Met frequentieanalyse zie je uit welke frequenties een geluid bestaat en hoe sterk elke frequentie aanwezig is. Toonhoogteanalyse gaat een stap verder: die bepaalt welke grondtoon je hoort, en dus welke noot een geluid heeft. Beide werken met dezelfde wiskunde (de Fourier-transformatie) en je kunt ze gratis uitvoeren in je DAW, in een losse analyzer of zelfs in je browser. In dit artikel lees je hoe het werkt, hoe je een analyzer leest en wat je er als sound designer concreet mee doet.

Wat is een frequentiespectrum?

Elk geluid is te beschrijven als een optelsom van sinusgolven met verschillende frequenties, sterktes en fases. Het frequentiespectrum laat die bouwstenen zien: op de horizontale as staat de frequentie (meestal logaritmisch, van 20 Hz tot 20 kHz), op de verticale as het niveau in decibel.

Hoe dat spectrum eruitziet, verschilt sterk per soort geluid:

• Toonhoudende geluiden zoals een gitaarsnaar, een stem of een synthesizer met een zaagtand hebben een grondtoon plus boventonen op hele veelvouden daarvan. Een A van 110 Hz heeft harmonischen op 220, 330, 440 Hz enzovoort.
• Ruisachtige geluiden zoals wind, een sisser of een explosie hebben energie verspreid over een breed gebied, zonder duidelijke pieken.
• Metaalachtige en klokachtige geluiden hebben pieken die níet op hele veelvouden liggen (inharmonische boventonen). Daardoor klinken ze minder als een duidelijke noot.

De verhouding tussen die boventonen en de manier waarop ze in de tijd veranderen, bepaalt grotendeels de klankkleur (het timbre). Twee instrumenten die dezelfde noot spelen, hebben dezelfde grondtoon maar een ander spectrum.

Spectrum en spectrogram

Een spectrum is een momentopname of een gemiddelde over een stukje tijd: je ziet welke frequenties er zijn, maar niet wanneer. Een spectrogram voegt de tijd toe: horizontaal loopt de tijd, verticaal de frequentie en de kleur of helderheid geeft het niveau aan. In een spectrogram zie je bijvoorbeeld een klik als een verticale streep, een fluittoon als een horizontale lijn en een stem als een reeks golvende parallelle lijnen (de harmonischen). Voor restauratie en sound design is het spectrogram vaak het nuttigste beeld.

Hoe werkt frequentieanalyse van geluid?

Bijna elke digitale analyzer gebruikt de Fast Fourier Transform (FFT), een snelle rekenmethode voor de discrete Fourier-transformatie. De FFT neemt een blok samples, het analysevenster, en berekent welke frequenties daarin zitten. Voor een spectrogram herhaalt de software dat steeds voor een volgend, meestal overlappend venster. Dat heet een short-time Fourier transform (STFT).

De belangrijkste instellingen

• FFT-grootte. Het aantal samples per venster, bijvoorbeeld 1024, 4096 of 16384. De frequentieresolutie is de sample rate gedeeld door de FFT-grootte. Bij 48 kHz en een FFT van 4096 is dat ongeveer 11,7 Hz per stap, en het venster duurt ongeveer 85 milliseconden.
• De afweging tussen tijd en frequentie. Een groter venster geeft meer detail in het laag, maar vlekt snelle gebeurtenissen uit. Een kleiner venster toont transiënten scherp, maar kan twee basnoten die dicht bij elkaar liggen niet meer scheiden. Voor baswerk kies je dus een grote FFT, voor transiënten een kleine.
• Vensterfunctie. Een venster als Hann of Blackman-Harris laat het signaal aan de randen van het blok zacht in- en uitfaden. Dat beperkt lekkage van energie naar naburige frequenties, waardoor pieken zuiverder zichtbaar worden.
• Middeling en peak hold. Middelen over tijd geeft een rustiger beeld van de algemene klankbalans. Peak hold laat zien wat het hoogste niveau per frequentie was, handig om uitschieters te vinden.
• Bereik. Een analyzer kan nooit hoger kijken dan de helft van de sample rate (de Nyquist-frequentie). Bij 44,1 kHz is dat 22,05 kHz, bij 96 kHz 48 kHz.

