Analogiset ja digitaaliset äänentallennusmenetelmät

(1)

Olli Koivisto

ANALOGISET JA DIGITAALISET ÄÄNENTALLENNUSMENETELMÄT

Kandidaatintyö

Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta

Tarkastaja: Yliopistonlehtori Erja Sipilä

Toukokuu 2020

(2)

TIIVISTELMÄ

Olli Koivisto: Analogiset ja digitaaliset äänentallennusmenetelmät Kandidaatintyö

Tampereen yliopisto

Tieto- ja sähkötekniikan kandidaatin tutkinto-ohjelma, sähkötekniikka Huhtikuu 2020

Erilaiset analogiset ja digitaaliset äänentallennusmenetelmät ovat olleet merkittävässä asemassa äänentoistoteknologian kehityksessä. Erityisesti tallennusformaatit kuten LP- ja CD-levy sekä MP3-tiedostoformaatti ovat olleet merkittäviä kehitysaskelia varsinkin musiikin historiassa.

Työssä tehtävän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, miksi vanhoillakin formaateilla on vielä- kin oma käyttäjäkuntansa.

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tutkia erilaisten formaattien mahdollisia hyötyjä ja haittoja.

Työssä erikoistutaan LP:n, CD:n ja MP3:n tutkimiseen tarkemmalla tasolla ja muiden kilpailevien formaattien tarkasteluun yleisellä tasolla. Työ jaetaan yleisesti kolmeen osaan, joista ensimmäi- sessä käydään läpi analogisen ja digitaalisen tallennuksen ja toiston taustaa ja LP:n, CD:n ja MP3:n toimintaperiaatteet. Lisäksi ensimmäisessä osiossa käsitellään tallennukseen liittyviä häi- riöitä ja niiden korjaamista. Työn toinen osa käsittelee tallennus- ja toistolaitteiston aiheuttamia ongelmia äänentoistoketjussa. Lisäksi käsitellään yleisellä tasolla analogiseen ja digitaaliseen musiikkiin liittyviä tekijänoikeusongelmia. Työn kolmannessa osassa tutustutaan muihin tallen- nusformaatteihin, jotka ovat kilpailleet tai kilpailevat LP:n, CD:n tai MP3:n kanssa. Kyseisiä for- maatteja käsitteellään vain suppeasti, eikä niiden ominaisuuksiin tutustuta yhtä syvällisesti, kuin kolmen pääformaatin yhteydessä.

Työssä tehty tutkimus osoittaa, että vanhemmat tallennusformaatit eivät juurikaan tarjoa käyttä- jälle äänenlaadun kannalta parempaa kuuntelukokemusta. Digitaaliset formaatit ovat melkein kai- kin puolin parempia analogisiin formaatteihin verrattuna. Paremmuus johtuu materiaalikohtaisista parannuksista sekä suuremmasta tallennuskapasiteetista.

Avainsanat: CD, LP, MP3, äänentallennus

Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.

(3)

SISÄLLYSLUETTELO

1. JOHDANTO ... 1

2.TEORIA ... 2

2.1 Tallennus ... 4

2.2 Toisto ... 5

2.3 Häiriöt ... 6

2.3.1Kvantisointivirhe ... 7

2.3.2 Laskostumiskohina ... 8

2.3.3Virheiden korjaus ... 9

3. KÄYTÄNNÖN HAASTEET ... 10

3.1 Toisto- ja tallennuslaitteisto ... 10

3.1.1Mikrofoni ... 10

3.1.2Kaiutin ... 12

3.2 Tekijänoikeusongelmat ... 13

4.KILPAILEVAT TEKNOLOGIAT ... 14

4.1 C-kasetti ... 14

4.2 DVD ... 16

5.YHTEENVETO ... 17

LÄHTEET ... 18

(4)

LYHENTEET JA MERKINNÄT

ADC engl. analog-to-digital converter, analogia-digitaalimuunnin

CD engl. Compact Disc, CD-levy

DAC engl. digital-to-analog converter, digitaali-analogiamuunnin DVD engl. Digital Versatile Disc, digitaalinen monikäyttölevy LP engl. Long Playing, pitkäsoittolevy

MP3 engl. MPEG-1 Audio Layer 3, MPEG-1-standardin mukainen häviöl- linen äänenpakkausmenetelmä

NRZI engl. non-Return-to-Zero Inverted, binäärikoodausmenetelmä

(5)

1. JOHDANTO

Vielä ennen 1900-lukua musiikin kuuntelu oli ajallinen ja harvinainen kokemus. Ainoat vaihtoehdot olivat joko soittaa itse tai mennä kuuntelemaan orkesteria tai oopperaa.

