Essentials Analyser

Klang-

seher

FREQUENZANALYSE

DAS FREQUENZSPEKTRUM EINES SIGNALS DARSTELLEN UND VERSTEHEN

Realtime-Analyser: Da klingt nicht nur der Name gut. Auch das Gerät,

das dahinter steckt, ist immer ein Blickfang im Studio. Kern der Sache

ist aber natürlich – zusätzlich zum Höreindruck – die Frequenzverteilung

eines Signals optisch darzustellen. Dies kann nämlich zu so manchem

Erkenntnisgewinn über eine Mischung verhelfen, oder die Suche nach

einer bestimmten Frequenz beschleunigen. Wie das geht, lest ihr hier.

Viele Balken bewegen sich ordentlich ne-

beneinander aufgereiht im Takt der Musik

hoch und runter. So ein Analyser hat schon

so manchen Studiogast für mehrere Minuten

in seinen Bann gezogen und dadurch dem

Toningenieur eine Zeit ungestörten Arbei-

tens beschert. Was haben diese Balken nun

Sinnvolles anzuzeigen? Ähnlich geartete

Darstellungen ohne Nutzwert gibt es ja

auch in so manchen Software-Visuali-

sierungen oder Autoradio-Displays. Selbst

ein T-Shirt mit einem zur Musik animierten,

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selbst leuchtenden „Realtime-Analyser“ gibt

es schon. Buntes Gezappel überlassen wir

aber lieber den Amateuren. In diesem

Artikel soll es um wirklich nützliche Analyser

für den Studiobetrieb gehen.

Definieren wir also als Erstes, was ein

Realtime-Analyser eigentlich können soll. Er

muss in Echtzeit das Spektrum des ange-

legten Signals anzeigen können. Echtzeit

bedeutet, dass der Analyser möglichst so-

fort die Analyse und die Anzeige vornimmt,

oder dass er zumindest nur eine sehr ge-

ringe Latenz aufweist. Der Echtzeit-Faktor ist

aus mehreren Gründen wichtig: Zum einen

möchte man gerne das Signal sehen, das

man gerade hört, um die spektrale

Zusammensetzung dem Signal korrekt zu-

ordnen zu können. Dies ist besonders bei

der Kontrolle von Stereosummen wichtig.

So ist ein schnelleres Zuordnen zu den ein-

zelnen Spuren/Instrumenten möglich und

es muss nicht erst lange gesucht werden,

wo eine bestimmte spektrale Komponente

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tatsächlich herkommt. Der zweite Grund ist,

dass es einfach unerträglich nervig ist, wenn ein

Analyser dem tatsächlich gehörten Signal immer

ein Stückchen hinterherhinkt. Das ist fast so

schlimm wie eine schlechte Synchronisation zwi

schen Ton und Bild bei einem Film.

Anhand dessen können dann bestimmte

Resonanzen besser bestimmt, errechnet oder

auch beseitigt werden. Im Bereich der

Fahrzeugakustik kann eine so feine Auflösung

zum Beispiel bei der Optimierung von Motoren

hilfreich sein. Geht es jedoch um eine musika

lische Analyse, so sollte man eher an das Gehör

denken

und

sich

überlegen,

welche

Frequenzbereiche dafür sinnvoll sind. Oktaven

erscheinen bei näherer praktischer Betrachtung

als zu ungenau. Man könnte die kritischen

Frequenzbänder nehmen (als BarkSkala be

kannt). Halbtonschritte wären bestimmt auch

nicht schlecht – spielen doch sämtliche

Instrumente in diesen Intervallen. Der Standard,

der sich etabliert hat, ist die Anzeige des

Spektrums in Terzbändern. Das bedeutet, dass

mit genormten Mittenfrequenzen in Terzab

ständen die Frequenzinformation dargestellt wird.

Diese genormten Frequenzen sind hier in un

serem Kasten zu finden. Die Terzen haben sich

als guter Kompromiss zwischen Ablesbarkeit (=

begrenzte Anzahl der Frequenzbänder) und

Frequenzauflösung herausgestellt. Ja nach Ana

lyser hat man 2931 Terzbänder für die Spektrums

anzeige.

Damit man einem Analyserdisplay

sinnvolle Werte entnehmen kann, muss

man das Gerät natürlich vorher auf den

jeweiligen Bezugspegel kalibrieren.

