Pro gradu -tutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto

Transkriptio

1 Pro gradu -tutkielma Fysiikan opettajan suuntautumisvaihtoehto ANALOGISEN SYNTETISAATTORIN FYSIIKASTA OMATEKOISTEN VIRTAPIIRIEN KÄYTTÄMINEN ÄÄNEN LUOMISESSA JA MUOKKAAMISESSA Tuomas Kauramäki Ohjaaja: Heimo Saarikko Tarkastajat: Ari Hämäläinen Heimo Saarikko HELSINGIN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS PL 64 (Gustaf Hällströmin katu 2) 4 Helsingin yliopisto

2 Tiedekunta/Osasto Fakultet/Sektion Faculty Laitos Institution Department Fysiikan laitos Matemaattis-luonnontieteellinen Tekijä Författare Author Tuomas Kauramäki Työn nimi Arbetets titel Title Analogisen syntetisaattorin fysiikasta Omatekoisten virtapiirien käyttäminen äänen luomisessa ja muokkaamisessa Oppiaine Läroämne Subject Fysiikka (opettajan sv.) Työn laji Arbetets art Level Pro gradu tutkielma Aika Datum Month and year Sivumäärä Sidoantal Number of pages Tiivistelmä Referat Abstract Analoginen syntetisaattori on musiikki-instrumentti, jossa värähtely synnytetään virtapiireissä. Värähtelyä myös muokataan virtapiireissä, ja se ohjataan lopulta kaiuttimen kautta kuunneltavaksi ääneksi. Analogisen syntetisaattorin kehitys alkoi 9-luvun alussa samaan aikaan elektroniikan kehityksen kanssa. 96-luvulta lähtien syntetisaattorit ovat vakiinnuttaneet asemaansa musiikinteossa. Tekniikan kehitys on johtanut moniin uusiin syntetisaattoreihin ja äänenmuodostuskeinoihin. Tänä päivänä vanhoja analogisia syntetisaattoreita simuloivat ohjelmat ja laitteet ovat harrastajien suosiossa. Tutkimuksessa tarkastellaan analogisen syntetisaattorin toimintaa, ja siinä toimivaa niin sanottua vähentävää synteesiä. Siinä harmonisesti rikasta aaltomuotoa muokataan suodattimella. Lähtökohtana oleva aaltomuoto on usein jokin perusaaltomuoto, eli sakara-, pulssi-, kolmio- tai sahalaita-aalto. Suodattimen rajataajuutta ja resonassikorostusta muuttamalla vaikutetaan syntyvän äänen spektriin eli äänenväriin. Lisäksi syntetisaattorissa on erilaisia keinoja amplitudin ja äänenkorkeuden muokkaamiseksi. Analogisia syntetisaattoreita on käytetty fysiikan opetuksessa äänen demonstroimiseen, sillä sen avulla on helppo saada äänenväriltään erilaisia ääniä. Tutkimuksen tavoitteena on löytää halpoja ja helpporakenteisia virtapiirejä, joiden avulla voi koota omatekoisen analogisen syntetisaattorin. Tätä varten rakennettaviksi on valittu jänniteohjattuina toimivat oskillaattori, vahvistin ja tilanmuuttujasuodatin. Tämän lisäksi rakennetaan aaltomuodon muokkaamiseksi yksi piiri, alle 2 Hz taajuudella toimiva oskillaattori, yksinkertainen verhokäyrägeneraattori sekä valkoisen kohinan lähde. Tutkimusotteena on käytäntöä ja historiaa painottava lähestymistapa, ja teoreettinen virtapiirien käsittely on jätetty sivuun. Tavoitteena on rohkaista lukijaa rakentamaan itse virtapiirejä, ja näin edistämällä elektroniikkarakentelua myös motivoida fysiikan opiskelijoita elektroniikan pariin. Tutkimukseen valitut virtapiirit esitellään ja testataan. Virtapiirit toimivat pääosin tavoitteiden mukaisesti. Tulosten perusteella koekytkentälevyille on mahdollista rakentaa muutamien eurojen komponenteista toimivia äänilähteitä ja äänisignaalin muokkaajia. Avainsanat Nyckelord Keywords analoginen, syntetisaattori, elektroniikkarakentelu Säilytyspaikka Förvaringställe Where deposited Kumpulan tiedekirjasto, Gustaf Hällströminkatu 2, PL 68, 4 Helsingin yliopisto Muita tietoja Övriga uppgifter Additional information

3 SISÄLLYSLUETTELO JOHDANTO.... Syntetisaattorin määritelmä....2 Tutkimuksen tavoitteet ja metodit ÄÄNI JA SEN ANALYSOINTI Äänen korkeus Äänenvoimakkuus Perusmuotoiset värähtelyt ja spektrianalyysi Transientit ja modulaatiot osana ääntä... 3 ELEKTRONIIKAN PERUSTEITA Sähkön peruskäsitteet Passiiviset komponentit Aktiiviset komponentit Komponenteista laitteeksi SYNTETISAATTOREIDEN TOIMINTA Erilaiset synteesikeinot Tekniikan kehitys elektroniputkista transistoreihin Varhaiset syntetisaattorit Analogiset syntetisaattorit OMAN SYNTETISAATTORIN SUUNNITTELU JA TOTEUTUS Oman syntetisaattorin tavoitteet Valitut moduulit ja niiden toiminta Jänniteohjattu oskillaattori Aaltomuodon muokkaaja Matalataajuuksinen oskillaattori Jänniteohjattu vahvistin Verhokäyrägeneraattori Jänniteohjattu suodatin Kohinageneraattori Tarvittavat työvälineet ja komponentit Moduulien testaus ja mittaukset Piirien toimivuus ja jatkokehittely SYNTETISAATTORIN KÄYTTÄMINEN FYSIIKAN OPETUKSESSA Signaaligeneraattori fysiikan demonstraatiovälineenä Aiempia kokeiluja syntetisaattorilla Johtopäätöksiä opetuskäytön mahdollisuuksista YHTEENVETO...56 KIRJALLISUUSLUETTELO...57 LIITTEET A-A7 PIIRIKAAVIOT

4 JOHDANTO. Syntetisaattorin määritelmä Syntetisaattori määritellään sähköiseksi soittimeksi, jossa värähtely syntyy aluksi sähköisissä piireissä, joissa sitä myös muokataan. Syntetisaattorin synty ajoittuu 9- luvun alkupuoleen, jolloin sähköä alettiin hyödyntää ja useita sähköä hyödyntäviä keksintöjä syntyi. Syntetisaattori yleistyi terminä 96-luvulta lähtien, ja tänä päivänä sitä käytetään enemmän tai vähemmän tarkasti kuvailemaan erilaisia sähköisiä soittimia. Vuosikymmeniä kestänyt kehitys johti vähitellen siihen, että syntetisaattoria on alettu käyttää sen potentiaalin mukaisesti luomaan uusia ääniä ja uudenlaista musiikkia (Chamberlin 98, s. 5). Monia syntetisaattoreita soitetaan koskettimiston avulla, vaikka tämä ei olekaan ainoa tapa ohjata niitä. Toisaalta kaikkia sähköisiä kosketinsoittimia ei tarkemman määritelmän mukaisesti voi kutsua syntetisaattoreiksi, sillä niissä on hyvin vähäiset äänenmuokkauskeinot. Lisäksi erilaisissa sähköpianoissa sekä sähkökitarassa värähtely syntyy aluksi mekaanisesti, ja tätä värähtelyä vahvistetaan ja muokataan sen jälkeen sähköisesti. Sähköpianoa tai sähkökitaraa ei voi määritelmän mukaan kutsua syntetisaattoriksi. Ensimmäiset syntetisaattorit toimivat elektroniputkien avulla ja tuottivat suhteellisen yksinkertaista ja muuttumatonta ääntä. 96-luvulta lähtien kaupallista menestystä sai pieneen kokoon rakennetut ja transistoreja sisältävät analogiset syntetisaattorit. Mikropiirien kehittyessä myös syntetisaattorit saivat osansa digitaalisuudesta, ja täysin uudet äänisynteesikeinot syntyivät. 98-luvun alkupuolelta alkanut halpojen digitaalisten syntetisaattoreiden kausi on tehnyt syntetisaattoreista yleisiä. Syntetisaattorit ovat saaneet vakiintuneen aseman musiikintekijöiden ja -harrastajien keskuudessa. Tänä päivänä tietokoneohjelmat pystyvät simuloimaan aiempien syntetisaattoreiden toimintaa uskottavasti.