Vuonna 1877 musiikin kuuntelu koki käännekohdan, kun Thomas Edison keksi fonogra- fin. Keksintö mahdollisti musiikin nauhoittamisen ja toiston kotiolosuhteissa. Fonografia seurasi gramofoni, joka toi mukanaan levytetyn musiikin. 1980-luvulla julkaistu Sonyn ja Philipsin yhdessä kehittämä CD-levy oli ensimmäinen varteenotettava kilpailija vanhalle vinyylilevylle. Siitä hetkestä lähtien molempien formaattien tukijat ovat kiistelleet siitä, kumpi on parempi. 2000-luku toi mukanaan internetissä toimivat palvelut, jotka tarjosivat rajattoman määrän musiikkia käyttäjille MP3-muodossa. Nykyään melkein kaikki musiikin toisto tapahtuu internetin avulla. CD- ja vinyylilevyt ovat jääneet vain lähinnä harras- tajien käyttöön. [1]

Vaikka musiikin suoratoisto on selvästi suosituin tapa kuunnella musiikkia, niin CD- ja erityisesti vinyylilevyt ovat edelleen aktiivisessa käytössä. Esimerkiksi LP-levyjen suosio on kasvussa verrattuna viime vuosikymmeneen. [2] Tämän työn tarkoituksena on tutkia eri ääniformaattien vahvuuksia ja heikkouksia. Työssä vertaillaan yleisellä tasolla digitaalista ja analogista ääntä ja syvemmällä tasolla LP- ja CD-levyjä sekä MP3-tiedosto- formaattia.

Työn toisessa kappaleessa käsitellään digitaalisen ja analogisen äänen teoriaa ja tarkemmin eri formaattien tallennus- ja toistomenetelmiä. Kolmannessa kappaleessa tarkastellaan mahdollisia hyötyjä ja haittoja käytännön tilanteissa ja niiden vaikutusta eri teknologioiden suosioon nykypäivänä. Neljännessä kappaleessa tarkastellaan muita kil- pailevia teknologioita ja eri välivaiheita suosituimpien teknologioiden välillä. Viidennessä kappaleessa on yhteenveto työssä käsitellyistä aiheista.

(6)

2. TEORIA

Analogisen tallennuksen pääperiaatteena on jatkuvien ääniaaltojen tallentaminen fyysiselle medialle jatkuvina muutoksina esimerkiksi levyn urien syvyyksissä tai magneetti- nauhan rakenteen vaihteluina. Kuvassa 1 esitetty analoginen signaali saa kaikki arvonsa minimi- ja maksimiarvon sisällä tarkasteltavalla aikavälillä. [1]

Digitaalisessa tallennuksessa vuorostaan tallennus keskittyy jatkuvan ääniaallon kvanti- sointiin ja koodaamiseen tietokoneen luettavaan muotoon. Kvantisoinnissa analogisesta signaalin arvosta otetaan tietyn väliajoin näyte, joka vuorostaan approksimoidaan sitä parhaiten vastaavaan digitaaliseen tasoon. Toisin kuin analoginen signaali, kuvassa 2 esitetty digitaalinen signaali voi saada vain diskreettejä arvoja tarkasteltavalla aikavä- lillä. [1]

Kuva 1. Jatkuva analoginen signaali

t

Kuva 2. Digitaalinen signaali

(7)

Termillä LP-levy viitataan tarkemmin sellaiseen vinyylilevyyn, joka on noin 12 tuumaa halkaisijaltaan ja jonka pyörimisnopeus on 33¹⁄3 kierrosta minuutissa. Levyn toiminta perustuu analogisen äänen tallentamiseen levyn urien muotojen vaihteluiksi. Kuvassa 3 on esitetty LP-levy. [2]

Kuva 3. Kultaiseksi värjätty LP-levy, joka lähetettiin Voyager -avaruusaluksen mu- kana avaruuteen [3]

CD-levy on toimintaperiaatteeltaan samankaltainen kuin LP-levy. CD on kooltaan LP:tä pienempi ja valmistettu polykarbonaatista. CD:lle kirjoitettu data on digitaalisessa muodossa ja se voidaan koodata eri tavoin levytyypin mukaan. Kuvassa 4 on CD-levy asetettuna soittimeen, joka pystyy lukemaan levylle koodattua informaatiota. [4]

Kuva 4. CD-levy asetettuna soittimeen [4]

(8)

MP3 on häviöllinen äänen koodausmenetelmä, joka erikoistuu äänitallenteen pakkaami- seen erittäin pieneen tiedostokokoon. MP3 on täysin digitaalinen tallennusmuoto, jolloin siihen ei liity suoraan mitään tiettyä fyysistä tallennusmediaa, vaikka MP3 tiedostoja voidaan tallentaa esimerkiksi CD- ja DVD-levyille. [5]

2.1 Tallennus

Digitaalisen ja analogisen äänen tallentamismenetelmät eroavat toisistaan huomattavasti, mutta perusperiaate on sama: eräässä muodossa oleva ääni halutaan muuttaa toiseksi. Eroavaisuuksia ei huomata ainoastaan vertaillessa digitaalisia ja analogisia me- netelmiä, vaan esimerkiksi äänen tallentamiseen digitaaliseen muotoon on olemassa lu- kuisia eri tapoja. Fundamentaalisena erona menetelmien välillä on se, että digitaalisessa tallennuksessa ääni on jossain välivaiheessa digitaalisessa muodossa (bitteinä) ja analogisessa tallennuksessa ääni tallennetaan suoraan fyysiselle medialle (urat LP-le- vyissä). [2]