Das Spektrum eines Signals ist die Fre-

quenzzusammensetzung des Signals.

Welche

Frequenz ist wie laut im Signal enthalten? Hierbei

stellt sich die Frage, wie genau bei der

Spektraldarstellung die Frequenzauflösung sein

muss. Das ist tatsächlich eine gute Frage, die gar

nicht so pauschal

beantwortet wer

den kann. Geht es

Es gibt zwei Typen von Analysern – aber

nur einer davon ist wirklich gut für

Musiksignale geeignet.

Je nachdem, wie das

Frequenzspektrum des Signals ermittelt wird, un

terscheidet man zwischen Filteranalysern und

um eine tech

nische

Analyse

eines Signals, so wäre es möglicherweise sinn

FFT-Analyse eignet sich besser

für technisch motivierte Messungen.

FFTAnalysern. Für Musiksignale sind die Filterana

lyser vorzuziehen. Für technisch motivierte Mes

sungen die FFTAnalyser.

Bei den Filter-Analysern wird das

Audiosignal gleichzeitig durch entspre-

chend viele Bandpassfilter geschickt und

somit in die einzelnen Frequenzbänder auf-

geteilt.

Jeder Bandpass ist hierbei eine Terz breit

(siehe Kasten) und hat eine genormte

voll, die Frequenz auf 1 Hz genau aufzulösen.

Zum Vergleich seht ihr hier jeweils so-

wohl Terzband-Analyse (unten) als auch

FFT-Analyse (oben). In der linken Grafik

wird rosa Rauschen …

Mittenfrequenz. Je nach AnalyserTyp können die

se Bandpassfilter noch eine unterschiedliche

Flankensteilheit aufweisen. Einfache Analyser fil

tern nur mit Bandpassfiltern 2. Ordnung, welche

mit einer Flankensteilheit von lediglich 6 dB/

Oktave die Nachbarfrequenzen abtrennen.

Bessere (aber auch teurere) Analyser hingegen

verwenden Bandpassfilter 6. Ordnung, welche

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… und in der rechten Grafik

weisses Rauschen dargestellt.

Fotos: Ametsbichler; Grafiken: Friesecke

bereits mit 18 dB/Oktave die Nachbarfre

quenzbänder abtrennen. Grundsätzlich gilt: Je

höher die Flankensteilheit, desto selektiver arbei

ten die einzelnen Frequenzbänder, das heißt,

desto weniger werden sie von Signalen aus

Nachbarbänden beeinflusst. Eine hohe

Selektivität ist wichtig, wenn man gleich

zeitig verschiedene Frequenzbereiche

eines Instrumentes oder eines Mixes

beurteilen möchte. So kann man bei

spielsweise auf einem Analyser mit

Filter-Analyser können sowohl analog als

auch digital aufgebaut sein.

Durch die

Tatsache, dass das Signal immer durch alle

Filter gleichzeitig läuft, ist diese Art von

Analysern zwingend echtzeitfähig. Aufgrund der

einzelner Harmonischer in einem Signal ermit

telt werden kann. Harmonische ist die

Bezeichnung für ganzzahlige Vielfache eines

Grundtons. Das wären also beispielsweise

100 Hz, 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz und so wei

ter. Im Gegensatz zu den Terzen der

FilterAnalyser haben Harmonische ein

ständig wechselndes musikalisches Inter

vall zur Folge. So ist der Unterschied zwi

schen der ersten und der zweiten Har

monischen genau eine Oktave. Zwischen

der zweiten und der dritten Harmonischen

liegt eine Quinte, zwischen der dritten und der

vierten eine Quarte und erst zwischen der

vierten und der fünften eine Terz. Oberhalb der

fünften Harmonischen werden die Intervalle je

doch weiterhin stetig kleiner als eine Terz und

ab der 16. Harmonischen liegt man bereits un

ter einem Halbtonabstand. Dabei „zerlegt“ die

FFT das Audiomaterial nicht nur in 16 Har

monische, sondern in der Regel in über 450

Harmonische, die dann alle sehr, sehr dicht bei

einander liegen.

