Spektrum

Die grundlegende Frage, die das Spektrum beantwortet, lautet: Welche Frequenzen sind zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Klang vorhanden, und wie laut ist jede davon? Genauer gesagt: Wie groß ist für einen bestimmten kurzen Zeitraum die durchschnittliche Intensität jeder Frequenz in diesem Zeitraum?

Grundprinzipien

Während die Wellenform einen Klang im Zeitbereich zeigt (Amplitude über der Zeit), zeigt das Spektrum ihn im Frequenzbereich: Intensität über der Frequenz. Beide Ansichten beschreiben dasselbe Signal, beantworten aber unterschiedliche Fragen.

Die Umrechnung zwischen beiden Ansichten übernimmt die schnelle Fourier-Transformation (FFT). Aus einem kurzen Fenster von Audio-Samples berechnet die FFT, wie viel Energie bei jeder Frequenz vorhanden ist. Am aufschlussreichsten ist das Ergebnis bei stabilen, gehaltenen Klängen, bei denen sich das Spektrum zu einem klaren Muster einpendelt. Bei sich schnell änderndem Material erfasst jedes Spektrum nur eine flüchtige Momentaufnahme.

Das Spektrum lesen

Die waagerechte Achse zeigt die Frequenz, bei der Stimmanalyse typischerweise bis etwa 5000 Hz, und sie lässt sich auf eine lineare oder logarithmische Skala einstellen. Die senkrechte Achse zeigt die Intensität in Dezibel, mit 0 dB am oberen Rand.

Spitzen im Spektrum entsprechen starken Frequenzanteilen:

  • Scharfe, schmale Spitzen bei gleichmäßig verteilten Frequenzen sind Harmonische: Frequenzanteile bei ganzzahligen Vielfachen eines Grundtons.

  • Breite Spitzen, die mehrere Harmonische umhüllen, sind Formanten: Resonanzen des Vokaltrakts, die den Klang der Vokale formen.

Die relativen Höhen dieser Spitzen verleihen einem Klang seine Klangfarbe: Derselbe Grundton, auf verschiedene Vokale gesungen, ergibt dieselben Positionen der Harmonischen, aber unterschiedliche Formantspitzen.

Spektrumtypen

VoceVista kann das Spektrum aus Fenstern unterschiedlicher Länge berechnen, und diese Wahl beeinflusst stark, was das Spektrum zeigt.

Momentanspektrum

Wird aus einem kurzen Fenster berechnet, das um einen einzelnen Zeitpunkt zentriert ist. Reagiert schnell auf Änderungen im Signal. Das ist die detailreichste Ansicht, aber auch die unruhigste.

Gemitteltes Spektrum

Wird über ein längeres Fenster gemittelt. Glättet kurzlebige Schwankungen und liefert ein stabileres Bild gehaltener Klänge.

Langzeit-Mittelwertspektrum (Langzeitspektrum)

Wird über einen längeren Abschnitt der Aufnahme gemittelt (oft über die ganze Datei), um den spektralen Fingerabdruck einer Stimme oder eines Instruments insgesamt sichtbar zu machen. Mehr dazu unter Langzeit-Mittelwertspektrum.

Anwendungen in der Stimmwissenschaft

Für Gesangslehrer und Stimmwissenschaftler macht das Spektrum objektive Messungen für Phänomene möglich, die sonst nur subjektiv beschrieben werden. An einem einzigen gehaltenen Ton kannst Du ablesen:

  • die Grundfrequenz (die Tonhöhe der Note);

  • die Energieverteilung auf die Harmonischen, die über die Helligkeit oder Wärme der Klangfarbe entscheidet;

  • die Formanten, insbesondere Stärke und Lage des Sängerformanten bei ausgebildeten klassischen Stimmen;

  • die Wirkung verschiedener Vokale und verschiedener Gesangstechniken auf das Resonanzmuster.

In VoceVista

Das Spektrum ist Teil der Analyzer-Ansicht. FFT-Größe, Fensterfunktion und die Wahl zwischen Momentanspektrum und gemitteltem Spektrum stellst Du in den Analyzer-Einstellungen ein. Zur eigenen Langzeitanzeige siehe Langzeit-Mittelwertspektrum.