Halutun äänen tallentaminen LP-levylle on huomattavasti vaikeampaa kuin CD-levyn ja MP3:n tapauksissa. Ääni kaapataan mikrofoneilla, jotka muuttavat äänen sähköisiksi vä- rähtelyiksi, jotka vuorostaan tallennetaan magneettinauhalle. Nauha sisältää rautaoksi- dihiukkasia, joiden kuvioiden perusteella LP-levyn urat kaiverretaan. Saadusta tuloksesta voidaan lopulta painaa lisää kopioita. [2]

CD-levylle informaatio tallennetaan pitkinä bittijonoina, joita tietokoneet tai muut toisto- laitteet pystyvät tulkitsemaan. Mikrofonin vastaanottama analogien ääniaalto muutetaan digitaaliseksi mittaamalla äänen tasoja ja muuntamalla ne vastaaviksi bittijonoiksi. Tätä prosessia kutsutaan näytteistykseksi. CD:n tapauksessa käytetty näytteistystaajuus on 44,1 kHz, eli jatkuvasta ääniaallosta otetaan näytteitä 44 100 kertaa sekunnissa. Toinen tärkeä suure on bittisyvyys (resoluutio), eli kuinka monta tasoa kullakin näytteellä voi olla. LP-levyn tapauksessa urat kaiverrettiin terällä levyn pintaan. CD:llä kaivertamisen tekee laser-säde, joka polttaa pieniä yksittäisiä kuoppia CD:n pintaan. [4]

Nämä kuopat ja vastaavasti tasaiset kohdat vastaavat nollia ja ykkösiä Non-Return-to- Zero Inverted (NRZI) -koodauksen mukaan. NRZI-koodauksessa ykkösbitti esitetään eräänä tilanmuutoksena (CD:llä siirtymä kuopasta tasaiseen kohtaan tai päinvastoin) ja nollat esitetään ilman tilanmuutosta. [6]

(9)

MP3 on eräs koodausmenetelmä, jolla analoginen ääni voidaan muuttaa digitaaliseen muotoon. Sen suurin vahvuus on sen käyttämä kompressioalgoritmi. MP3 tiedostot vie- vät huomattavasti vähemmän tilaa kuin esimerkiksi CD:lle tallennettu pakkaamaton informaatio. MP3:lle tärkeä suure on bittinopeus. Se määrää suoraan, kuinka laadukas äänitallenne on. Korkealaatuisissa MP3-tiedostoissa bittinopeus on yleensä 320 kilobittiä sekunnissa. [5]

2.2 Toisto

LP-levysoittimessa pieni neula seuraa levyn uria sen pyöriessä alustalla. Neula on kiin- nitetty kevyen metallivarren päähän. Kun neula seuraa levyn uria, se värähtelee urien koon muutoksen mukaan. Tämä värähtely vuorostaan siirtyy vartta pitkin levysoittimelle.

Levysoitin muuttaa värähtelyn sähköiseksi signaaliksi, joka ohjataan vahvistimeen ja lopulta kaiuttimiin tai kuulokkeisiin. [4] LP:n toistaman äänen dynaaminen alue on noin 70 dB. Dynaamisella alueella tarkoitetaan pienimmän ja suurimman mahdollisen äänen voimakkuuseroa. Stereoäänessä vasemman ja oikean kanavan välinen voimakkuusero LP:n tapauksessa on parhaimmillaan 30 dB. [7]

CD-levyä toistettaessa pieni puolijohdelaser skannaa levyä yhdessä levysoittimessa ole- van valokennon kanssa. Valokennon tehtävänä on havaita muutokset laservalon voi- makkuudessa, kun se heijastuu levyn pinnassa olevista kuopista ja tasoista. Levysoitin muodostaa valokennon keräämän informaation perusteella CD-levylle tallennetun bittijonon, jonka soitin muuntaa vaihteleviksi sähkövirroiksi. Lopuksi soittimen kaiutin muuttaa sähkövirran ääneksi. [3] CD:llä on LP-levyä suurempi dynaaminen alue, joka on noin 90 dB ja huomattavasti suurempi vasemman ja oikean kanavan välinen ero suuruudel- taan noin 90 dB [7].

