Harmoninen spektri ja formantit
Aikaisemmin jo todettiin, että sävel koostuu useista ääneksistä eli se on ns. kompleksinen ääni. Osaäänesten voimakkuussuhteet vaihtelevat, perusäänes on yleensä voimakkain. Näitä voimakkuussuhteita kuvataan harmonisen spektrin avulla. Siinä kutakin osaäänestä vastaa esim. pylväsdiagrammi, jonka korkeus kuvaa sen suhteellista voimakkuutta verrattuna muihin osaääneksiin.
Klarinetin äänispektriä voidaan havainnollistaa esim. seuraavalla kuviolla:
Perusäänes on selvästi voimakkain ja parittomat osaäänekset ovat voimakkaampia kuin parilliset. Spektriä ei pidä ajatella vakaana, sillä äänesten väliset voimakkuussuhteet vaihtelevat koko ajan ja samallakin soittimella voi olla hyvin erilaisia spektrejä riippuen sävelkorkeudesta, äänenvoimakkuudesta, soittimesta, soittajasta yms.
Alla olevat kuviot ovat poikkihuilun äänispektrejä. Niissä pylväiden sijasta on "huippuja" sisältävä käyrä, koska varsinkin spektrien yläpää sisältää muitakin kuin harmonisia osaääneksiä.
Ensimmäisessä kuviossa huilulla on soitettu yksiviivainen c-sävel; alin piikki on n. 260 Hz. Seuraava huippu käyrässä on c2:n kohdalla (520 Hz). Nämä ovat muita huippuja selvästi korkeammat.
Toisessa kuviossa huilun ääni on g1 ja erotettavissa on neljä huippua, joista keskimmäiset ovat korkeimpia. Tästä huolimatta alin osaäänes hahmotetaan oikeana sävelkorkeutena.
Kolmannessa kuviossa huilu soittaa ylärekisterissä ja spektrissä erottuu vain yksi selkeä huippu. Neljännessä kuviossa huippuja on taas useita.
Kuvioista voidaan päätellä: a) soitinten spektrit voivat vaihdella huomattavasti sävelkorkeuden mukaan b) ihminen ei hahmota voimakkaimpia osaääneksiä useinkaan sävelkorkeuksina vaan osana soittimen sointiväriä.
Oleellista sävelyyden tajuamiselle ovat tässä peräkkäiset kokonaislukusuhteet osaäänesten (taajuuksien) välillä. Toinen osaäänes ei hahmotu perusääneksenä (sävelkorkeutena), koska seuraavan osaääneksen tulisi olla siihen nähden kaksinkertainen.
Perustaajuus voidaan aistia, vaikka se jätettäisiin osaääneistöstä pois. Sointi muuttuu tällöin ohuemmaksi. Esim. puhelimen kovaääninen ei tuota kovinkaan matalia taajuuksia. Siitä huolimatta voimme tunnistaa matalan miesäänen laulamia sävelkorkeuksia puhelimitse.
Alla oleva esimerkki havainnollistaa miten äänispektri ei ole stabiili vaan elää koko ajan. Usein osaäänessarjan ylemmät osaäänekset vahvistuvat äänenvoimakkuuden kasvaessa. Seuraavassa esimerkissä toinen ja kolmas osaäänes ovat välillä jopa ensimmäistä vahvempia.
Monilla kiinteillä kappaleilla on tietty ominaistaajuus, jolla ne värähtelevät herkemmin kuin muilla taajuuksilla. Resonanssiksi kutsutaan tätä "myötävärähtelyä", joka tapahtuu esim. monissa akustisissa soittimissa tietyillä sävelkorkeuksilla. Resonanssitaajuuksia voi olla soittimessa useitakin ja käytännössä taajuudet eivät ole yksittäisiä pisteitä vaan pikemminkin taajuusalueita. Ihmisäänen (joka sekin on instrumentti) yhteydessä näitä kutsutaan formanteiksi.
Formantti vastaa yhtä tai useampaa ääntöväylän resonanssia eli sellaista taajuutta, jonka mukaiset ääniaallot vahvistuvat jossakin ääntöväylän kohdassa. Formanttien sijainnin ja liikkeen on osoitettu vaikuttavan merkittävällä tavalla puheäänteestä syntyvään havaintoon mm. vokaalien tunnistamiseen. Ääntöväylällä on periaatteessa aina monia (äärettömästi) resonansseja, mutta niistä vain muutama vaikuttaa selvästi esim. vokaalien laadun havaintoon. Formantit ovat perustaajuudesta riippumattomia.
Kuviossa ovat vokaalien formanttialueet. Esim. a-vokaalilla ne ovat n. 600, 1 200, 2 600 ja 3 000 Hz.
Jos perustaajuus nousee formanttialueen yläpuolelle, vokaalin sävy muuttuu. Tämä on yksi syy siihen, miksi korkeista sopraanoaarioista on vaikea tunnistaa oikeita vokaalivärejä.