Wie genau messen Tuner Apps die Tonhöhe eines Instruments?
- Grundprinzip der Tonhöhenerkennung
- Aufnahme und Digitalisierung des Audiosignals
- Signalverarbeitung und Frequenzanalyse
- Erkennung der Grundfrequenz
- Präzision und Optimierungen
- Umrechnung in musikalische Noten
- Zusammenfassung
Grundprinzip der Tonhöhenerkennung
Tuner Apps verwenden moderne Signalverarbeitungstechniken, um die Tonhöhe eines Instruments präzise zu bestimmen.
Dabei wird das akustische Signal, das über das Mikrofon des Smartphones aufgenommen wird, als digitale Audiodaten analysiert.
Ziel ist es, die Grundfrequenz (Grundton) des Klangs zu ermitteln, welche die wahrgenommene Tonhöhe definiert.
Aufnahme und Digitalisierung des Audiosignals
Zunächst nimmt das Mikrofon des Smartphones den Klang des Instruments auf. Dieses analoge Signal wird über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) in ein digitales Signal umgewandelt.
Dieses besteht aus diskreten Messpunkten (Samples), die den Schalldruck in sehr kurzen Zeitabständen darstellen, typischerweise mit Abtastraten von 44,1 kHz oder höher.
Signalverarbeitung und Frequenzanalyse
Um die Tonhöhe zu bestimmen, wird das digitale Signal im nächsten Schritt analysiert. Eine häufig genutzte Methode ist die Fourier-Transformation, insbesondere die schnelle Fourier-Transformation (FFT).
Diese transformiert das Zeitsignal in den Frequenzbereich und zeigt an, welche Frequenzen im Signal enthalten sind und mit welcher Intensität.
Erkennung der Grundfrequenz
Allerdings ist das Audiosignal eines Instruments oft komplex und enthält nicht nur die Grundfrequenz, sondern auch zahlreiche Obertöne und Geräuschanteile.
Um die tatsächliche Grundfrequenz zu bestimmen, verwenden Tuner Apps neben der FFT oft ergänzende Algorithmen wie Autokorrelation oder Cepstrum-Analyse.
Diese Verfahren helfen, periodische Muster im Signal zu erkennen und somit die Grundfrequenz noch zuverlässiger zu bestimmen.
Präzision und Optimierungen
Die Genauigkeit der Tonhöhenerkennung hängt von verschiedenen Faktoren ab:
Die Qualität des Mikrofons, die Art des Instruments, Umgebungslärm und Rechenleistung des Geräts beeinflussen das Ergebnis.
Viele Tuner Apps nutzen daher Filter zur Rauschunterdrückung und adaptive Algorithmen, die sich an unterschiedliche Spielsounds anpassen können.
Zudem werden verschiedene Signalfenstergrößen und Überlappungen verwendet, um ein schnelles und zugleich präzises Ergebnis zu erzielen.
Umrechnung in musikalische Noten
Nach der Ermittlung der Frequenz wird diese in eine musikalische Note umgewandelt.
Dazu wird die berechnete Frequenz mit definierten Frequenzen in der temperierten Stimmung (z.B. A4 = 440 Hz) verglichen, um die nächstgelegene Note zu bestimmen.
Auch die Abweichung dieser Frequenz in Cent (Hundertstelsemiton) wird angezeigt, was dem Nutzer hilft, genau zu stimmen.
Zusammenfassung
Zusammengefasst messen Tuner Apps die Tonhöhe, indem sie den Klang des Instruments digital erfassen, mithilfe von mathematischen Verfahren die Grundfrequenz aus dem komplexen Signal herausfiltern und diese Frequenz dann in eine musikalische Note umsetzen.
Durch den Einsatz moderner Signalverarbeitung und adaptiver Algorithmen erreichen zahlreiche Tuner Apps eine sehr hohe Genauigkeit in der Tonhöhenerkennung.