5 Syntetisaattori-sanan voi tulkita kahdella eri tavalla. Toisaalta se merkitsee keinotekoisen, synteettisen, äänen luojaa. Toisaalta tuo laite luo synteesin, yhdisteen, siihen syötetyistä signaaleista tai datasta. Yhtä kaikki, se on ihmisen rakentama instrumentti. Kuten kaikki muutkin soittimet viulusta pianoon, on sen suunnittelija ja rakentaja pyrkinyt luomaan laitteen, jota taiteilija voi käyttää itseilmaisuunsa. Analogisuus viittaa tässä yhteydessä jatkuvuuteen, joka on nyt sähköpiireissä jatkuvaa vaihtosignaalia. Analogisuuden vastakohtana voi pitää digitaalisuutta, jossa signaalin arvot ovat diskreettejä..2 Tutkimuksen tavoitteet ja metodit Syntetisaattoria voi käyttää fysiikan opetuksessa demonstraatiovälineenä signaaligeneraattorin sijasta. Syntetisaattorin avulla on mahdollista luoda juuri tietynlaista vaihtojännitettä, joka voidaan siirtää joko kaiuttimeen kuultavaksi ääneksi. Lisäksi signaalin voi ohjata oskilloskooppiin, jolloin aallon kuva saadaan näkyviin. Syntetisaattori tarjoaa myös uusia ja erilaisia tapoja demonstroida äänen väriä, aaltoliikettä ja kullekin musiikki-instrumentille ominaisia äänen syttymis- ja sammumistapoja eli ns. transientteja. Uudet ja vanhat täysin analogiset syntetisaattorit ovat tänä päivänä arvokkaita laitteita. Tietokoneohjelmat ja varta vasten suunnitellun mikropiirin sisältävät niin kutsutut virtuaalianalogiset syntetisaattorit ovat usein korvanneet vanhat laitteet (Välimäki & Huovilainen 25). Myös analogisten syntetisaattoreiden rakennussarjoja on myytävänä, ja harrastelijat kehittelevät omia laitteitaan. Nämä rakennussarjat ovat usein laadukkaita ja monipuolisia, ja siten vaativat erityisen piirilevyn ja useita kymmeniä komponentteja. Yksinkertaista ja helppotekoista itse rakennettavaa syntetisaattoria ei ole helposti löydettävissä. Voiko toimivan syntetisaattorin rakentaa yksinkertaisista ja pienistä piireistä? Tässä tutkimuksessa pyritään löytämään, rakentamaan ja testaamaan tuollaiset piirit. Useissa oppikirjoissa esitellään erilaisten oskillaattorien ja suodattimien piirikaavioita, mutta komponenttien arvojen laskeminen ja käytännön toteutus jää lukijan omaksi tehtäväksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena on löytää toimivia käytännön sovelluksia, ja näin rohkaista opettajia ja opiskelijoita rakentamaan itse omia piirejään koulussa tai kotona. 2

6 Aihepiirin käsittely pyritään pitämään käytännönläheisenä, jotta elektroniikkarakentelua vähemmänkin tehnyt lukija saisi perustietoa esimerkiksi komponenttien valintaan ja kytkentään liittyvistä asioista. Tutkimuksen lukijoiksi on tavoiteltu yläkoulun ja toisen asteen fysiikan opettajia, jolloin aiheen syvempi teoreettinen ja matemaattinen käsittely ei ole tarpeen. Tutkimuksen aihetta pohjustetaan fysiikan historian kannalta, jotta aiheen historiallisuus ja teknisten edistysten merkitys tulisi esille. Tämän tutkimuksen yhtenä tavoitteena on lisätä oppilaiden ja opiskelijoiden kiinnostusta ja motivaatiota fysiikkaa kohtaan. Tämän tavoitteen tutkiminen jää lukijan itsensä tehtäviksi. Aineistoa hankitaan kirjallisuudesta, muista kirjallisista lähteistä sekä internetistä. Valikoidut elektroniikkapiirit esitellään, rakennetaan ja testataan. Elektroniikkapiirien toimivuutta erikseen ja toisiinsa kytkettyinä testataan erilaisilla mittauksilla. Lisäksi arvioidaan laitteiden toimivuutta sekä niiden mahdollista käyttöä opetuksen ohessa demonstraatiovälineenä tai harrastajan itse rakentamana äänilaitteena. Odotettavana tuloksena on kokonaisuus, jonka opettaja, aloitteleva elektroniikan opiskelija tai harrastaja pystyy rakentamaan, ja jonka toiminta kattaa analogisen syntetisaattorin perustoiminnat. Laitteistoa ei luultavasti voi käyttää vakavampaan musiikin tekemiseen. 3

7 2 ÄÄNI JA SEN ANALYSOINTI Ääni on aaltoliikettä, joka taas on yleinen fysiikan ilmiöluokka. Jatkuvaan ja jaksolliseen aaltoliikkeeseen liittyy jaksonaika, jota usein nimitetään värähtelyn taajuudeksi. Aalloille on ominaista aaltojen summautuminen, eli superpositio. Musiikillista ääntä kuvataan yleisesti neljän eri parametrin avulla: äänen korkeus, äänen voimakkuus, äänen kesto sekä äänen sointiväri, jonka avulla voidaan erotella eri äänilähteiden äänet toisistaan. 2. Äänen korkeus Ääni on ilmassa tapahtuvaa ilmanpaineen vaihtelua. Korva havaitsee äänen, joka värähtelee 2 2 kertaa sekunnissa. Äänen taajuuden kasvaessa kuultavan äänen korkeus kasvaa myös. Taajuuden kasvaessa Hz:stä 2 Hz:iin, äänenkorkeus kasvaa selvästi. Toisaalta taajuuden kasvaessa 2 Hz:stä 2 Hz:iin äänenkorkeus ei muutu niin selvästi. Äänen taajuuden ja kuultavan äänenkorkeuden välinen relaatio on eksponentiaalinen, jolloin taajuuden kaksinkertaistuminen vastaa tietynsuuruista äänenkorkeuden kasvua. Musiikissa äänenkorkeudet ilmoitetaan suhteellisina, ja tätä taajuuden kaksinkertaistumista kutsutaan oktaaviksi. Länsimaisessa musiikissa yleisesti käytetyssä tasajakoisessa asteikossa kukin oktaavi on jaettu kahteentoista puolisävelaskeleeseen, joiden suhde on aina yhtä suuri. Oktaavin tapauksessa taajuusero 2 on 2, jolloin kahden vierekkäisen puolisävelaskeleen taajuusero on 2, Ääni syntyy usein värähtelevästä kappaleesta. Ääntä voi syntyä myös muissa tilanteissa, kuten räjähdyksistä tulevasta paineaallosta. Musiikki-instrumentit on jaoteltu niiden äänen syntymistavan mukaan: on kielisoittimia, puhaltimia, lyömäsoittimia ja niin edelleen. Musiikki-instrumentin voi ajatella koostuvan kolmesta osasta: värähtelevästä kappaleesta, äänensävyn muokkaajasta sekä ääniaaltojen levittäjästä. Sähköisissä syntetisaattoreissa värähtely ja äänen muokkaaminen tapahtuu omissa virtapiireissään, ja ääniaaltojen levittämiseen tarvitaan äänentoistolaitteisto kaiuttimineen. Ääni etenee ilmassa pitkittäisenä aaltoliikkeenä. Pitkittäisen aaltoliikkeen esittäminen kuvaajassa on hankalaa, ja siksi ääni esitetään usein poikittaisena aaltoliikkeenä. Oskillogrammiksi kutsutussa kuvaajissa pystyakselilla ilmaistaan värähtelyn amplitudi, ja 4

8 vaaka-akselilla värähtelyn hetki. Amplitudi on usein ilman yksikköä, sillä äänen todelliseen voimakkuuteen vaikuttaa äänilähteen ja havaitsijan etäisyys, eikä värähtelyn muoto muutu äänen todellisen voimakkuuden muuttuessa. Ajan suhteen muuttumaton ääni voidaan jakaa kahteen eri luokkaan: ääneen jonka sävelkorkeuden voi tunnistaa (kuva 2.), ja äänen jonka korkeutta ei voi määritellä (kuva 2.). Ensimmäiseen kategoriaan kuuluvat melodian soittamiseen kykenevät musiikkiinstrumentit, jälkimmäiseen ympäristön melu ja äänentoistolaitteiston tuottama kohina. amplitudi aika [ms] Kuva 2.. Ääntä josta sävelkorkeus on tunnistettavissa. amplitudi aika [ms] Kuva 2.2. Kohinaa josta ei voi tunnistaa sävelkorkeutta. 5

