Ville Pulkki: Superkuulolla voisi paikantaa kaasuvuotoja ja kuunnella ydinsäteilyä

Aallon akustiikan laboratoriossa tehdään tilaäänen huippututkimusta. Hiljattain kehitettyä superkuuloa voisi hyödyntää huolto-, pelastus ja turvallisuusaloilla.

Aistien parantaminen on kiehtonut ihmisiä aina.

Aallon akustiikan tutkijat ovat jo vuosia kehittäneet superkuulotekniikkaa. Professori Ville Pulkin tutkimusryhmän kehittämällä laitteella voi kuulla ultraääniä, vaikkapa seurata lepakoiden elämää.

Ryhmän rakentamista kuulokkeista lähtee “tuntosarvi”, jonka päässä on pieni pallo. Ultraäänet tallennetaan pallon pinnalla olevilla mikrofoneilla. Äänet toistetaan signaalinkäsittelyn jälkeen taajuudella, jonka ihminen kuulee. Uutta on se, että laitteella voi kuulla myös äänten tulosuunnat.

Kuuloaistin uusi ulottuvuus voi parantaa myös rakennusten ja ihmisten turvallisuutta. Äänen tulosuunnan paikantaminen auttaisi esimerkiksi paikantamaan kaasuvuotoja.

Ultraäänien ohella superkuulolaitteella voisi tulevaisuudessa kuunnella elektromagneettista säteilyä tai ydinsäteilyä.

”Nykyään ihmiset menevät ydinvoimalaan geiger-mittari kädessään, mutta se ilmoittaa vain säteilystä, ei sen suunnasta. Laitteemme sen sijaan kertoisi myös suunnan, jolloin säteilyn lähteen voisi paikantaa heti ja kiertää kaukaa”, Pulkki kertoo.

Pulkin mukaan olisi mahdollista myös kehittää kaikuluotausta ihmisen avuksi. Kannettava laite tuottaisi ihmiskorville kuulumattomia ääniä, joiden heijastukset antaisivat tietoa ympäristöstä. Sitä voisi hyödyntää sokeiden apuvälineenä tai vaikka pelastustyössä palavassa talossa.

Etätyö on haaste kuuloaistille

Äänen suunnat ilmaiseva superkuulotekniikka ponnistaa tilaäänen tutkimuksesta, joka on yksi Aallon akustiikan tutkimuksen painopiste. “Musiikki-insinöörin” urasta haaveillut Pulkki päätyi 90-luvulla TKK:n ja Sibelius-Akatemian projektiin, jossa pyrittiin ohjaamaan kamarimusiikkisalin 32 kaiutinta TKK:ssa kehitetyllä 8-kanavaisella DA-muuntimella. Pulkki kehitti vektorilaskentamenetelmän sille, miten kunkin soittimen tulisi kuulua eri kaiuttimista, jotta kuulija kokisi niiden suunnat.

Pulkin kehittämää menetelmää käytetään nykyisin elokuva- ja peliäänentoistossa, kuten Dolby Atmos -järjestelmässä ja Sony Playstation VR:ssä. Elokuvan katsoja voi kuulla sateen ropinan katosta tai pelaaja kuulla pahiksen huohotuksen selkänsä takaa.

Professori, varadekaani Vesa Välimäki sanoo, että tilaäänen tutkimuksesta on tullut ajankohtaista myös etätyön vuoksi. Etäkokouksissa osallistujia ei voi erottaa toisistaan sen perusteella, mistä suunnasta ääni tulee, mikä tekee kuuntelusta raskaampaa.

”Nykyiset verkkoyhteydet eivät myöskään mahdollista samanaikaista puhumista, mikä sekin on osa luonnollista keskustelua.”

Aallossa työelämäprofessori Sebastian Schlecht tutkii videoneuvottelujärjestelmien kehittämistä hyödyntäen monikanavaista äänentoistoa ja päänseurantatekniikkaa.

”Etätyö kuormittaisi vähemmän, jos ihmisille saataisiin parempaa etäläsnäolotekniikkaa”, Välimäki sanoo.