(10)

Kuva 5. Informaation luku CD-levyltä [4]

Kuvassa 5 on havainnollistettu CD-levyn lukuprosessi. Vaiheessa 1 laservalo skannaa levyn pintaa. Jos valon osoittamassa kohdassa on tasainen alue, niin vaiheessa 2 levyn pinnasta heijastuva valonsäde osuu valokennoon, joka lähettää sähkövirtapulssin elekt- roniselle piirille. Jos lasersäde osuu kuoppaan, niin valo ei heijastu takaisin. Vaiheessa 3 elektroninen piiri tulkitsee saapuneet virtapulssit ykkösiksi ja jos virtapulssia ei saavu, niin piiri rekisteröi nollan. Vaiheessa 4 DAC-muunnin muuntaa elektronisen piirin raken- taman bittijonon takaisin sähkövirran muutoksiksi, joka vuorostaan voidaan muuttaa ää- neksi kaiuttimen avulla. [4]

MP3-tiedostoja voidaan toistaa joko suoraan tietokoneelta tai esimerkiksi CD-levyltä, jolle ne on tallennettu. Erilliset MP3-soittimet ovat siis itseasiassa pieniä tietokoneita, jotka pystyvät tulkitsemaan MP3-formaattiin tallennettua tietoa. MP3-soittimen toiminta- tapa on sama kuin muissa digitaalista ääntä toistavissa laitteissa: bittijonona oleva data muunnetaan sähkövirroiksi, joka toistetaan äänenä kaiuttimista. [8]

2.3 Häiriöt

Signaaliin muodostuu kohinaa tai muita häiriöitä aina, kun se tallennetaan väliaineelle.

Väliaine, esimerkiksi CD- tai LP-levy onkin toisto- ja tallennusketjun heikoin kohta ää- nenlaadun kannalta, sillä esimerkiksi tallennuslaitteiston elektroniikka on hienovaraisem- paa, kuin fyysinen LP-levyn pinta. Digitaaliset toisto- ja tallennuslaitteen käyttävät erilai- sia matemaattisia menetelmiä häiriöitä omaavan signaalin vähentämiseksi. [9 s.68]

(11)

2.3.1 Kvantisointivirhe

Kvantisointivirheiksi kutsutaan signaalin näytteistysprosessissa tapahtuneita virheitä, jotka tapahtuvat, kun jatkuva signaalin arvo on näytteenottohetkellä kahden digitaalisen tason välissä. Analoginen signaali on jatkuva koko mittausaikavälillä, mutta muodostu- neen digitaalisen signaalin resoluutio eli sananpituus on äärellinen, jolloin näytteistyk- sessä täytyy aina approksimoida. [9 s.69]

Kuva 6. Kun signaalista otetaan näyte hetkillä a-e, niin tulokseen syntyy kvantisoin- tivirheitä. [Muokattu lähteestä 9 s.69]

Kvantisointivirhe on maksimissaan silloin, kun näyte otetaan signaalin ollessa täsmäl- leen kahden tason välissä, kuten kuvan 6 kohdissa a-e on havainnollistettu. Kvantisoin- tivirheitä voidaan vähentää kasvattamalla digitaalisen tallennusmuodon resoluutiota esimerkiksi pidentämällä sananpituutta, jolloin digitaalisten tasojen välinen etäisyys piene- nee. [9 s.69]

(12)

2.3.2 Laskostumiskohina

Kun analoginen signaali muutetaan digitaaliseen muotoon, se kulkee ensin alipääs- tösuodattimen läpi. Suodattimen tarkoitus on poistaa signaalista taajuuskomponentit, jotka ovat ihmisen kuuloalueen ulkopuolella eli komponentit, joiden taajuus on yli 20 kHz.

Nyquistin teorian mukaan näytteistystaajuuden on oltava vähintään kaksi kertaa suurempi kuin kaistan suurin taajuuskomponentti. CD-levyn tapauksessa käytetty standardi näytteistystaajudelle on 44,1 kHz, mikä täyttää Nyquistin vaatimuksen. [9 s.69]

Kuva 7. Jos näytteistystaajuus on liian pieni, niin tuloksessa tapahtuu laskostu- mista.[Muokattu lähteestä 9 s.70]

Kuvassa 7 nähdään kahden taajuusalueen laskostuminen, kun äänisignaalin kaistanle- veys on 20 kHz ja käytetty näytteistystaajuus on pienempi kuin 40 kHz, jolloin seuraava taajuusalue menee osittain päällekkäin edellisen kanssa. Jos näytteistetyssä signaalissa tapahtuu laskostumista, niin alkuperäistä analogista signaalia ei voida enää palauttaa.

[9 s.70]

f X(f)

(13)

2.3.3 Virheiden korjaus

LP-levylle tallennetussa analogisessa datassa virheet ilmenevät levyn urien vääristymi- sinä. Koska analoginen data on jatkuvaa, niin virheiden havaitseminen on erittäin vai- keaa ja niiden korjaaminen käytännössä mahdotonta.