9 2.2 Äänenvoimakkuus Äänenvoimakkuutta kuvaava suure on beli, josta yleisesti käytetään sen kymmenesosaa vastaavaa desibeliä (db). Yhden belin muutos vastaa äänen intensiteetin kymmenkertaistumista. Perustasona olevassa db:ssä intensiteetti Yleisessä tapauksessa äänen voimakkuus I B = log db (2.), I I 6 2 = W / cm. intensiteetin ollessa I. Tällöin 2 db:ssä intensiteetti on, mw / cm 2, eli 2 -kertainen perustasoon verrattuna. Hyväkuuloinen ihminen voi juuri ja juuri kuulla db voimakkuudella olevan 2 khz:n sinimuotoisen äänen. Normaalin puheen voimakkuus on 5-6 db, ja kuulon kipuraja on noin 2 db. Desibeliä käytetään myös verrattaessa amplitudin suhteellista muutosta. Tällöin äänenvoimakkuutta kuvaava yhtälö on muotoa U o G = 2 log db (2.2), U missä i U o tarkasteltava amplitudi, ja U i on vertailutaso. Tämä vertailutaso on usein signaalin voimakkain amplitudi, jolloin sen äänenvoimakkuus on db. Pienemmät amplitudit saavat tällöin negatiivisia desibeliarvoja. 2.3 Perusmuotoiset värähtelyt ja spektrianalyysi Yksinkertaisin värähtely on siniaallon muotoista, ja se koostuu yhdestä taajuuskomponentista (kuva 2.3). Tällaista ääntä kutsutaan myös nimellä äänes, ja se on tällaisenaan harvoin kuultavissa. Värähtelyn taajuus f = (2.3), T jossa T on värähtelyn jaksonaika sekunneissa. Taajuuden yksikkö on hertsi (Hz). Sinisignaali ajanhetkellä t voidaan esittää trigonometrisessa muodossaan u ( t) = Asin(2π f t + φ) (2.4), 6

10 jossa A on signaalin amplitudi jaφ on vaihe. Usein vakiotekijästä ja taajuudesta koostuva termi korvataan kulmataajuudella ω = 2πf. Lineaarisen superposition mukaisesti vaihe ratkaisee signaalin muodon, kun amplitudiltaan ja taajuudeltaan kaksi samanlaista signaalia yhdistetään. Jos vaihe-ero on 8º, niin signaalit kumoavat toisensa. Sinifunktion ja kosinifunktion vaihe-ero on 9º. Äänisignaalien analysoinnissa tarkastellaan usein vain amplitudeja, eikä vaiheita. amplitudi aika [ms] amplitudi [db] taajuus [Hz] Kuva 2.3. Sinimuotoisen aallon muoto ja taajuusjakauma taajuuden ollessa 5 Hz. Useimmat kuultavat äänet sisältävät paljon muita taajuuksia. Perustaajuus on äänen matalin taajuus, ja sen perusteella kuulija arvioi äänenkorkeuden. Tämän lisäksi äänessä on korkeampi ylä-ääneksiä. Jos nämä ylemmät taajuudet ovat perustaajuuden monikertoja, niitä kutsutaan harmonisiksi ylä-ääniksi. Melun sisältämät taajuuden eivät ole minkään taajuuden monikertoja, eivätkä tällaiset äänet yleensä kuulosta kovinkaan miellyttäviltä tai musikaalisilta. Pianon äänessä ylä-äänekset eivät ole täysin harmonisia, minkä takia uskottavan keinotekoisen pianoäänen luominen on osoittautunut hankalaksi. Ääntä voidaan siis erotella sen äänenvärin mukaan, eli sen mukaan minkälaisia yläääneksiä se sisältää. Esimerkiksi viulun ja huilun äänet eroavat toisistaan, ja tätä voidaan tutkia mittaamalla näiden soitinten äänen taajuusjakaumaa eli spektriä. Orkesteriinstrumenteissa myös soiton voimakkuus vaikuttaa äänenväriin. Fourier esitti, että lähes mikä tahansa jaksollinen funktio voidaan esittää siniaaltojen ja vakioiden avulla summana. Trigonometrisessä muodossa tämä summa on 7

11 f ( k k t k = t) = ( a coskω t + b sin kω ) (2.5.), missä a k ja b k ovat amplitudeja, k kertoo monesko harmoninen tekijä on kyseessä ja ω on peruskulmataajuus. Perusaaltomuodot ovat yksinkertaisia ja symmetrisiä signaaleja, joille voidaan esittää omat Fourier-sarjat. Sakara-aallolle Fourier-sarja on 4 f ( t) = cos nωt (2.6.) π n n=,3,5,... eli sakara-aalto koostuu parittomista perustaajuuden monikerroista, jossa ylä-ääneksen amplitudi on kyseisen kertaluvun käänteisluku (kuva 2.4). Monikerrat ovat keskenään samassa vaiheessa amplitudi amplitudi [db] aika [ms] taajuus [Hz] Kuva 2.4. Sakara- eli kanttiaallon muoto ja simuloitu taajuusjakauma taajuuden ollessa 5 Hz. Kanttiaallon ääntä kuvaillaan ontoksi ja klarinetin tapaiseksi. Sakara-aalto on eräs tapaus pulssiaallosta, jossa signaali vaihtuu kahden tason välillä. Pulssiaaltoa kuvaileva määre on pulssin leveys, joka on ylätason ajan suhde koko jaksonaikaan. Kanttiaallon tapauksessa pulssin leveyden suhde on :2, joka usein ilmaistaan prosenttilukuna, eli kanttiaallolla pulssin leveys on 5 %. Yleisessä tapauksessa pulssiaallon amplitudi on nπ d A( n) = sin( ) (2.7.), n T missä n on harmonisen monikerran kertaluku, d on pulssin kesto ja T on jaksonaika. 8

12 Kun pulssin keston ja jaksonajan suhde on kokonaisluku, eli pulssinleveys on /m, missä m on kokonaisluku, niin joka m:nnen harmonisen ylä-ääneksen amplitudi on nolla (kuva 2.5) amplitudi amplitudi [db] aika [ms] taajuus [Hz] Kuva 2.5. Pulssiaallon, jonka pulssinleveys on %, muoto ja simuloitu taajuusjakauma taajuuden ollessa 5 Hz Kolmioaallolle Fourier-sarja on ( n ) / 2 8 ( ) f ( t) cos n t 2 = ω (2.8.) 2 π n n=,3,5,... Kolmioaalto koostuu parittomista monikerroista kuten sakara-aalto. Näistä monikerroista joka toinen on vastakkaisessa vaiheessa. Kolmioaallolla harmonisen monikerran amplitudi on kääntäen verrannollinen kertaluvun neliöön, eli ylä-äänekset vaimenevat hyvin nopeasti taajuuden kasvaessa (kuva 2.6) amplitudi amplitudi [db] aika [ms] taajuus [Hz] Kuva 2.6. Kolmioaallon muoto ja simuloitu taajuusjakauma taajuuden ollessa 5 Hz. Kolmioaalto kuulostaa hieman särmikkäältä siniaallolta. 9

13 Sahalaita-aallolle Fourier-sarja on n+ 2 ( ) f ( t) = sin nωt (2.9.) n π n= Sahalaita on ylä-ääneksiltään rikkain perusaalto (kuva 2.7). Kuten kolmioaallossa, niin sahalaita-aallossakin joka toinen monikerta on vastakkaisessa vaiheessa amplitudi amplitudi [db] aika [ms] taajuus [Hz] Kuva 2.7. Sahalaita-aallon muoto ja simuloitu taajuusjakauma taajuuden ollessa 5 Hz. Sen ääntä kuvaillaan teräväksi ja voimakkaaksi. Akustisissa musiikki-instrumenteissa värähtelyyn vaikuttavat monet eri tekijät, ja niiden spektrit poikkeavat hieman perusaaltojen vastaavista (kuva 2.8). Minkä tahansa signaalin spektriä voidaan tutkia nopean Fourier -muunnoksen avulla. Siinä ohjelmoitu algoritmi tekee signaalista Fourier-muunnoksen, ja tuloksena on tutkittavan signaalin taajuusjakauma. Tuloksen luotettavuuteen vaikuttaa laitteiston näytteenottotaajuus sekä tutkittavan signaalin kesto. Kohina on yksi esimerkki ei-musiikillisesta äänestä, jossa äänenkorkeutta ei voi tunnistaa eikä ääni koostu harmonisista monikerroista. Kohinaksi kutsutaan signaalia, joka sisältää laajan taajuusalueen kaikkia taajuuksia. Valkoiseksi kohinaksi kutsutaan signaalia, jossa signaalin amplitudi yhtä suuri kaikilla taajuuksilla. Vaaleanpunaisessa kohinassa korkeimmat taajuudet vaimentuvat, ja ihmisen kuuloaisti mieltää tämän kohinan äänensävyltään miellyttävämmäksi ja ei niin pistäväksi kuin valkoinen kohina.