Andere analysemethoden

Naast de FFT zijn er methoden die voor specifieke doelen beter werken. De constant-Q-transformatie gebruikt banden die meeschalen met de frequentie, net als toonladders en ons gehoor. Daardoor is ze geschikt voor muzikale analyse. Wavelet-analyse werkt ook met een tijdresolutie die afhangt van de frequentie: fijn in de tijd voor hoge frequenties, fijn in frequentie voor lage. Het cepstrum (een spectrum van het logaritmische spectrum) maakt regelmatige patronen in de harmonischen zichtbaar en wordt gebruikt voor toonhoogte- en spraakanalyse.

Een analyzer lezen

De meeste muziek en veel natuurgeluiden hebben van nature meer energie in het laag dan in het hoog. Daarom hebben veel analyzers een instelbare helling (tilt), bijvoorbeeld 3 of 4,5 dB per octaaf, zodat een gebalanceerde mix er ongeveer vlak uitziet. Afvlakking (smoothing) in bijvoorbeeld derde-octaafbanden maakt de grote lijnen beter leesbaar. Vergelijk altijd met dezelfde instellingen, anders vergelijk je appels met peren.

Toonhoogteanalyse: van frequentie naar noot

Toonhoogte is een waarneming. Bij een harmonisch geluid valt die meestal samen met de grondfrequentie (f0), maar niet altijd met de hardste piek in het spectrum. Het gehoor reconstrueert de grondtoon zelfs als die ontbreekt, zolang de harmonischen er zijn. Dat heet het effect van de ontbrekende grondtoon (missing fundamental). Daarom is goede toonhoogtedetectie meer dan de hoogste piek zoeken.

Hoe software de toonhoogte bepaalt

• Autocorrelatie zoekt naar de periode waarmee de golfvorm zichzelf herhaalt. Bekende varianten zoals het YIN-algoritme zijn hierop gebaseerd.
• Harmonische analyse zoekt in het spectrum naar een reeks pieken op gelijke afstanden en leidt daaruit de grondtoon af.
• Cepstrumanalyse haalt de periodiciteit uit het spectrum zelf.

Voor één stem of één instrument (monofoon) werkt dit betrouwbaar. Akkoorden en mixen (polyfoon) zijn veel lastiger. Melodyne van Celemony kan met zijn Direct Note Access ook losse noten in akkoorden detecteren en bewerken.

Rekenen met noten en frequenties

• De gangbare stemtoon is A4 = 440 Hz.
• Een octaaf hoger is een verdubbeling van de frequentie: A5 = 880 Hz, A3 = 220 Hz.
• Een halve toon is een factor van ongeveer 1,0595 (de twaalfde machtswortel van 2). Een halve toon is verdeeld in 100 cent.
• De centrale C (C4) ligt op ongeveer 261,6 Hz.

Met die regels kun je een gemeten frequentie omzetten naar een noot. Een impact die rond de 98 Hz resoneert, zit bijvoorbeeld dicht bij een G2. Wil je dat geluid passend maken bij muziek in een andere toonsoort, dan weet je precies hoeveel halve tonen je moet transponeren met time-stretching en pitch-shifting.

Wat doe je er als sound designer mee?

Problemen opsporen en oplossen

• Brom en zoem. Netbrom zit in Europa op 50 Hz met harmonischen op 100, 150, 200 Hz enzovoort (in Noord-Amerika 60 Hz). Op een spectrum zie je precies welke pieken je met een smal filter kunt wegnemen.
• Resonanties. Een fluitende piek in een opname van een metalen object of een galmende ruimte is in een spectrum of spectrogram snel te vinden. Daarna knip je die met een smalle EQ-band weg.
• Rommel in het laag. Windgeruis, voetstappen op een statief of verkeer zitten vaak onder de 80 Hz. Een analyzer laat zien of een low-cut zin heeft.
• Clicks, tikken en storende geluiden. In een spectrogram kun je ze zien en met spectrale bewerking gericht verwijderen, zonder de rest van het geluid aan te tasten.

Mixen en maskering

Als twee geluiden energie in hetzelfde gebied hebben, maskeren ze elkaar. Analyzers die twee sporen over elkaar heen tonen, laten zien waar die overlap zit. Zo zie je bijvoorbeeld dat een laag gerommel en een stem allebei rond de 200 tot 400 Hz duwen. Een goede basis voor de oplossing vind je in het artikel over EQ-technieken voor sound designers.

Geluiden ontleden en namaken

Wil je een geluid nabouwen met een synthesizer, dan laat een spectrum zien hoe de harmonischen zijn opgebouwd: alleen oneven harmonischen wijzen op een blokgolf-achtig karakter, een volle reeks op een zaagtand. Met die kennis kies je sneller de juiste oscillator of bouw je de klank op met additieve synthese.