CD-levyn tapauksessa virheiden korjaus tapahtuu CD-soittimessa, joka pystyy erilaisten matemaattisten toimenpiteiden avulla havaitsemaan CD:n datasta virhebitit. Jos virhe ei ole soittimen mukaan korjattavissa, niin soitin yksinkertaisesti mykistää ulostulon virheellisen osuuden ajaksi. Jos virhe kuitenkin on korjattavissa, niin soitin paikkaa virheellisen osuuden toisella, mahdollisimman samankaltaisella osuudella, joka on tallennettuna soittimen välimuistiin. Toinen samankaltainen tapa korjata virheellinen osuus on lineaarisen interpolaation avulla. Soitin ottaa keskiarvon virheellistä osuutta edeltävästä ja seuraa- vasta osuudesta ja korvaa virhebitit sillä. [9 s.71]

MP3-formaatti noudattaa samoja digitaalisen datan korjausmenetelmiä kuin CD. Koska MP3-tiedostot voivat olla olemassa ilman fyysistä väliainetta, ne eivät altistu CD:n ja LP:n kokemiin levyn pinnan vääristymiin. Tosin MP3-tiedostot voivat olla tallennettuna CD- levylle, jolloin virheiden korjaus noudattaa samoja menetelmiä kuin CD-levyn tapauksessa. [9 s.71]

(14)

3. KÄYTÄNNÖN HAASTEET

Eri ääniformaatteja vertaillessa on otettava huomioon teoreettisten laatutekijöiden lisäksi käytännön tilanteissa havaitut mahdolliset hyödyt ja haitat. Tallennus- ja toistolaitteistot eroavat fyysiseltä toteutukseltaan toisistaan käytetyn tallennusmuodon ja laitteen käyt- tötarkoituksen mukaan. Formaateissa käytetyt tallennusmenetelmät eroavat toisistaan kopioitavuuden ja levittämisen helppouden mukaan.

3.1 Toisto- ja tallennuslaitteisto

Itse tallennusformaattien, esimerkiksi levyn tai tiedoston, tarjoamat mahdolliset edut tai haitat ovat vain yksi osa äänen kulkua tallennuksesta toistoon. Merkittävinä tekijöinä ää- nen kulkemassa tapahtumaketjussa ovat tallennuksessa ja toistossa käytetyt laitteet ja niiden ominaisuudet.

Kuva 8. Äänen kulkema tapahtumaketju, joka sisältää mahdollisen digitaalisen muun- noksen [10].

Kuvassa 8 esitetään digitaalisen audioketjun välivaiheet. Analoginen audioketju on samankaltainen, mutta se ei sisällä ADC- tai DAC-muunnosta. Äänen toiston kannalta ket- jun tärkeimmät kohdat formaatin lisäksi ovat mikrofoni ja kaiutin.

3.1.1 Mikrofoni

Fyysisten ääniaaltojen kaappaamiseen ja tallentamiseen tietylle tallennusmedialle käy- tetään mikrofonia. Mikrofonin toiminta perustuu pohjimmiltaan värähtelevän ilman omaavan energian muuntamiseksi elektronien värähtelyksi, eli sähkövirran suuruuden muutoksiksi. Ideaalinen mikrofoni pystyy vastaanottamaan kaikki taajuudet tasaisesti halu-

(15)

tulta taajuuskaistalta. Yleisesti tämä kaista on 20 - 20 000 Hz ihmisen kuuloalueen mukaisesti. Käytännössä mikrofonit kuitenkin suunnitellaan käyttökohteen mukaisesti, jolloin taajuuskaistat ja eri taajuuksien vastaanottoherkkyydet vaihtelevat. [9 s.14]

Kaikki nykyaikaiset mikrofonit hyötyvät sähköisestä vahvistuksesta, ja ne on siten suun- niteltu ensisijaisesti näytteistämään tiettyä äänikenttää. Yksinkertainen painemikrofoni reagoi ainoastaan äänenpaineeseen ääniaaltojen suunnasta välittämättä. Painemikro- foni on itseasiassa eräänlainen kondensaattori, jossa ääniaallon värähtely saa mikrofonin etukalvon (front plate, kuva 9) värähtelemään. Värähtelevän etu- ja takakalvon ( back plate, kuva 9) välinen muuttuva kapasitanssi muutetaan sähkövirran muutoksiksi. [11 s.24]

Kuva 9. Yksinkertaistettu leikkauskuva painemikrofonista [12].

Käytännössä mikrofoni harvoin vastaanottaa ääntä vain yhdestä suunnasta. Kuunnel- tava tila saattaa sisältää muita lähteitä ja vaikka lähteitä olisikin vain yksi, niin mikrofoni saattaa vastaanottaa ääniaaltojen heijastuksia esimerkiksi seinistä. Nämä eri lähteiden aiheuttamat häiriöt ovat erittäin haitallisia varsinkin LP-levyn tapauksessa, missä äänit- teen muokkaaminen levyttämisen jälkeen on mahdotonta. Digitaalisten äänitiedostojen tapauksessa tämä ongelma ei ole yhtä suuri, sillä tiedostoja voidaan muokata äänittämi- sen jälkeen esimerkiksi taajuuskorjaimilla. [9 s.14 - 15] Nykyteknologian käyttämät mikrofonit pystyvät erottelemaan eri suunnista saapuvat ääniaallot joustavan etu- ja takakalvon välisen paine-eron avulla. Käytännössä tämä tapahtuu siten, että kalvojen kahden hyvin lähekkäisen pisteen yksittäiset paineet mitataan. Tuloksesta pystytään päättele- mään lasketun gradientin avulla saapuvan paineaallon suunta. [11 s. 50]