14 amplitudi [db] taajuus [Hz] Kuva 2.8. Jousisoittimen spektriä 2.4 Transientit ja modulaatiot osana ääntä Äänen kesto oli yksi neljästä äänen kuvailuun käytetyistä parametreista. Äänen alkamisja loppumishetkien aikana äänenvoimakkuus muuttuu yleensä tietyssä ajassa, eikä ääni katkea aivan välittömästi. Äänenvoimakkuus voi vaihdella myös äänen keskivaiheella (kuva 2.9). Myös äänen korkeus ja taajuusjakauma voi vaihdella hetkestä riippuen. Äänen pienet muutokset eli transientit ovat ominaisia kullekin instrumentille. Vibrato on äänen korkeuden pientä vaihtelua. Tremolo on äänen voimakkuuden vaihtelua. Vibraton taajuus on useimmilla laulajilla ja instrumenttien soittajilla noin 7 Hz. Vibraton ja tremolon ratkaisevaa on myös niiden syvyys, eli kuinka paljon taajuus tai amplitudi todellisuudessa vaihtelee. amplitudi aika [s] Kuva 2.9. Viulun aaltomuotoa

15 Edellä esitellyt perusmuotoiset äänisignaalit kuulostavat monien korviin staattisilta, kun akustisten musiikki-instrumenttien äänet kuulostavat eläviltä. Elävyys johtuu pienistä ja jatkuvista muutoksista äänen sävyssä, korkeudessa, voimakkuudessa ja taajuuksien välisistä vaiheista. Monet elektronisen musiikin säveltäjistä pyrkivät eroon tällaisesta muuttumattomasta äänestä, ja haluavat ääneen eloa ja luonnollisuutta (Wells 98, 24). Tämä onnistuu lisäämällä ääneen modulaatiota ja erilaisia transientteja. 2

16 3 ELEKTRONIIKAN PERUSTEITA Elektroniikka on tekniikkaa, jossa sähköisiä signaaleja synnytetään, muokataan ja ohjataan. Elektroniikan ymmärtämiseksi on tunnettava sähkön peruskäsitteet ja yleisimmät elektroniikan komponentit. Seuraavaksi esiteltävät komponentit on jaoteltu passiivisiin ja aktiivisiin sen mukaan, vahvistavatko ne sähköä vai ei. 3. Sähkön peruskäsitteet Sähkö tarvitsee jonkin väliaineen, jota pitkin se voi kulkea. Virtapiirissä oleva jännite, virta tai yleisemmin signaali voi olla tasaista tai vaihtelevaa. Tasasignaalin napaisuus ei muutu ajan kuluessa. Vaihtosignaalissa toinen tasoista on usein maa, jolloin signaalin arvo tietyllä hetkellä voi olla jokin positiivisen ja negatiivisen huippuarvon väliltä. Jännite eli potentiaaliero kuvaa kahden pisteen välistä sähköistä eroa. Jännitteen yksikkö on voltti ( V). Jännitelähde voi olla paristo, verkkovirtamuuntaja tai vastaava laite, joka saa aikaan tietyn suuruisen jännitteen eli potentiaalieron (kuva 3.). Virtapiiri koostuu jännitelähteestä ja erilaisista komponenteista. Virtapiirin ollessa avoin, eli kun piiriin ei ole kytketty jännitelähdettä, tai piirissä on sähköinen katkos, ei piirissä tapahdu mitään. Kun virtapiiri suljetaan, kulkee siinä sähkövirta. Virran suuruus riippuu piiriin kytketyistä komponenteista. Virran yksikkö on ampeeri ( A). Kuva 3.. Kahdesta paristosta ja yhteisestä maasta koostuva kytkentä, jolla saadaan aikaan kaksipuolinen käyttöjännite erilaisille mikropiireille. 3

17 3.2 Passiiviset komponentit Vastus on elektroniikan käytetyimpiä komponentteja. Vastuksen perussuure on resistanssi, joka määritellään U R = (3..), I jossa U on jännite vastuksen napojen välillä ja I on vastuksen läpi kulkeva virta. Resistanssin yksikkö on ohmi ( Ω). Vastukset valmistetaan yleensä hiili- tai metallikalvosta, ja niiden resistanssi on, Ω - MΩ. Näiden vastusten arvon voi lukea niiden pinnassa olevista värikoodeista. Resistanssin arvon voi myös tarkistaa nopeasti mittaamalla sen yleismittarilla. Erilaiset vastukset eroavat niiden tehonkestossa sekä resistanssin tarkkuudessa. Käytännön elektroniikkarakentelussa,25 W tehonkesto on usein riittävä. Vastuksen tarkkuus on vastuksen ilmoitetun arvon ja todellisen arvon sallittu ero, ja se ilmaistaan prosenteissa. Yleisimmät tarkkuudet ovat ja 5 prosenttia. Säätövastus eli potentiometri on komponentti, jonka resistanssia voidaan muuttaa. Säätövastus voi olla kaksi- tai kolminapainen (kuva 3.2). Sen resistanssia säädetään pienellä ruuvimeisselillä tai käsin pyöriteltävällä nupilla. Säätövastus toimii jännitteen jakajana, jossa keskimmäinen napa toimii liikkuvana osana. Kuva 3.2. Vastuksen ja säätövastuksen piirrosmerkit Kondensaattori on toinen yleisimmin käytetyistä komponenteista. Kondensaattorilla muun muassa erotetaan tasasignaaleja ja suodatetaan korkeataajuista vaihtosignaalia. Kondensaattoriin varautuva sähkövaraus Q on integraali virrasta I joka latautuu ajassa t, eli Q = I dt (3.2.). Kondensaattorin perussuure on kapasitanssi C, joka kertoo kondensaattorin kyvystä varastoida varausta, ja se määritellään olevan Q C = (3.3.), U 4

18 jossa Q on kondensaattorin varaus ja U jännite kondensaattorin päiden välillä. Kapasitanssin yksikkö on faradi ( F). Elektroniikassa käytettyjen kondensaattorien kapasitanssit ovat yleensä hyvin pieniä. Kondensaattorin valintaan vaikuttaa tarvittava kapasitanssi ja käyttökohde. Tavallisesti kondensaattorit valmistetaan kerrostamalla metalli- ja eristelevyjä vuorotellen päällekkäin. Tällaisten kondensaattoreiden kapasitanssi on pf - μf. Suuremmilla arvoilla komponenttien koko kasvaa aina vain suuremmaksi. Elektrolyytti- ja tantaalikondensaattorien toiminta perustuu kemiallisiin reaktioihin, ja näillä päästään suurempiin kapasitansseihin. Elektrolyytti- ja tantaalikondensaattoreita käytettäessä on huomioitava niiden napaisuus (kuva 3.3), sillä väärin kytkettynä vaarana on komponentin vaurioituminen tai räjähtäminen silmille. Kuva 3.3. Tavallisen kondensaattorin ja elektrolyyttikondensaattorin piirrosmerkit. Kun sinimuotoinen jännite ohjataan kulkemaan yhden tai useamman passiivisen komponentin kautta, voi kytketyn jännitteen ja komponenttien kautta kulkevan virran vaiheessa olla eroa. Signaalin kulkiessa pelkän vastuksen kautta virta ja jännite ovat samassa vaiheessa. Kun signaali kulkee pelkän kondensaattorin kautta, niin virta on 9º jännitettä edellä. Yleisesti vaihtosignaalin tapauksessa voidaan puhua vastuksen ja kondensaattorin näennäisvastuksesta eli impedanssista, jonka yksikkö on vastuksen tapaan ohmi. Impedanssi koostuu kondensaattorin tapauksessa kompleksilukutekijästä, ja se on taajuudesta riippuva. Impedanssia käytetään hyväksi erilaisissa suodattimissa, joissa vaihtosignaalia vaimennetaan tietyillä taajuuksilla. Vastuksesta (R) ja kondensaattorista (C) koostuvassa alipäästösuotimessa (kuva 3.4), eli RC-alipäästösuotimessa matalilla taajuuksilla kondensaattorin impedanssi on suuri, minkä vuoksi tulojännite vaikuttaa lähes kokonaan kondensaattorin navoissa. Kun taajuus kasvaa, niin kondensaattorin impedanssi pienenee, kasvava jännitehäviö hukkuu vastukseen ja lähtösignaali pienenee samassa suhteessa. Tulo- ja lähtöjännitteen välinen 5

