Schall, Frequenz und Dezibel

Worum es geht

Luca, Mediamatiker im 3. Lehrjahr bei den Verkehrsbetrieben Seeland, bekommt seine erste Rückmeldung zum Podcast-Testlauf: «Klingt irgendwie dumpf, ist zu leise und beim Lachen kratzt es.» Drei Probleme, drei Ursachen. Dumpf hat mit Frequenzen zu tun, zu leise mit Lautheit, und das Kratzen ist Clipping, also ein Pegelproblem. Wer diese drei Begriffe nicht sauber auseinanderhalten kann, dreht im Schnittprogramm planlos an Reglern und macht es oft schlimmer.

Diese Lektion ist das Fundament für alles Weitere. Du lernst, was Schall physikalisch ist, welche Frequenzen eine Stimme ausmachen und warum Tontechnikerinnen alles in Dezibel (dB) angeben. Am Schluss kannst du mit dB rechnen: Du weisst, was +6 dB bedeutet, warum zwei gleich laute Lüfter nicht doppelt so laut sind und warum auf deinem Pegelmesser lauter negative Zahlen stehen. Das klingt nach Theorie, ist aber das Werkzeug, mit dem du später jeden Regler bewusst einstellst.

Schall: Druckwellen in der Luft

Wirf einen Stein ins Wasser, und es breiten sich Ringe aus. Das Wasser selbst wandert kaum, es schwingt nur auf und ab und gibt die Bewegung weiter. Schall funktioniert in der Luft ähnlich: Eine Schallquelle, zum Beispiel deine Stimmbänder, drückt Luftteilchen zusammen und zieht sie wieder auseinander. Diese Druckschwankungen wandern mit rund 343 m/s (bei 20 °C) durch den Raum, bis sie auf dein Trommelfell oder auf die Membran eines Mikrofons treffen.

Zwei Eigenschaften beschreiben eine Schallwelle:

• Frequenz (in Hertz, Hz): wie oft pro Sekunde der Druck schwankt. Hohe Frequenz bedeutet hoher Ton. 440 Hz ist der Kammerton A.
• Amplitude: wie stark der Druck schwankt. Grosse Amplitude bedeutet lauter Ton.

Aus Frequenz und Schallgeschwindigkeit ergibt sich die Wellenlänge: λ = c / f. Ein Ton mit 100 Hz ist 343 / 100 = 3.43 m lang, ein Ton mit 5000 Hz nur knapp 7 cm. Das erklärt später vieles: Tiefe Frequenzen wandern um Hindernisse herum und lassen sich kaum dämpfen, hohe Frequenzen werden schon von einem Vorhang geschluckt.

Der Hörbereich

Ein junger, gesunder Mensch hört ungefähr von 20 Hz bis 20 kHz. Mit dem Alter und mit Lärmbelastung sinkt die obere Grenze deutlich. Am empfindlichsten ist das Gehör zwischen etwa 2 und 5 kHz. Genau dort liegen viele Konsonanten, die über die Verständlichkeit entscheiden.

Für deine Arbeit mit Sprache brauchst du diese Landkarte:

Warum Dezibel?

Das Ohr verarbeitet einen riesigen Bereich: Der leiseste hörbare Schalldruck ist etwa 20 Mikropascal, die Schmerzgrenze liegt rund eine Million Mal höher. Mit solchen Zahlen kann niemand arbeiten. Ausserdem empfinden wir Lautstärke nicht linear: Eine Verdopplung des Schalldrucks klingt nicht doppelt so laut.

Darum verwendet die Tontechnik das Dezibel, ein logarithmisches Verhältnismass. Ein dB-Wert sagt immer: «so viel grösser oder kleiner als ein Bezugswert». Ohne Bezugswert ist eine dB-Angabe nur ein Verhältnis.

Zwei Formeln, die du kennen musst

Für Amplituden (Schalldruck, Spannung, Sample-Werte) gilt:

Pegeländerung in dB  = 20 × log10(Faktor)
Faktor               = 10^(dB / 20)

Daraus folgen Faustregeln, die du auswendig kannst:

Für Leistungen und Intensitäten (Watt) steht in der Formel 10 statt 20. In der Audiobearbeitung arbeitest du aber fast immer mit Amplituden, also mit der 20er-Formel.

dB SPL und dBFS: zwei verschiedene Welten

Jetzt kommt der Bezugswert ins Spiel. Für dich sind zwei dB-Skalen wichtig:

• dB SPL (Sound Pressure Level) beschreibt Schall in der Luft. Bezugswert sind 20 µPa, die Hörschwelle. 0 dB SPL ist also gerade noch hörbar. Ein ruhiges Büro hat etwa 40 dB SPL, ein Gespräch in 1 m Abstand rund 60 dB SPL, ein lauter Konzertsaal über 100 dB SPL.
• dBFS (Decibel Full Scale) beschreibt Pegel im Computer. Bezugswert ist der grösste Wert, den das digitale System speichern kann: 0 dBFS. Alles darunter ist negativ. -6 dBFS heisst «halbe Amplitude des Maximums», -18 dBFS heisst «etwa ein Achtel».