(16)

3.1.2 Kaiutin

Kaiutin on äänen kulkeman tapahtumaketjun viimeinen osa. Sen tarkoituksena on pur- kaa tietylle formaatille tallennettu ääni takaisin fyysisen aaltomuotoon. Kaiutin on käy- tännössä vain mikrofoni, jonka toiminta tapahtuu toiseen suuntaan. Kaiuttimeen saapuva virta saa kelan värähtelemään Faradayn induktiolain mukaan. Kela vuorostaan on kiin- nitettynä kalvoon, jonka värähtely tuottaa virran vaihtelua vastaavan ääniaallon. Kaiutti- men laatu on yksi tärkeimmistä tekijöistä koko äänentoistojärjestelmässä. Puhekelaan perustuva kaiutinmalli on selvästi eniten käytetty sen laajan soveltuvuuden ja halvan hin- nan takia [13].

Kuva 10. Poikkileikkaus kaiuttimesta. Pallot kelan kohdalla tarkoittavat kelan kierty- mistä magneetin ympäri [13].

Kuvassa 10 havainnollistettu kaiuttimen rakenne koostuu voimakkaasta kestomagnee- tista, jossa on aukko johtokelaa varten. Kaiuttimen kalvo kiinnitetään magneettiin kiinni ripustusjärjestelmällä. Kalvon värinä synnyttää ilmaan ääniaaltoja, jotka vastaavat kaiuttimen sisääntulosignaalia. Tämän tyyppisen kaiuttimen toimintaperiaate on erittäin yksinkertainen, mutta saadut tulokset ovat silti erittäin hyviä. [13]

(17)

Tallennetun äänen formaatti ei juurikaan vaikuta kaiuttimen toimintaan, sillä melkeinpä joka formaatissa ääni muutetaan sähkövirran muutokseksi ennen toistoa. Kaiuttimen to- teutukseen liittyvät ongelmat tulevat vastaan eri toistolaitteisiin liittyvissä tilanteissa. Esi- merkiksi LP-levysoittimeen integroidut kaiuttimet eroavat rakenteeltaan CD-soittimesta löytyvistä kaiuttimista, sillä soittimilla on omat fyysiset rajoitukset, joihin kaiuttimien on sopeuduttava. [13]

3.2 Tekijänoikeusongelmat

Tekijänoikeudella tarkoitetaan jonkin tahon yksinoikeutta johonkin markkinaosuuteen, esimerkiksi musiikin tapauksessa levy-yhtiön oikeutta tuottaa ja myydä tietyn artistin musiikkia. Teollisuudenalat, jotka tuottavat ja levittävät tekijänoikeuksien suojaamia tietoja, esimerkiksi ohjelmistot, elokuvat, musiikki, ovat nykyään merkittävä osa teollisuusmai- den talouksia [14 s.415]. Näiden alojen suojaamisesta laittomalta taloudelliselta hyväk- sikäytöltä on syntynyt polttava puheenaihe nykyaikoina. Tekijänoikeusongelmista kärsi- vät eniten digitaaliset ääniformaatit helppojen kopiointimenetelmien ansiosta. [14 s.416]

Philips julkaisi 1960-luvulla kuluttajille suunnatun C-kasetin tallennuslaitteiston, joka mahdollisti musiikin monistamisen kotiolosuhteissa. [14 s.422] 1990-luvun puolivälissä henkilökohtaiset tietokoneet yhdessä CD-levyjen poltto-ohjelmien kanssa helpottivat musiikin laitonta kopiointia kuluttajan näkökulmasta. Internetin räjähdysmäisen kasvun myötä erilaiset äänitiedostomuodot, joiden avulla musiikkia oli helppo lähettää ja levittää, tulivat suosituksi. [15 s.14] MP3 kasvoi huomattavaksi äänenpakkausjärjestelmäksi vuo- den 1997 alussa, kun MP3-tiedostojen toisto-ohjelmisto kirjoitettiin ja julkaistiin ilmaisoh- jelmana verkossa. Lisäksi CD-polttimien laskevat hinnat antoivat ihmisille mahdollisuu- den tallentaa vaivattomasti keskimäärin 12 tuntia MP3-musiikkia erittäin edullisille CD- levyille. [15 s.16 - 17] MP3-tiedostojen jako internetin välityksellä ei saavuttanut laajaa suosiota ennen ilmaisohjelma Napsterin julkaisua vuonna 1999 [15 s.18].