19 vaihesiirtokulma on matalilla taajuuksilla º, rajataajuudella 45º ja suurilla taajuuksilla 9º (kuva 3.5). Kun vastuksen ja kondensaattorin paikkaa vaihdetaan keskenään, saadaan RC-ylipäästösuodatin (kuva 3.4), jonka toiminta on päinvastaista. Kuva 3.4. RC-ali- ja ylipäästösuodatin. Myös elektroniikassa käytetään desibeliä kuvaamaan signaalin voimakkuutta. Tällöin verrataan vaihtojännitteen amplitudia johonkin vertailutasoon, jolloin laskukaava on vastaava kuin äänen amplitudin tapauksessa (kaava 2.2). Suodattimien toiminnassa ratkaisevaa on rajataajuus, jossa signaalin vaimeneminen alkaa. Vaimeneminen alkaa vähitellen, ja rajataajuudella (kuvan 3.5 tapauksessa 59 Hz) signaali on vaimentunut 3 db. Suodattimen jyrkkyys kuvaa sitä, kuinka tehokkaasti suodatin vaimentaa estokaistalla olevaa signaali. Kuvan 3.4 RC-suodattimilla jyrkkyys on 6 db oktaavia, eli taajuuden kaksinkertaistumista, kohden. vahvistus [db] taajuus [Hz] vaihe-ero asteissa taajuus [Hz] Kuva 3.5. RC-alipäästösuodattimen taajuusvaste ja vaihe-ero, kun C = μ F. R = kω ja Diodi koostuu kahdesta navasta, anodista ja katodista (kuva 3.6). Teoreettisesti diodi päästää virran kulkemaan vain, kun anodin kautta katodille on kytketty positiivinen jännite. Käytännössä negatiivisilla jännitteillä diodin kautta kulkee nanoampeerin 6

20 suuruusluokkaa oleva pieni vuotovirta, ja positiivisella jännitteellä virta kasvaa eksponentiaalisesti, kun kynnysjännite (noin,5 V) on ylitetty. Diodi on puolijohdekomponentti, ja sen toiminta perustuu kahteen toisiinsa liitettyyn aineeseen, joista toisessa on vapaita varauksenkuljettajaelektroneja (n-tyyppinen puolijohde), ja toisessa näitä vastaavia aukkoja (p-tyyppinen puolijohde). K A Kuva 3.6. Diodin piirrosmerkki ja oikean komponentin ulkoasu. 3.3 Aktiiviset komponentit Transistori on virran vahvistukseen soveltuva komponentti. Transistorissa on kolme osaa, kanta (B), kollektori (C) ja emitteri (E) (kuva 3.7). Kannan kautta emitterille kytkettävällä pienellä virralla voidaan ohjata suurta kollektorilta emitterille kulkevaa virtaa. Transistori on diodin tapaan puolijohdekomponentti. Transistorissa on liitetty kaksi pn-liitosta toisiinsa, joiden keskinäinen liitostapa määrää, onko transistori npn- vai pnp-tyyppiä. Nämä transistorityypit eroavat siinä, että niissä virtojen ja jännitteiden suunnat ovat vastakkaismerkkiset. C B E Kuva 3.7. Npn- ja pnp-transistorin piirrosmerkit, sekä tavallisen npn-transistorin todellinen ulkoasu. Mikropiiri on yhdelle piipalalle rakennettu komponentti, joka sisältää kymmeniä tai tuhansia pieniä transistoreja, diodeja, vastuksia ja kondensaattoreita. Mikropiirejä valmistetaan eri tarkoituksiin ja erikokoisina. Elektroniikkarakenteluun sopivat mikropiirit on koteloitu muutaman senttimetrin kokoiseksi levyksi, jossa liitäntänastat ovat kahdessa rivissä (kuva 3.8), ja nastojen välimatka on 2,54 mm. 7

21 Kuva 3.8. Mikropiirien kytkentänastat, kun mikropiirissä on yksi tai useampi operaatiovahvistin. Ylhäällä oleva puolikaari tai sitä vastaava pieni ympyrä osoittaa ensimmäisen kytkinnastan (vasen ylänurkka) paikan. Operaatiovahvistin on käytetyimpiä analogisia mikropiirejä. Operaatiovahvistimen avulla voidaan tehdä erilaisia elektronisia toimintoja eli operaatioita. Sillä on kaksi sisäänmenoa: invertoiva eli signaalin kääntävä, jonka merkkinä on miinus, sekä ei-invertoiva eli eikääntävä, jonka merkki on plus. Operaatiovahvistimella on yksi ulostulo, jonka vertailutasona on käyttöjännitteen kanssa yhteinen maataso. Toimiakseen operaatiovahvistin vaatii usein kaksipuolisen käyttöjännitteen (kuva 3.), jota ei yleensä merkitä piirikaavioihin (kuva 3.9). Mikropiirissä ylimääräiseksi jäävän operaatiovahvistimen sisäänmeno- ja ulostulonapoja ei saa jättää kytkemättä (kuva 3.), sillä kytkemätön vahvistin voi aiheuttaa häiriöitä muiden vahvistimien toimintaan. Kuva 3.9. Operaatiovahvistimen piirrossymboli. Ideaalimallissa operaatiovahvistimen ulostulo pyrkii pitämään sisäänmenojen jännite-eron nollana. Sisäänmenoihin ei kulje virtaa, eli operaatiovahvistimen sisäänmenoresistanssi on äärettömän suuri. Lisäksi operaatiovahvistimen jännitevahvistus ja taajuusalue ovat äärettömän suuria, ja ulostuloresistanssi on nolla. Näiden ominaisuuksien takia operaatiovahvistinta voidaan käyttää jännitteenseuraajana eli puskurivahvistimena (kuva 8

22 3.), jolla eri virtapiirit tai niiden osat voidaan yhdistää toisiinsa niin, että kytkentä ei vaikuta niiden suunniteltuun toimintaan. Kuva 3.. Mikropiirissä ylimääräiseksi jäävän operaatiovahvistimen kytkentä, jolla vältetään häiriöt mikropiirin muiden operaatiovahvistimien toiminnassa. Kuva 3.. Operaatiovahvistimen kytkentä puskurivahvistimeksi. Operaatiovahvistimen käyttö liittyy sen takaisinkytkentään, jossa ulostulosignaali ohjataan toiseen sisäänmenoon. Negatiivisessa takaisinkytkennässä kytkettävän signaalin vaihe on vastakkainen, mikä pienentää vahvistusta mutta parantaa vahvistimen muita ominaisuuksia. Positiivisessa takaisinkytkennässä vahvistus kasvaa, ja kytkentä voi alkaa värähdellä omaa signaalia, eli oskilloida. Oskillaattoriksi kutsutaan sellaista virtapiiriä, jonka ulostulosignaali vaihtuu tietyn jaksonajan mukaan. Operaatiovahvistimen tavallisimpia kytkentöjä esitellään lähemmin tutkimukseen valittuja piirejä tarkasteltaessa (luku 5.2). Siirtokonduktanssinen operaatiovahvistin, eli lyhyemmin OTA (operational transconductance amplifier), on suosittu komponentti analogisissa syntetisaattoreissa, sillä sen avulla voi helposti rakentaa oman jänniteohjatun oskillaattorin, vahvistimen sekä suodattimen (Gratz 26). OTA koostuu operaatiovahvistimen tapaan kahdesta sisäänmenosta ja yhdestä ulostulosta (kuva 3.2). OTA:n ulostulosignaalia ohjataan virralla, ja ulostulosignaali on virtaa, toisin kuin operaatiovahvistimessa. OTA:n 9

