Spektrografi: laite, joka pilkkoo ääni-, valo- ja radioaallot

Spektrografi: laite, joka pilkkoo ääni-, valo- ja radioaallot taajuusspektriksi — paljasta värit, signaalit ja häiriöt tarkasti tutkimukseen ja analyysiin.

Spektrografi on laite, joka pilkkoo aallon taajuusspektriksi. Nämä voivat olla ääni-, valo- tai radioaaltoja. Esimerkiksi valon taajuusspektri on kirkkaus (intensiteetti) ja kunkin värin määrä. Spektrografiksi kutsutaan useita erilaisia laitteita, joita käytetään erilaisten aaltojen tarkasteluun. Termiä käytettiin ensimmäisen kerran vuonna 1884.

Toimintaperiaate

Yleisin tapa muodostaa spektri on hajottaa sisääntuleva aalto komponentteihinsa taajuuden tai aallonpituuden mukaan. Optisissa spektrografeissa tämä tehdään usein prisman tai ristiverhon (diffraction grating) avulla, joka erottelee valon eri aallonpituudet eri kulmiin. Äänispektrografit käyttävät signaalin analysointiin usein Fourier-muunnosta tai suodinsarjoja, jolloin lopputuloksena saadaan taajuus‑aikokuva eli spektrogrammi. Radiospektrografit voivat käyttää suoraan taajuuskaistan suodatusta tai digitaalista näytteistystä ja FFT-analyysiä.

Tyypit

• Optiset spektrografit – hajottavat näkyvän valon tai muualla spektrialueella olevan säteilyn; käytetään mm. tähtitieteessä ja spektroskopiassa.
• Äänispektrografit (sonogrammit) – näyttävät äänisignaalin taajuusjakauman ajan funktiona; hyödyllisiä puhe‑ ja musiikkianalyysissä sekä eläinten kutsuhuutojen tutkimuksessa.
• Radiospektrografit – mittaavat radiotaajuuksia ja niiden vaihtelua ajan kuluessa; käytetään mm. radiotutkimuksessa ja ilmakehän ilmiöiden seurannassa.
• Fourier-transform-spektrometrit – mittaavat koko signaalin interferenssikuvion ja palauttavat spektrin Fourier-muunnoksella; yleisiä infrapuna‑ ja molekyylispektrometriassa.
• Kuvantavat spektrografit (imaging spectrographs) – tuottavat sekä spatiaalista että spektristä tietoa samanaikaisesti, käytössä esim. kaukokartoituksessa ja tähtitieteellisissä havaintolaitteissa.

Käyttökohteet

• Tähtitiede: tähden koostumuksen, lämpötilan ja nopeuden määritys spektriviivojen avulla sekä galaksien punasiirtymän mittaus.
• Kemiallinen analyysi: aineiden tunnistus absorptio- ja emissiospektrien perusteella (esim. massaspektrometrit ja atomispektrometrit).
• Puhe- ja musiikkianalyysi: äänen piirteiden, formanttien ja sointivärin tutkiminen.
• Ilmakehän ja ympäristön seuranta: kaasu- ja pölypitoisuuksien mittaus, saasteiden paikantaminen.
• Telekommunikaatio ja radiovalvonta: taajuuskaistojen seuranta, häiriöiden tunnistus ja signaalien luokittelu.
• Lääketiede: esim. diagnostinen kuvantaminen ja biologisten näytteiden spektroskopia.

Tekniset ominaisuudet ja datankäsittely

Spektrografeille olennaisia parametreja ovat spektrinen resoluutio (kyky erottaa lähekkäiset taajuudet), dynaaminen alue (erilaatuisten signaalien erotuskyky) ja aikaresoluutio (kuinka nopeasti muuttuvat ilmiöt voidaan seurata). Mittaustuloksen tarkkuuteen vaikuttavat käytetty dispersioelementti (prisma, ristiverho), havaintodetektori (esim. CCD, fotomoni-ilmaisin, mikrofoni) ja kalibrointi (aallonpituus- ja intensiteettikalibrointi).

Nykyään spektrografien data käsitellään digitaalisesti: signaalit näytteistetään, suodatetaan ja muunnetaan spektriksi esimerkiksi nopealla Fourier-muunnoksella (FFT). Tulos esitetään usein spektrogrammina, jossa toinen akseli on aika, toinen taajuus ja värisävy tai kirkkaus vastaa voimakkuutta.

Suhde polykromaattoriin

Spektrografi on läheistä sukua polykromaattorille. Molemmat laitteet erottavat lähdön useisiin taajuuskomponentteihin, mutta polykromaattori voi viitata myös laitteeseen, joka valitsee tietyn aallonpituuden tai kapean kaistan kerrallaan, kun taas spektrografi tuottaa usein kokonaisspektrin samanaikaisesti ja tallentaa sen analyysiä varten.

Spektrografit ovat perusinstrumentteja monilla tieteenaloilla ja tekniikan alueilla, ja niiden kehitys digitaalisen signaalinkäsittelyn ja herkempien ilmaisinten myötä jatkuu aktiivisesti.

Hae kirjaimella