Napster oli alun perin pieni vertaisverkkosovellus, jonka avulla käyttäjät pystyivät jakamaan MP3-tiedostoja keskenään. Sovellus mullisti musiikin tuottajien ja kuluttajien maa- ilmat, sillä nyt musiikkia pystyi jakamaan ja kuuntelemaan ilman fyysistä tallennusmediaa. MP3-tiedostojen lataaminen sovelluksen avulla oli ilmaista ja vaati ainoastaan internet-yhteyden. Napster kaatui muutama vuosi myöhemmin monien lakisyytteiden pai- nostamana. Napsteria seurasi monta samankaltaista sovellusta ja sitä pidetään yleisesti merkittävimpänä internet-musiikin syntytekijänä. [15 s.18 - 19]

(18)

4. KILPAILEVAT TEKNOLOGIAT

Merkittävimpinä tekijöinä musiikin historiassa pidetään innovaatioita, jotka ovat koko- naan uudistaneet ihmisten tavan kuunnella musiikkia. Vinyylilevy, CD ja MP3 ovat yleisesti tärkeimpiä keksintöjä tallennetun äänen historiassa. Näitä teknologioita on kuitenkin seurannut muita merkityksellisiä välivaiheita.

4.1 C-kasetti

Saksassa 1960-luvulla kehitetty C-kasetti oli yksi suurimmista innovaatioista kannetta- van musiikin historiassa [16]. C-kasetti alun perin suunniteltiin ainoastaan puheen tallentamiseen [17]. Vaikka C-kasetin alkuperäinen tarkoitus ei ollut musiikin tallennus, niin sen tarjoamat käytännön edut tekivät siitä suuren menestyjän musiikkimarkkinoilla. Ka- setin kannettavuus ja halpa hinta teki siitä ensimmäisen merkittävän kilpailijan LP-levylle.

C-kasetin suosion suurin kasvu nähtiin 1980-luvulla, kun kannettavat soittimet saapuivat markkinoille [16].

Kuva 11. C-kasettien ja CD-levyjen myynti viime vuosikymmeninä miljoonina yksik- köinä.[16]

C-kasetin suosio laski nopeasti CD-levysoittimen saavuttua markkinoille 1990-luvulla.

Kuvasta 11 nähdään, että C-kasetin ja CD-levyn elinkaaret ovat samankaltaiset, vaikka

(19)

eri suuruiset myynniltään. C-kasetti alusti markkinat kannettavalle musiikille, mikä mahdollisti CD-levyn suuren menestyksen. [16]

Kasetin magneettinauha koostuu sisäisestä polyesterinauhasta ja ulkoisesta metallioksi- dipäällysteestä, joka pystyy säilyttämään magneettivuon. [17] Kuvan 12 kasettisoittimen sisältämä lukupää on sähkömagneetti, jonka ohi kasetin magneettinauha kulkee. Kun kasetin nauha tulee tallennuspään kanssa kontaktiin, niin sähkömagneetin magneettivuo kulkee nauhan läpi ja magnetoi sen. Tallennus ja lukupäät ovat käytännössä täysin ident- tiset. Luettaessa magneettinen nauha vuorostaan indusoi lukupäähän sähkövirran, joka vastaa nauhalle tallennettua informaatiota. [17]

Kuva 12. Yksittäinen magneettinen tallennuspää[17]

Kuva 13. Kasettisoittimen kolme lukupäätä, joista jokaisella on eri tehtävä [17]

Tyypillinen kasettisoitin sisältää kolme sähkömagneettipäätä kuvan 13 mukaisesti. Tämä mahdollistaa nauhalta ensin vanhan sisällön poistamisen ja sitten uudelleentallentami- sen. Kolmannen pään tehtävä on valvoa nauhan sisällön eheyttä. [13]

(20)

4.2 DVD

DVD oli seuraava merkittävä askel optisen levyn kehityksessä. DVD-levy on kooltaan samankokoinen kuin CD, mutta se on kapasiteetiltaan yli 25 kertaa suurempi kuin CD.

DVD:n suuri kapasiteetti mahdollisti pitkien ja korkealaatuisten videotiedostojen ja kuu- sikanavaisen tilaäänen tallentamisen. Ensimmäisen versio DVD-levystä julkaistiin vuonna 1996. [18 s.1]

DVD:n käyttämä tallennustekniikka on samankaltainen kuin CD:n tapauksessa. DVD- soitin käyttää levyn lukemiseen laseria, jonka aallonpituus on pienimpi kuin CD:llä. Tämä mahdollistaa pienempien kuoppien käytön levyssä, mikä luonnollisesti kasvattaa levyn tallennuskapasiteettia. [18 s.2] Kuvan 14 pienempien kuppavälien lisäksi DVD:n kapasi- teettia kasvattavat kehittyneet signaalinkäsittely- ja virheidenkorjausmenetelmät. [18 s.104]

Kuva 14. Pienempi aallonpituus pienentää laserin halkaisijaa ja mahdollistaa pienem- pien kuoppien havaitsemisen.[18 s.2]

DVD-standardi sisältää äänentallennukseen erikoistuneen DVD-audio -formaatin. Se tarjoaa CD-levyä suuremman resoluution pidemmän sananpituuden ja korkeamman näytteistystaajuuden ansiosta.