Terzbänder sind ein guter

Kompromiss zwischen

Ablesbarkeit und Auflösung.

längeren Einschwingdauer der Filter im Bass

bereich erscheint der Bass auf der Anzeige im

mer etwas später als die Höhen. Es bildet sich

eine Art „Welle“, die von den hohen zu den tie

fen Frequenzen herunter läuft. Dies ist gleich

zeitig auch ein typisches Erkennungsmerkmal

für diese Art von Analysern.

Die FFT-Analyser bedienen sich der „Fast

Fourier Transformation“.

Das ist eine mathe

matische Berechnung mit deren Hilfe die Stärke

Filtern 6. Ordnung klar Resonanz und

Präsenzbereiche von Instrumenten trennen oder

in einem Mix gut sehen, wo noch Platz für wei

tere Signale ist. Auf einem Analyser mit Filtern 2.

Ordnung verschwimmen diese Bereiche alle mit

einander. Weiterhin erlaubt eine hohe Selektivität

auch eine höhere Anzeigedynamik (ca. 60 dB),

so dass auch laute und leise Signale gleichzeitig

darstellbar sind. Bei Analysern mit Filtern 2.

Ordnung verdecken die lauten Signale die leisen

und es gibt kaum Sinn, mehr als 30 dB

Anzeigedynamik zu haben.

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Ein Problem stellt zudem die Fre-

quenzauflösung im Bass (also bei den nied-

rigzahligen Harmonischen) dar.

Rechnet ein

FFTAnalyser beispielsweise mit einer 1.024

Punkte FFT (das kann man bei den Optionen

des Analysers ablesen und einstellen), so ergibt

dies bei 44,1 kHz Abtastfrequenz eine erste

Harmonische von 44.100 Hz / 1.024 = 43 Hz.

Terzauflösung wird erst ab der vierten Harmoni

schen (= 172 Hz) erreicht. Der gesamte

Bassbereich kann also nur sehr ungenau darge

stellt werden. Möchte man bereits ab 20 Hz

eine Terzauflösung haben, so muss die 4.

Harmonische bei 20 Hz liegen. Die erste

DAW-Analysertools gehorchen den

gleichen Gesetzen wie ihre Hardware-

Verwandten. Auch hier unterscheidet man

zwischen Terzband- und FFT-Analyse.

Harmonische ergibt sich dann bei 5 Hz und es

ist eine 8.192Punkte FFT (1. Harmonische bei

5,4 Hz bei 44,1 kHz) notwendig. Um jedoch

die FFT über 8.192Punkte durchführen zu kön

nen müssen zunächst 8.192 Samples zwi

schengespeichert wer

den. Vorher kann die

Berechnung nicht begin

nen.

Alleine

das

Ein FFT-Analyser kann noch ein großes

Problem haben.

Mit der so genannten Fen

sterung wird der zu analysierende Bereich eventu

ell noch ein und ausgeblendet. Dieser FadeIn/

FadeOutVorgang soll für eine bessere Unter

drückung von Fehlern an Anfang und Ende des zu

analysierenden Bereichs sorgen. Dort kann es zu

Knacksern und Gleichspannungsfehlern kommen,

da dieser Bereich ohne Beachtung des Signal

verlaufs einfach aus der Wellenform „ausgestanzt“

wird. Durch die FadeIn und FadeOutVorgänge

wird jedoch auch das zu analysierende Signal ein

und ausgeblendet. Dadurch können Transienten

verschwinden oder verfälscht werden. Das führt

dazu, dass stetig wiederkehrende, gleiche Signale

auf diesen Analysern immer anders aussehen – ei

ne untragbare Eigenschaft! Erst durch die so ge

nannte überlappende Fensterung kann dieses

Problem behoben werden. Glücklicherweise bie

ten immer mehr Hersteller von FFTAnalysern die

se Option an, die man auch zwingend einschalten

sollte, obwohl sie mehr Rechenleistung benötigt.

Der grundlegende Unterschied zwischen

Filter- und FFT-Analysern besteht also in de-

ren Echtzeitfähigkeit und in der Ergebnis-

darstellung.

Der Filteranalyser liefert direkt im

Frequenzbereich logarithmisch aufgeteilte Terzen

– der FFTAnalyser liefert im Frequenzbereich linear

aufgeteilte Harmonische. Letztere sind nicht dem

Hörempfinden angepasst, jedoch für technische

Analysen sehr gut geeignet. Der wohl gra

vierendste Unterschied zwischen Filter und

Je genauer die FFT-Analyse,

desto mehr Rechenleistung.

