jokin taajuuden korostuma jo itse miksatussa sisällössä, jossakin yksittäisessä kanavassa vai ilmestyykö se akustisten olosuhteiden myötä.

RTA-mittauksen suhteen mittamikrofonin tärkein ominaisuus on tasainen taajuusvaste. Järkevästi tulkittava RTA-näkymä perustuu yleensä jonkinlaiseen ajalliseen keskiarvoon ja äärimmäisen nopeat transientit, ja tämän myötä hetkelliset huippuäänenpaineet eivät ole mittauksen kannalta aivan kriittisimpiä.

Mutta jos halutaan ymmärtää ja tulkita äänijärjestelmiä syvällisemmin, tarvitaan jotain enemmän kuin RTA.

FFT ja Transfer Function

Fast Fourier Transform (FFT) ja siitä johdettu Transfer Function -mittaus vievät mittaamisen seuraavalle tasolle. Mittaustapa perustuu kahden signaalin vertailuun: alkuperäinen referenssisignaali ja tavallisimmin mikrofonilla mitattu ääni. Tällä mittaustavalla voidaan tutkia äänisignaalia myös eri kohdasta sähköistä signaaliketjua, ennen kuin se toimitetaan kaiuttimesta kuuluville. Kahta signaalia verratessa, voidaan tulkita, mitä signaalille on tapahtunut lähtö- ja mittauspisteen välillä – sekä taajuuden että ajan suhteen.

Tämän mittaustavan suurin etu on sen kyky paljastaa järjestelmän taajuusvaste ja vaihevaste. Tällä menetelmällä voidaan myös mitata esimerkiksi viive eri kaiuttimien tai elementtien välillä.

Mainittavaa on, että FFT-mittaus ei ole yksittäinen hetki, vaan tavallaan analyysi koko signaaliketjusta ja se paljastaa usein myös akustiikan aiheuttamia vaikutuksia. Ja kun mittaustapa perustuu eri signaalien suhteeseen keskenään, mittaus on vähemmän altis ympäristön satunnaiselle melulle tai hetkellisille poikkeamille – toisin kuin yksikanavaiset mittausmenetelmät. Ja tämä mittaustapa ei useimmissa tilanteissa ole lainkaan riippuvainen äänen voimakkuudesta, kunhan mitattava signaali on riittävästi ympäristön pohjamelua – esimerkiksi ilmastoinnin huminaa – voimakkaampi.

Mutta kuten aina, tarkkuus perustuu mittausketjuun: mikrofonin lineaarisuuteen, kalibrointiin ja siihen, ettei järjestelmä kuormitu missään vaiheessa liikaa. Tämä tuo meidät lopulta mittauksen fyysiseen todellisuuteen – koko signaaliketjun ymmärtämiseen.

Mittausjärjestelmä on ketju – ja jokainen osa on kriittinen

Vaikka mittamikrofoni on ensimmäinen ja näkyvin osa akustista mittausjärjestelmää, se on vasta yksi komponentti. Järjestelmä on aina ketju: mikrofoni – äänikortti tai mittari – ohjelmisto tai mittarin antama mittaustulos. Ja kuten ketjussa aina, sen heikoin lenkki määrää lopputuloksen.

Yksi tärkeä, mutta usein sivuutettu osa mittaustarkkuutta on mikrofonin herkkyys ja sen suhde äänikortin tulopuolen vastaanottokykyyn. Herkkyys kertoo, kuinka suuri jännite mikrofonista syntyy tietyllä äänenpaineella. Jos mikrofonin ulostulo on liian voimakas, äänikortti saattaa ylikuormittua jo ennen kuin mitattava äänenpaine saavuttaa maksimitasonsa. Tällöin mittaus jälleen vääristyy – ei siksi, että mikrofoni ei kestäisi ääntä, vaan siksi, että äänikortti ei kestä signaalia. Useimmat modernit ja edullisetkin äänikortit ovat taajuusvasteeltaan ja muilta ominaisuuksiltaan riittäviä sähköakustisiin mittauksiin, kunhan vain pidetään huolta, että mikrofonin ulostulotaso on sopiva.

EMX-7150 on suunniteltu tältä osin hyvin käytännönläheisesti. Sen herkkyys, noin 7 mV/Pa, tuottaa 140 dB SPL -tasolla vain hieman yli 5 dBu:n ulostulon – tämä sopii mainiosti useimmille äänikorteille ilman pelkoa signaalin klippaamisesta.

Kun koko mittausketju on kunnossa, voidaan luottaa saatuihin tuloksiin ja itse mittaaja voi keskittyä kysymään oikeita kysymyksiä ja tekemään mittaustulosten perustella oikeanlaisia toimenpiteitä, olivatpa ne sitten konserttitilanteen kokonaisvoimakkuuden hillitsemistä, kaiuttimen taajuusvasteen säätämistä tai kahden eri kaiuttimen välisen aikaeron korjaamista.

Kysymykseen, kuinka tulla hyväksi mittaajaksi, vastaus piilee oikeastaan itsessään. Mittaaminen on kuin minkä tahansa muun asian oppiminen, sitä oppii vain mittaamalla ja kokeilemalla. Ja aivan aluksi kannattaa poistaa esteet itse mittaamisen aloittamisesta. Rakenna itsellesi sellainen mittasetti, joka on nopea ja helposti otettavissa käyttöön. Voit aloittaa vaikka edullisilla välineillä ja ilmaissoftilla. Laitteistoa voi aina päivittää myöhemmin ammattimaisempiin työkaluihin, kunhan mittaamisessa on päässyt ensin alkuun. Oppimateriaalia mittaamiseen löytyy vaikkapa Rational Acousticsin support-sivustolta.