23 sisältävissä mikropiireissä on usein myös sisäänrakennettuna oma jännitteenseuraaja (kuva 3.3). Kuva 3.2. Siirtokonduktanssisen operaatiovahvistimen eli OTA:n piirrosmerkki. Kuva 3.3. Mikropiiri, joka sisältää kaksi erillistä siirtokonduktanssista operaatiovahvistinta. Mikropiirissä on lisäksi erilliset transistoreista koostuvat puskurivahvistimet. 3.4 Komponenteista laitteeksi Edellä esitetyistä komponenteista voidaan piirtää piirikaavio, joka kuvaa tiettyä tarkoitusta varten suunnitellun laitteen virtapiiriä. Piirikaavio kuvaa piirrosten avulla komponenttien keskinäistä kytkentää. Todellisten komponenttien kytkemistä varten piirille suunnitellaan usein varta vasten oma piirilevy. Usein piirilevyn toisella puolella on eri suuntaan risteileviä kuparikaistoja, ja toiselle puolelle komponentit asetellaan oikeilla kohdilla olevien reikien läpi, ja juotetaan kiinni kuparipuolelle. Virtapiiri voidaan koota myös erityisille koekytkentä- tai vero-levyille. Piirikaavion piirtämistä ja piirilevyn suunnittelua varten tietokoneohjelmien käyttö on erittäin hyödyllistä. 2

24 Tietokoneohjelmilla voi myös simuloida piirin toimintaa, jolloin voi tarkastella virtojen ja jännitteiden arvoja piirin eri kohdissa, sekä erilaisten signaalien käyttäytymistä piirissä. Analogisissa virtapiireissä komponenttien oma kohina on ratkaisevaa erityisesti oskillaattorien värähtelyjen syntymiselle. Tällöin oskillaattorien simuloinnissa voi joutua lisäämään virtapiiriin ylimääräisen lyhytkestoisen pulssin (Ferris & Hamann 996). 2

25 4 SYNTETISAATTOREIDEN TOIMINTA Syntetisaattori on musiikki-instrumentti, jossa värähtely syntyy sähköpiireissä, joissa sitä myös muokataan sähköisesti. Tässä luvussa esitellään syntetisaattorien syntyyn vaikuttaneita sähkötekniikan kehitysvaiheita, ja esitellään tarkemmin yhtä äänenmuodostustapaa: analogista ja vähentävää synteesiä. 4. Erilaiset synteesikeinot Jatkuva musiikillinen ääni koostuu perustaajuudesta ja sen yläpuolisista ylätaajuuksista (katso luku 2.2). Ylätaajuuksia muokkaamalla saadaan synnytettyä erilaisilta kuulostavia ääniä, joille voi olla todellisia instrumentteja vastaavat vastineet. On monia erilaisia keinoja tuottaa ääntä täysin sähköisesti, ja niistä yksinkertaisimmat ovat lisäävä ja vähentävä synteesi. Lisäävässä synteesissä ääni luodaan usein puhtaista siniaalloista, jotka summataan yhteen. Siniaallot ovat yleensä toistensa monikertoja, ja niiden välistä voimakkuutta muuttamalla saadaan erilaisia äänensävyjä aikaiseksi. Tämä vaatii useita oskillaattoreita, ja niiden välisen voimakkuuden muuttaminen voi olla kankeaa äänensävyn muuttamisessa. Vähentävässä synteesissä lähdetään liikkeelle harmonisesti rikkaasta äänestä, kuten sahalaita-aallosta. Tätä ääntä suodatetaan yleensä ali- tai ylipäästösuodattimella. Näin äänen sävyä saadaan muokattua haluttuun suuntaan. Äänensävyn muuttaminen onnistuu muokkaamalla suodattimen toimintaa, eli leikkaustaajuutta jossa suodatus alkaa, sekä mahdollista korostusta eli resonanssia tuolla taajuudella. Muita keinoja sähköiseen äänensynteesiin on monia. Analogisissa syntetisaattoreissakin toimiva keino on taajuusmodulaatio, jossa yhden oskillaattorin taajuutta muutetaan signaalilla, joka tulee toisesta äänitaajuudella toimivasta oskillaattorista, jolloin tuloksena on täysin uusia ylä-ääneksiä. Tätä FM-synteesiksi kutsuttua keinoa käytettiin digitaalisessa Yamaha DX-7 -syntetisaattorissa, joka on myydyimpiä ammatti- ja kotikäyttöön tarkoitettuja syntetisaattoreita. 22

26 Digitaalisten syntetisaattoreiden keinot voidaan jakaa neljään eri luokkaan (Tolonen et al 998). Luokkina ovat: abstraktit keinot, kuten taajuusmodulaatio äänen tallennukseen (sampling) perustuvat keinot spektrin mallinnus fysikaalinen mallinnus Digitaalisilla syntetisaattoreilla ja tietokoneilla toimivat erilaiset ohjelmat, ja äänen tallennukseen perustuvan synteesin avulla voidaan helposti tuottaa oikealta instrumentilta kuulostava ääni. 4.2 Tekniikan kehitys elektroniputkista transistoreihin Elektroniikan synty ajoittuu 8-luvun lopulle. Vuonna 88 Thomas Edison teki tärkeän löydön yrittäessään vähentää hehkulamppujen tummumista. Tummumisen tiedettiin johtuvan hehkulangasta lähtevistä hiukkasista, joten Edison päätti tutkia ovatko hiukkaset sähköisiä ja voiko niitä pysäyttää metallinpalalla eli elektrodilla, joka on asetettu kuvun sisään. Kokeessa hänellä oli hehkulampun sisällä hehkulangan toinen pää ja elektrodi. Kun elektrodin ja hehkulangan väliin kytketty paristo oli elektrodin negatiivisessa navassa ja hehkulamppuun oli kytketty toinen paristo, niin mitään ei tapahtunut. Kun elektrodi oli positiivisessa navassa ja hehkulankaa hehkutettiin samalla toisella paristolla, niin lampun kautta kulki sähkövirta. Edisonin patentoi löytönsä, jota voitiin käyttää sähkövirran mittarina. Joseph John Thomson keksi vuonna 897 elektronin, jonka avulla edellä kuvattu Edisonin ilmiö voitiin selittää elektronien siirtymisenä hehkulangasta elektrodiin. John Ambrose Fleming tutki Edisonin ilmiötä ja huomasi, että tällainen Edisonin elektrodilla varustettu lamppu toimii sähkövärähtelyjen tasasuuntaajana, sillä se päästää virtaa kulkemaan vain toiseen suuntaan. Hänelle myönnettiin patentti vuonna 95 tällaiselle laitteelle, jota nykyään kutsutaan putkidiodiksi. Fleming oli tällöin Marconiyhtiön palveluksessa, eikä voinut kehittää keksintöään eteenpäin. Amerikkalainen Lee de Forest kehitti Flemingin tuloksista tietoisena diodia edelleen, ja sai lopulta oman patentin triodiinsa nimeltään Audion, johon oli lisätty kolmas elektrodi (Lindell 994, 347). De 23