Teksti: Terhi Hautamäki

1990-luku: Nokian nousu kiritti akustiikan tutkimusta

Otaniemen akustiikan laboratoriossa tehtiin jo 1980-luvulla uraauurtavaa työtä puhesynteesin ja puheakustiikan alalla. Uinuva ala lähti kasvuun puhelinteollisuuden imussa.

Suomalaisen akustiikan tutkimuksen uranuurtajien Matti Karjalaisen ja Unto K. Laineen yhteistyö alkoi jo teekkarivuosina elektronisen musiikin kokeiluista. Villinä viikonloppuna Tampereen teknillisen korkeakoulun laboratoriossa syntyi hauskaa “vätkytystä”, ihmisääntä muistuttavia soundeja.

Professori Boris Segerståhl ehdotti, että Laine ja Karjalainen lähtisivät kehittämään suomea puhuvaa konetta.

”Innokkaina lähdimme mukaan, vaikka olimme puheen akustiikassa keltanokkia”, Laine kertoo.

Tekstiä puheeksi muuntavat syntetisaattorit olivat tuohon aikaan kaapin kokoisia tietokoneita. Markkinoille oli tullut yhdelle piisirulle integroitu mikropiiri, jonka ansiosta Laine ja Karjalainen saivat rakennettua laitteen kannettavaan kokoon. Synte 2 herätti kansainvälistä mielenkiintoa.

Vielä 1980-luvun alussa akustiikan tutkimus oli Suomessa lapsenkengissään. Välineitä ja tutkimusta oli hyvin vähän.  Otaniemessä oli sentään korkealaatuiset kaiuttomat huoneet.

Alan tutkimus lähti liikkeelle, kun Karjalainen (1946–2010) nimitettiin akustiikan apulaisprofessoriksi 1980 ja professoriksi 1986.

Kollega ja muusikkoystävä Unto K. Laine tuli perässä ja väitteli ensimmäisenä akustiikan alalta Teknillisessä korkeakoulussa 1989. Hän toimi puheteknologian professorina Aallossa vuoteen 2015.

TKK:ssa valmistuneessa väitöskirjassaan Laine kehitti puhesynteesin soveltamaa akustista teoriaa edelleen. Aiemmassa mallissa oli jäänyt varjoon se, miten äänen säteily suuaukolta vaikuttaa ääntöväylän – äänihuulten ja huulten välisen alueen – resonansseihin.

“Vallitsevan teorian mukaan rakennetussa laitteessa avoimet /a/ ja /ä/ -äänteet olivat räikeän voimallisia, kun taas suppeat /y/ ja /u/ liian umpinaisia.  Ne eivät kuulostaneet saman henkilön vokaaleilta. Puheen akustinen teoria kaipasi kohennusta.”

Laineen tietokonesimulaatiot avasivat uuden näkökulman äänen säteilyn ja ääntöväylän vuorovaikutukseen. Syntyi patentoitu ääntöväylämalli PARCAS.

Uskallusta uusille urille

1990-luvulla pieni akustiikan ala alkoi kasvaa nopeasti ja lähti nousemaan nykyiselle korkealle kansainväliselle tasolleen.

”Nokialla oli valtava tarve diplomi-insinööreille, joilla oli ymmärrystä puheakustiikasta, puheen koodaamisesta ja digitaalisesta signaalinkäsittelystä. Koulutimme satoja insinöörejä puhelinteollisuuteen.”

Laine sanoo, että laboratoriota johtaneella Karjalaisella oli uskallusta lähteä uusille urille tutkimaan aiheita, joita Suomessa ei ollut juuri tutkittu. Karjalainen kehitti itse tutkimusvälineitä, joita ei digitalisaation alkuvaiheessa ollut saatavilla ja loi ohjelmistoja äänen ja puheen tutkimukseen.

”Ilmapiiri oli hyvä ja luova. Saimme tehdä, kokeilla ja innovoida.”

1990-luvulla käynnistettiin muun muassa psykoakustiikan, huoneakustiikan ja musiikkiakustiikan tutkimusaloja, joilla nykyisin on Aallossa omat professuurit.

Teksti: Terhi Hautamäki