Sammeln dieser Wer te

dauert (ohne Umrechnungs und Anzeigezei

ten) bereits 8.192 Samples geteilt durch

44.100 Samples/s = 0,186 s. Eine deutlich

sichtbare Latenz zwischen gehörtem und

gesehenem Signal ist die Folge. Für die

Anforderung RealtimeAnalyser ist daher das

FFTPrinzip bei großen Analyselängen fraglich.

Der Terzband-Analyser

Die Aufteilung der Bänder: Wie und Warum.

Die genormten Terzbandmittenfrequenzen lauten:

20 Hz

200 Hz

2 kHz

25 Hz

250 Hz

2,5 kHz

31,5 Hz

315 Hz

3,15 kHz

40 Hz

400 Hz

4 kHz

50 Hz

500 Hz

5 kHz

63 Hz

630 Hz

6,3 kHz

80 Hz

800 Hz

8 kHz

100 Hz

1 kHz

10 kHz

125 Hz

1,25 kHz

12,5 kHz

160 Hz

1,6 kHz

16 kHz

20 kHz

FFTAnalyser ist die Art, wie sie das Signal

anzeigen. Der FilterAnalyser zeigt Frequenz

bereiche an, wohingegen der FFTAnalyser

einzelne Frequenzen anzeigt. Das führt zu

einem grundsätzlich unterschiedlichen

Aussehen der Signale. Ein FilterAnalyser

stellt zum Beispiel Rosa Rauschen flat dar

(engl. flat = flach; also gleicher Pegel in al

len Bändern). Bei einem FFTAnalyser sieht

man eine mit 3 dB/Oktave abfallende

Darstellung. Das Spektrum von Musik

signalen entspricht dem von Rosa Rau

schen. Das bedeutet, dass auch eine gute

Musikmischung auf einem Filteranalyser

flat aussehen sollte. Bei einem FFTAnalyser

sollte es zu einem um 3dB/Oktave abfal

lenden Verlauf kommen. Leider fehlen dort

aber irgendwie geartete Hilfslinien, um das

überhaupt korrekt beurteilen zu können.

Teilweise haben die Hersteller von FFT

Analysern bereits ihre Anzeige so ange

passt, dass die Messergebnisse ebenfalls

recording magazin 2/09

Man erkennt, dass sich die Frequenzen im Dekadenabstand wiederholen.

Möchte man sie auswendig lernen,

so genügt der Bereich von 20 Hz bis 160 Hz. Ab dann wiederholt es sich. Die Frequenzen sind die gleichen, die auch in

grafischen Terzbandequalizern Anwendung finden. Nicht jeder Analyser/EQ verfügt über alle Frequenzen im Hörbereich.

Oft wird im Bassbereich erst bei 25 Hz oder 31,5 Hz begonnen. Das Frequenzband 20 kHz ist zudem bei Digitalsignalen

mit 44,1 kHz Abtastfrequenz fragwürdig, wie die folgende Berechnung der Terzbandbreite zeigt.

Eine Terz ist eine drittel Oktave.

Sie berechnet sich durch den Faktor

√

= 1,260). Ausgehend von einer bestimmten

Mittenfrequenz geht das entsprechende Terzband jeweils um die

√

= Faktor 1,122) nach oben und nach unten (-3-dB-

Punkte der Bandpassfilter). Das 1-kHz-Terzband würde sich somit von 891 Hz bis 1,122 kHz erstrecken. Das 20-kHz-Band

würde von 17,825 kHz bis 22,44 kHz gehen – hierbei ist die obere Grenze bei einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz aufgrund

des Shannon-Nyquist-Theorems nicht mehr darstellbar.

(sobald möglich, also ab der 4. Harmonischen) in

Terzen zusammengefasst angezeigt werden.

Dadurch ist auch das Beurteilen von Musiksignalen

wieder sinnvoll möglich. Am besten macht man

einen Test mit Rosa Rauschen, um genau zu wis-

sen, was der Analyser dann tatsächlich anzeigt.