(21)

5. YHTEENVETO

Musiikin kuuntelutottumukset ovat muuttuneet huomattavasti viime vuosikymmeninä.

Muutokset johtuvat tallennusteknologian kehityksestä ja markkinoille saapuvista uusista innovaatioista. Näistä merkittävimpiä ovat olleet LP- ja CD-levy sekä MP3-tiedostoformaatti.

Jokaisella ääniformaatilla on omanlaisensa tallennus- ja toistotekniikkansa. Analogisissa formaateissa jatkuva signaali tallennetaan tallennusmedialle fyysisesti jatkuvana muo- tona. Digitaalisissa formaateissa jatkuva signaali näytteistetään bittijonoksi tietyn koo- dausmenetelmän mukaisesti ennen sen tallentamista. Toistossa formaatit eroavat toisistaan esimerkiksi dynaamisen alueen ja kanavien välisen voimakkuuseron suhteen. Au- dioketjussa syntyneiden virheiden minimointi on tärkeää äänen toiston yleisen äänen- laadun kannalta.

Tallennusmenetelmistä ei voida valita yhtä parasta formaattia, sillä jokainen työssä kä- sitelty formaatti on peräisin eri aikakaudelta. Uudet formaatit ovat yleensä seuraamuksia teknologian kehityksestä, mikä tekee niistä ominaisuuksiltaan suoraan parempia van- hempiin verrattuna.

(22)

LÄHTEET

[1] Coleman M, Williams J. Playback: from the Victrola to MP3, 100 years of music, ma- chines, and money. Ensimmäinen painos. Cambridge, Massachusetts: Da Capo Press;

2005.

[2] ”LP-Record” Saatavilla osoitteesta: http://www.madehow.com/Volume-5/LP-Re- cord.html Haettu 20.2.2020

[3] Woodford C. 15.11.2019. “Record players and phonographs”. Saatavilla osoitteesta:

https://www.explainthatstuff.com/record-players.html Haettu: 1.3.2020

[4] Woodford C. 30.8.2019. “CD players”. Saatavilla osoitteesta: https://www.explainthatstuff.com/cdplayers.html Haettu: 24.2.2020

[5] ”CD vs MP3 Sound Quality”. Saatavilla osoitteesta:

http://www.keithstead.com/and_more/cd_vs_mp3.html Haettu: 25.3.2020

[6] Wong W. 13.2.2017. ”What’s the Difference Between NRZ, NRZI, and Manchester En- coding?” Saatavilla osoitteesta: https://www.electronicdesign.com/technologies/com- munications/article/21802271/whats-the-difference-between-nrz-nrzi-and-manchester- encoding Haettu 25.2.2020

[7] Lehrman P. 11.7.2016. ” Does music sound better on vinyl records than on CDs?” Saa- tavilla osoitteesta: https://now.tufts.edu/articles/does-music-sound-better-vinyl-records- cds Haettu: 1.3.2020

[8] Woodford Chris. 12.7.2019. “MP3 players”. Saatavilla osoitteesta: https://www.explainthatstuff.com/how-mp3players-work.html Haettu: 1.3.2020

[9] Sinclair I. Audio and Hi-Fi Handbook. Kolmas painos. Reed Educational and Profes- sional Publishing: 1998

[10] DuBois L, Thoben W. “Sound” Saatavissa osoitteesta: https://processing.org/tuto- rials/sound/. Haettu: 28.3.2020

[11] Eargle J. The Microphone Book. Oxford : Focal Press. Toinen painos. 2004

[12] George L. Conderser Microphone. Saatavilla osoitteesta: https://electrosome.com/con- denser-microphone/. Haettu 1.4.2020.

[13] Rumsey F, McCormick T. Sound and Recording. Amsterdam; Boston: Elsevier/Focal Kuudes painos. 2010. s.79-106.

[14] F Silva, GB Ramello, Sound recording market: the ambiguous case of copyright and piracy, Industrial and Corporate Change, Volume 9, Issue 3, September 2000. pp.

415–442

[15] Hinduja S. Music Piracy and Crime Theory. New York: LFB Scholarly Publishing LLC, 2006

[16] Guidolin M, Guseo R. Technological change in the U.S. music industry: Within-product, cross-product and churn effects between competing blockbusters. Technological Forecasting and Social Change, Elsevier, vol. 99(C). 2015. pp. 35-46

(23)

[17] Rumsey F, McCormick T. Sound and Recording. Amsterdam; Boston: Elsevier/Focal Kuudes painos. 2010. s.167-187.

[18] Ibrahim KF. DVD Players and Drives. Amsterdam: Newnes; 2003