27 Forest havaitsi, että triodia pystyi käyttämään signaalin vahvistamiseen ja oskillaattorina suuritaajuiselle värähtelylle. Hieman myöhemmin putkitriodia parannettiin vielä tyhjiöimällä putken sisäosa. Näin oli syntynyt elektroniputki. Amerikkalainen Edwin Armstrong keksi vuonna 93 regeneratiivisen piirin, jonka avulla elektroniputkesta saatiin enemmän vahvistusta. Kytkemällä vahvistimen ulostulosta osa signaalista takaisin sisäänmenopiiriin vahvistettava signaali vahvistui enemmän. Suurentamalla takaisinkytkentää vahvistus kasvoi, kunnes piiri alkoi värähdellä omaa signaaliaan. Elektroniputkien huonoina puolina oli suuri koko, lämpeneminen ja toimintavarmuus. Jo 8-luvun puolella saksalainen Roschenschold oli löytänyt puolijohteen, joka tasasuuntaa vaihtovirtaa (Dunsheath 962, 288). 92-luvun puolivälistä puolijohteiden tutkimus kasvoi, ja eri aineyhdistelmiä kokeiltiin. Transistori syntyi vuosina Bellin laboratorioiden kehitellessä parempaa tapaa kytkeä puhelukeskuksissa puheluita automaattisesti (Atherton 984, 7). Transistorin kehittäjät, John Bardeen, William Schockley ja Walter H. Brattain, saivat tästä työstään Nobelin palkinnon vuonna 956. G. W. A. Dunner esitti vuonna 952 ajatuksen pieneen tilaan rakennetusta tiettyä toimintoa tekevästä piiristä, joka ei sisältäisi ylimääräisiä johtoja, vaan olisi rakennettu kerrostamalla eri materiaaleja. Jo seuraavana vuonna Harwick Johnson patentoi tällaisen transistoreista koostuvan mikropiirin, joka toimi RC-vaiheensiirto-oskillaattorina. (Atherton 984, 25). 96-luvun alussa oli kaupallisesti saatavilla erilaisia mikropiirejä usean firman kautta. Mikropiirit tarjosivat erillisistä komponenteista rakennettuihin piireihin verrattuna pienempää kokoa, massaa, luotettavuutta ja virrankulutusta. Myös valmistuskustannukset olivat suuremmissa erissä pienempiä. Mikropiireille pystyttiin sisällyttämään yhä enemmän transistoreja, vastuksia ja kondensaattoreja. 97-luvun lopulla Solid State Music ja Curtis Electronics kehittivät varta vasten analogisiin syntetisaattoreihin tarkoitettuja mikropiirejä, joita pienemmät firmat ja harrastajat pystyivät käyttämään. Suuret soitinrakentajat, kuten Roland ja Yamaha, pystyivät kehittelemään ja rakentamaan aivan omia mikropiirejään. Nykypäivänä mikropiirejä on useissa laitteissa, erityisesti tietokoneissa ja kännyköissä. 24

28 4.3 Varhaiset syntetisaattorit Ensimmäiset kokeilut tuottaa ääntä täysin sähköisesti ajoittuu aikaan ennen elektroniputken kehittämistä. Ensimmäisiä sähköisiä musiikki-instrumentteja oli Jean- Baptiste Delaborden sähköinen cembalo (Clavecine Électrique) vuonna 759 sekä Elisha Grayn koskettimistolla varustettu soitin (Musical Telegraph) vuonna 874. C. G. Page kehitti 837 magneettien ja käämien avulla sähköisen ääniraudan. Vuonna 899 William Duddell ohjasi kaduilla olevien valokaarilamppujen synnyttämää ulinaa muuttamalla niiden käyttämää jännitettä. Nämä olivat melko yksinkertaisia laitteita, ja niiden äänenväriä ei pystynyt muokkaamaan. Vuonna 897 yhdysvaltalainen keksijä Thaddeus Cahill haki patenttia laitteelle, jonka tarkoituksena oli levittää musiikkia puhelinlankoja pitkin ihmisten koteihin. Vuonna 96 julkisuuteen esitelty Cahillin kehittämä Telharmonium (toiselta nimeltään Dynamophone) koostui useista dynamoista, jossa pyörivän renkaan viereen on asetettu käämin sisällä oleva magneettinen pää. Yksi dynamo vastasi yhden sävelen yhdestä äänikerrasta. Jokainen sävel koostui taas useista äänikerroista, ja muuttamalla näiden äänikertojen välistä voimakkuutta pystyttiin muokkaamaan äänen sävyä. Keksintö oli aikaansa edellä, mikä lopulta koitui sen kohtaloksi. Tuohon aikaan ei ollut mitään keinoja vahvistaa sähköistä signaalia, ja niin tämän koskettimistolla soitettavan instrumentin massaksi tuli noin 2 kg. Lisäksi äänen siirtäminen puhelinlinjoja pitkin häiritsi puheluita, joten Telharmoniumin kohtaloksi tuli laitteiston purkaminen ennen aikojaan. Laurens Hammond kehitteli Cahillin keksintöä edelleen, ja vuonna 935 Hammond esitteli pyöriviin generaattoreihin perustuvan sähköurkunsa. Tällainen laite on itse asiassa sähkömekaaninen, eli mekaaninen liike muutetaan sähkösignaaliksi, jota myöhemmin muokataan. Hammond-uruista tuli suosittuja ja vielä nykyäänkin arvostettuja instrumentteja. (Manning 993, ) Vuonna 99 neuvostoliittolainen keksijä Lev (Leon) Theremin esitteli instrumentin, jota aluksi kutsuttiin nimellä Aetherophone ja myöhemmin pelkästään nimellä Theremin. Laite rakentui kahdesta elektroniputkesta koostuvasta 3 khz:n korkeataajuuksisesta oskillaattorista ja kahdesta antennista. Toisen oskillaattorin taajuus oli kiinteä, ja toisen oskillaattorin taajuutta muutettiin. Kun nämä signaalit yhdistettiin ja ajettiin 25

29 alipäästösuodattimen läpi, niin tuloksena oli kuuloalueelle sijoittuvaa yksinkertaista ääntä. Theremin on tunnettu sen omaperäisestä soittotavasta, sillä toisessa oskillaattorissa olevan kondensaattorin kapasitanssia muutettiin liikuttamalla kättä kauemmas ja lähemmäs laitteessa olevasta antennista. Toisella kädellä kontrolloitiin toisen antennin avulla ulostulevan signaalin voimakkuutta. Tuloksena oli siis ainutlaatuinen äänilähde, jossa äänen korkeus ja voimakkuus liukui. Toisaalta soitinta kuvailtiin vaikeaksi soittaa ja hallita tarkasti. Ranskalainen Maurice Martenot rakensi vuonna 928 soittimen nimeltään Ondes Musicales (myöhemmin Ondes Martenot). Ondes Martenot oli Thereminin tapaan elektroniputkista rakennettu, ja siihen kuului erilaisia kaiutinelementtejä erilaisten äänensävyjen tuottamiseen. Ensimmäisissä versioissa äänen korkeutta ohjattiin vetämällä sormustimella varustettua johtoa edestakaisin, mikä tuotti liukuvaa ääntä. Vuonna 947 esitelty versio koostui sormustimen lisäksi koskettimistosta. Äänen syttymis- ja sammumisvoimakkuutta sekä äänensävyä muokattiin vasemmalla kädellä liukukytkimen avulla. Martenot kehitteli instrumentin varta vasten klassista musiikkia varten, ja hän saikin eri säveltäjiä, kuten Olivier Messiaenin ja Edgar Varèsen säveltämään teoksia tälle instrumentille. Friedrich Trautwein kehitteli Berliinin musiikkiakatemian sekä Telefunken- ja AEG - yhtiöiden avustuksella Trautonium-syntetisaattorin vuonna 93. Trautoniumin oskillaattori kehitti sahalaita-aaltoa, jonka taajuus riippuu jännitteestä. Käytännössä taajuus valittiin painonapeilla. Painalluksen voimakkuus vaikutti syntyneen liitoksen resistanssiin, mikä vaikutti ulostulevan äänen voimakkuuteen. Lisäksi ääni ohjattiin alipäästösuodattimeen. Trautonium oli ensimmäisiä teollisesti valmistettuja syntetisaattoreita, valmistusmäärän ollessa 5- kappaletta. Theremin, Ondes Martenot sekä Trautonium olivat merkittäviä teknologian kehitysaskelia. Ne eivät kuitenkaan vakiinnuttaneet asemaansa sinfoniaorkestereissa, eivätkä ne olleet edullisia kotikäyttöön (Rossing 22, 599). Vuosien 92-5 välillä esiteltiin monia kymmeniä muita sähköisiä soittimia, joista osa oli varustettu koskettimistolla. Osa näistä soittimista perustui valosähköiseen ilmiöön, jolloin pyörivän 26