Was kann man mit einem Analyser noch

alles machen, außer gebannt darauf zu

schauen?

Die hauptsächliche Verwendung liegt

in der Analyse von einzelnen Spuren oder

Summensignalen, um (wie oben bereit beschrie-

ben) Resonanz und Präsenzbereiche schnell

identifizieren zu können, ohne dass man mit

einem Equalizersweep danach suchen muss.

Das entspannt die Ohren und man hat zudem

die Kontrolle, dass ein klanglicher Eingriff auch

technisch funktioniert hat. Weiterhin lassen sich

Summensignale unterschiedlicher Mischungen

miteinander vergleichen. Auf dies Art und Weise

kann man sich „abschauen“, wie andere ihren

Mix gestaltet haben. Zudem ist auch gut zu sehen,

ob in bestimmten Frequenzbereichen noch Platz

im Mix ist oder ob vielleicht schon zu viele Bässe

oder Höhen vorhanden sind. Der Analyser ist au-

ßerdem, im Gegensatz zu den Ohren, ein nicht

ermüdendes Werkzeug und zeigt auch nach

stundenlanger Arbeit den Frequenzgang immer

noch genauso exakt an wie in der ersten Minute.

30 Bänder sollt ihr sein: Das typische Display

eines Terzband-Analysers. Nach rechts ist die

Frequenzskala, nach oben der Pegel aufgetragen.

rein in die Anlage, muss auch wieder Rosa

Rauschen flat raus am Messmikrofon ergeben“.

Das Ergebnis lässt sich zwar mit einem Terz-

bandequalizer bewerkstelligen, oft ist jedoch der

Klang dann eher unangenehm. Das Problem liegt

darin, dass flat am Messmikrofon gerade in grö-

ßeren Räumen, Sälen und Hallen eher als

unausgeglichen empfunden wird. Im Bereich der

Kinoakustik hat man dieses Problem schon relativ

früh erkannt und so genannte Curves (engl. für

Kurven) definiert, nach denen eine Anlage einzu-

rauschen ist. Diese Curves sind nur im Bereich

zwischen 60 Hz und 2 kHz flat. Unterhalb von 60

Hz muss man auf jeden Fall mit dem Gehör ran

gehen und oberhalb von 2 kHz sollte der Pegel

stetig fallen. Üblich sind hier 3 dB/Oktave (ergibt

dann -10 dB bei 20 kHz). In kleineren Sälen kann

auch der 3 dB Verlust erst ab 4 kHz einsetzen

(ergibt dann -7 dB bei 20 kHz). Ohne diesen

Höhenabfall klingen Anlagen immer zu schrill

und unangenehm. Letztendlich entscheidet aber

dann doch das Ohr, ob‘s gut klingt – der Analyser

kann hierbei immer nur eine Hilfestellung sein.

Und auch den meisten Kinoanlagen würde ein

kundiges Ohr zuweilen gut tun, denn die Aussage

„Das muss gut klingen,

wir haben es professio-

nell eingemessen“ ist

Analyser-Filter gibt es mit

unterschiedlicher Flankensteilheit.

Einrauschen, oder nicht Einrauschen –

das ist hier die Frage!

Shakespeare hatte dieses

Problem mangels einer PA noch nicht, aber heut-

zutage ist immer wieder zu beobachten, dass PAs

mit Hilfe von Terzband-Analysern „eingerauscht“

werden. Dazu gibt man ein Rosa Rauschen auf

die Anlage, stellt ein Messmikrofon im Publikums-

bereich auf und … tja. Was nun? Der nahe lie-

gende Gedanke ist, dass man nun mit Hilfe eines

Terzbandequalizers solange den Frequenzgang

korrigiert, bis der (Filter-) Analyser das Rauschen

flat anzeigt. Nach dem Motto „Rosa Rauschen flat

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immer nur eine faule

Ausrede. Wenn es nicht

klingt, dann klingt es nicht, egal was die Technik

zu sagen hat. Der Zuhörer entscheidet letztend-

lich und tut seinen Gefallen an einem guten

Sound kund – oder eben nicht.

Der Autor

Andreas

Friesecke

Audio Engineer und Fachbuchautor.

Als Dozent unterrichtet er an der

SAE München u. a. Pegelrechnen,

Filmton und Lautsprechetechnik.