Stemmen op toonsoort

Effecten, drones en impacts die in een muziekstuk vallen, klinken beter als ze in de toonsoort zitten. Met een tuner of toonhoogteanalyse bepaal je de grondtoon van je bronmateriaal en transponeer je het naar een passende noot.

Ruimteakoestiek

Met een meetmicrofoon en gratis meetsoftware analyseer je de frequentierespons van je kamer en vind je staande golven in het laag. Hoe je dat aanpakt, lees je in de akoestiek van je kamer meten met gratis software.

Frequentieanalyse online en met gratis software

Je hoeft niets te kopen om te beginnen. Er zijn online spectrumanalyzers die in de browser draaien en het signaal van je microfoon of een geüpload bestand tonen. Die zijn handig voor een snelle blik, maar je hebt weinig controle over FFT-grootte en kalibratie, en de ingebouwde microfoon van een laptop of telefoon is niet lineair. Voor serieus werk zijn deze gratis programma’s een betere keuze:

Tool	Wat het doet	Platform
Ingebouwde analyzer van je DAW	Spectrum in de EQ of een los analyse-effect, bijvoorbeeld Spectrum in Ableton Live of de analyzer in Channel EQ van Logic Pro	Afhankelijk van de DAW
Audacity	Gratis audio-editor met spectrogramweergave per spoor en een spectrumplot van een selectie	Windows, macOS, Linux
Sonic Visualiser	Gratis analyseprogramma met spectrogrammen en uitbreidbaar met plugins, onder meer voor toonhoogtedetectie	Windows, macOS, Linux
Voxengo SPAN	Gratis spectrumanalyzer als plugin in je DAW	Windows, macOS
Room EQ Wizard (REW)	Gratis meetsoftware voor ruimteakoestiek en luidsprekers	Windows, macOS, Linux

Voor toonhoogtebewerking zijn betaalde tools als Melodyne en de pitchcorrectie in je DAW (zoals Flex Pitch in Logic Pro) de gangbare keuze. Voor uitgebreide restauratie in een spectrogram is iZotope RX een veelgebruikte standaard. Meer over plugins en hun formaten lees je in het gebruik van plugins en VST’s.

Valkuilen bij frequentieanalyse

• Mixen met je ogen. Een analyzer toont energie, geen waargenomen luidheid. Het gehoor is het gevoeligst tussen grofweg 2 en 5 kHz en veel minder gevoelig in het diepe laag, zeker op lage volumes. Een piek die er groot uitziet, hoeft niet storend te klinken.
• Te kleine FFT voor het laag. Met een kleine FFT kun je basnoten en kamermodi niet van elkaar onderscheiden. Zet de FFT-grootte omhoog als je onder de 200 Hz werkt.
• Vergeten wat er buiten beeld valt. Een spectrum zegt niets over fase, stereobeeld of dynamiek. Combineer de analyzer met een correlatiemeter en een luidheidsmeter, en luister altijd kritisch.
• Vergelijken met verschillende instellingen. Een andere helling, afvlakking of FFT-grootte geeft een ander beeld. Leg een vaste instelling vast voor referentiewerk.

Veelgestelde vragen

Wat is frequentieanalyse van geluid?

Frequentieanalyse is het ontleden van een geluid in de frequenties waaruit het bestaat, met het niveau van elke frequentie. Meestal gebeurt dat met een FFT, die het resultaat toont als een spectrum of spectrogram.

Kan ik online een frequentieanalyse doen?

Ja, er zijn browsergebaseerde analyzers die je microfoon of een audiobestand analyseren. Voor nauwkeurig werk zijn gratis programma’s als Audacity, Sonic Visualiser of de analyzer in je DAW betrouwbaarder, omdat je daar de instellingen zelf bepaalt.

Wat is het verschil tussen een spectrum en een spectrogram?

Een spectrum toont welke frequenties er op één moment of gemiddeld aanwezig zijn. Een spectrogram toont daarnaast hoe die frequenties in de tijd veranderen, met kleur of helderheid voor het niveau.

Hoe bepaal je de toonhoogte van een geluid?

Software zoekt de grondfrequentie, meestal via autocorrelatie of door de afstand tussen de harmonischen te meten, en zet die om naar een noot op basis van A4 = 440 Hz. Een tuner-plugin of een tool als Melodyne doet dit automatisch.

Welke FFT-grootte moet ik kiezen?

Voor algemeen gebruik is 4096 of 8192 samples een goede middenweg. Kies groter voor nauwkeurig werk in het laag en kleiner als je snelle transiënten wilt zien.