30 ja erityisesti leikatun levyn läpi päästettävä valo muutettiin sähkösignaaliksi. Osa näistä oli sähkömekaanisia, joissa ensimmäinen värähtelyn lähde oli pianon tai vastaavan soittimen kieli. Radio Corporation of America (RCA) esitteli vuonna 955 laitteen nimeltään Electronic Music Synthesizer. Tämä Harry F. Olsonin ja Herbert Belarin suunnittelema laite toimi sekä sähköisen äänen luojana että automatisoituna soittimena. Säveltäjä siirsi sävellyksensä erillisen laitteen avulla paperirullalle, johon oli puhkaistu tietyt pisteet. Itse syntetisaattori luki nämä paperit ja muutti nämä tiedot ääneksi. Ääni muodostettiin 2 sinioskillaattorin avulla, joista kukin vastasi yhtä sävelkorkeutta tietyllä oktaavialalla. Erikseen valitsimesta valittiin itse oktaavialue kahdeksan oktaavin vaihtoehdosta. Siniaalto ohjattiin muokkaajaan, joka muutti sen sahalaita-aalloksi. Lisäksi laitteessa oli verhokäyrägeneraattoreita (ks. luku 4.4.), kohinageneraattoreita, matalataajuuksisia oskillaattoreita tremolon ja vibraton aikaansaamiseksi, suodatin resonanssikorostuksella, sekä äänenvoimakkuuden säätömahdollisuuksia. Laite oli seitsemän kaapiston kokoinen, eli ei kovin helposti kuljeteltava. 4.4 Analogiset syntetisaattorit Analogiseksi syntetisaattoriksi määritellään yleensä laite, jonka virtapiireissä sähkösignaalia voi synnyttää ja muokata melko vapaasti. Ensimmäiset syntetisaattorit olivat vain koskettimiston avulla ohjattavia laitteita, joissa äänen sävyn muokkaamiseksi piti käsin pyörittää potentiometrejä. Harald Boden artikkeli vuodelta 96 esitteli ajatuksen transistoreja sisältävästä ja erillisistä moduuleista koostuvasta laitteistosta, jolloin äänisignaalia ja sen ohjaussignaaleja voitiin yhdistää eri moduulien välillä (Manning 993, 7). Boden idean toteutti käytännössä ensimmäisenä Robert Moog, joka esitteli vuonna 964 jänniteohjatun oskillaattorin ja vahvistimen. Jänniteohjauksessa syntetisaattoreiden eri osioita voitiin ohjata ulkopuolisella jännitteellä, ja näin automatisoida tiettyjä toimintoja. Esimerkiksi matalataajuuksinen oskillaattori voi moduloida äänitaajuusoskillaattorin taajuutta, tai suodattimen rajataajuutta. Moogin syntetisaattorissa eri moduuleista koostuva kokonaisuus oli ensimmäisiä toimivia ja monipuolisia analogisia 27

31 syntetisaattoreita. Samoihin aikoihin toisella puolella Yhdysvaltoja Don Buchla kehitteli myös syntetisaattoreita, jotka olivat monimutkaisempia ominaisuuksiltaan ja käytöltään. Moogin tekemät laitteet saavuttivat suurempaa suosiota ja ne mullistivat vähitellen koko syntetisaattorialan. Analogiset syntetisaattorit ovat perusteiltaan hyvin samanlaisia, eli niissä on samoja toimintoja tuottavat osiot. Modulaarisessa syntetisaattorissa osiot ovat erillisinä laitteinaan, moduuleina, jotka yhdistetään toisiinsa erillisillä johdoilla. Integroidussa syntetisaattorissa eri osiot ovat yhden laitteen sisällä, ja niiden tavanomaiset kytkennät on tehty valmiiksi, ja niitä voi halutessaan muuttaa painikkeilla tai muilla tavoin. Ohjaussignaalia eli vaihtojännitettä tuottaa usein koskettimisto, sekvensseri tai matalataajuuksinen oskillaattori. Koskettimistossa kukin kosketin vastaa tiettyä taajuutta, ja usein V:n muutos vastaa äänenkorkeudessa yhden oktaavin muutosta. Sekvensseri on laite, johon voidaan tallentaa tietty määrä ohjaussignaalin arvoja. Sekvensserissä erillisen kellopulssin mukaan jokainen ohjaussignaalin arvo käydään vuorollaan läpi, ja näin melodiankulku voidaan automatisoida jatkuvasti soivaksi. Matalataajuuksinen oskillaattori (usein käytetään lyhennettä LFO, low-frequency-oscillator) tuottaa jotain perusaaltomuotoa, jonka taajuus on, 2 Hz. Jänniteohjattu oskillaattori (VCO, voltage-controlled-oscillator) tuottaa muokattavan ns. raakaäänen. Jännitteen avulla ohjataan signaalin taajuutta. Jännitteen ja taajuuden välinen relaatio voi olla lineaarista, mutta useimmin se on eksponentiaalista, mikä vastaa äänenkorkeuden ja taajuuden vastaavaa eksponentiaalista relaatiota. Eksponentiaalisen jänniteohjauksen etuna on yksinkertaisempi koskettimiston rakenne, sekä se, että kun taajuutta moduloidaan matalataajuuksisen oskillaattorin tietyllä amplitudilla, aiheuttaa se aina yhtä suuren äänenkorkeuden muutoksen. Äänitaajuudella (2-2 Hz) toimiva jänniteohjattu oskillaattori tuottaa usein jotain muuta aaltomuotoa kuin siniaaltoa. Yleensä käytössä on harmonisesti rikkaampia aaltomuotoja, kuten kolmio-, sakara- tai sahalaita-aalto, tai jokin niiden välimuoto. Usein on mahdollista valita vapaasti jokin näistä aaltomuodoista, ja joissain tapauksissa esimerkiksi pulssin leveyttä voi muokata käsin potentiometrillä, tai ohjaamalla jokin ohjaussignaaleista pulssin leveyttä 28

32 muuttamaan. Yleensä äänitaajuudella toimivia oskillaattoreita on kaksi, jotka yhdistetään omassa mikserissään, jotta äänensävyyn saataisiin enemmän vaihtelua erilaisilla yläääneksillä. Suodatin voi olla yli-, ali- tai kaistanpäästösuodatin. Ylipäästösuodatin suodattaa matalimmat taajuudet pois. Alipäästösuodatin suodattaa korkeimmat taajuudet pois, ja tämä onkin käytetyin suodatin analogisissa syntetisaattoreissa, kun korkeita taajuuksia sisältävästä aallosta halutaan korvaa miellyttävämpi ääni. Kaistanpäästösuodatin on kuin yhdistelmä yli- ja alipäästösuodattimesta, eli se päästää ääntä tietyllä taajuuskaistalla läpi, ja vaimentaa ääntä muualla. Suodattimen jyrkkyys ja resonanssi vaikuttaa paljon ääneen, ja niiden perusteella erimerkkiset soittimet voidaan erottaa toisistaan. Usein suodatin vaimentaa ääntä 2, 8 tai 24 db oktaavia kohden. Jänniteohjattu vahvistin (VCA, voltage-controlled-amplifier) voi olla jänniteohjatun oskillaattorin tapaan lineaarisesti tai eksponentiaalisesti ohjautuva. Tämän vahvistimen pääasiallinen tarkoitus ei ole vahvistaa ääntä voimakkaammaksi, vaan sen on muokattava äänisignaalin amplitudia halutuksi. Musiikki-instrumenttien ääni muuttuu ajan kuluessa, ja yksi selvimmistä muutoksista on amplitudin muuttuminen äänen alussa ja lopussa. Ääni ei syty eikä sammu välittömästi ääritasoon, vaan amplitudin muutokset tapahtuvat tietyssä ajassa. Yleensä jänniteohjattuun vahvistimeen kytketään verhokäyrägeneraattori, jolloin signaalin syttymis- ja sammumistapoja päästään muokkaamaan. Toinen yleinen kytkentä on matalataajuuksisen oskillaattorin kytkentä vahvistimeen, jolloin saadaan halutun voimakkuuksinen tremolo. Verhokäyrägeneraattori (envelope generator) tuottaa usein koskettimiston painalluksesta oman ajasta riippuvan ohjaussignaalinsa. Verhokäyrägeneraattoriin liittyy usein maksimissaan neljä eri parametria (kuva 4.): nousuaika maksimitasoon (attack), laskuaika (decay) tästä maksimitasosta, signaalin taso (sustain) koskettimen painalluksen aikana, sekä signaalin laskuaika painalluksen jälkeen (release). Englanninkielisen termin alkukirjaimen mukaan puhutaan AD-, AR- tai ADSR-generaattoreista sen mukaa, mitä parametreja voidaan muuttaa. Signaalin muutos voi olla lineaarista, mutta yleensä se on eksponentiaalista. Analogisissa syntetisaattoreissa on lähes aina jokin edellä mainittu 29