Der Pegelmesser in Audacity, Reaper oder Audition zeigt dBFS. Deshalb stehen dort nur negative Zahlen, und deshalb ist 0 dBFS eine harte Wand: Grössere Werte kann eine Datei mit Ganzzahlen (16 oder 24 Bit) nicht speichern. Was darüber hinausgeht, wird abgeschnitten. Das ist das Clipping, das Luca beim Lachen gehört hat.

Pegel addieren: Warum 2 Lüfter nicht doppelt so laut sind

Im Sitzungszimmer läuft ein Beamer-Lüfter mit 40 dB SPL. Jemand schaltet einen zweiten, gleich lauten Laptop-Lüfter ein. Wie laut ist es jetzt? Nicht 80 dB, sondern 43 dB.

Der Grund: Unabhängige Schallquellen (Lüfter, Stimmen im Hintergrund, Verkehr) addieren ihre Leistungen, nicht ihre dB-Werte. Dafür rechnest du jeden Pegel in eine Leistung um, addierst und rechnest zurück:

L_gesamt = 10 × log10( 10^(L1/10) + 10^(L2/10) + ... )

Faustregeln für die Praxis:

• Zwei gleich laute Quellen: +3 dB.
• Zehn gleich laute Quellen: +10 dB.
• Ist eine Quelle 10 dB leiser als die andere, ändert sie den Gesamtpegel um weniger als 0.5 dB. Sie fällt kaum ins Gewicht.

Eine Ausnahme: Zwei identische Signale, die exakt gleichzeitig ankommen (zum Beispiel dieselbe Spur doppelt in der Timeline), addieren sich als Amplituden und werden 6 dB lauter. Sind sie gegenphasig, löschen sie sich aus. Das wirst du beim Mischen wieder antreffen.

Schritt für Schritt: Pegelrechnung im Pausenraum

Luca misst vor der Aufnahme im Pausenraum mit einer Schallpegel-App (nur als grobe Orientierung) die Störquellen: Kaffeemaschine 52 dB SPL, Kühlschrank 44 dB SPL, Lüftung 44 dB SPL. Die Stimme der Chauffeurin erreicht am Mikrofon etwa 70 dB SPL. Er will wissen, wie gross der Abstand zwischen Stimme und Störgeräusch ist.

Schritt 1: Pegel in Leistungsanteile umrechnen. Jede Quelle wird zu 10^(L/10):

Kaffeemaschine: 10^(52/10) = 10^5.2 = 158 489
Kühlschrank:    10^(44/10) = 10^4.4 =  25 119
Lüftung:        10^(44/10) = 10^4.4 =  25 119

Schritt 2: Leistungsanteile addieren. 158 489 + 25 119 + 25 119 = 208 727.

Schritt 3: Zurück in dB. 10 × log10(208 727) = 10 × 5.32 = 53.2 dB SPL. Die beiden 44er-Quellen zusammen ergeben 47 dB und heben die Summe nur um gut 1 dB an.

Schritt 4: Abstand zur Stimme. 70 minus 53.2 = 16.8 dB. Das ist für einen Podcast zu wenig. Als Richtwert sollte das Störgeräusch mindestens 30 dB unter der Sprache liegen, damit es in Pausen nicht stört.

Schritt 5: Wirkung der Massnahme berechnen. Ohne Kaffeemaschine bleiben 44 und 44 dB: 10 × log10(2 × 25 119) = 47 dB SPL. Der Abstand steigt auf 23 dB. Besser, aber noch nicht gut. Darum wechselt Luca in einen ruhigeren Raum und rückt näher ans Mikrofon. Wie viel das bringt, rechnest du in Lektion 3 aus.

Schritt 6: Gain-Änderung verstehen. Beim Pegeltest zeigt der Rekorder Spitzen bei -2 dBFS. Luca will sie auf -8 dBFS bringen, also 6 dB weniger Gain. Der Amplitudenfaktor ist 10^(-6/20) = 0.50: Die Spitzen werden halb so gross.

Jetzt bist du dran: Bring Python bei, diese Umrechnungen zu machen. Wer sie programmieren kann, versteht sie wirklich.

Typische Fehler

• dB-Werte einfach addieren. 40 dB + 40 dB ist nicht 80 dB, sondern 43 dB. Pegel unabhängiger Quellen addierst du immer über die Leistungen.
• +6 dB für «doppelt so laut» halten. +6 dB verdoppelt die Amplitude. Als doppelt so laut empfinden wir erst etwa +10 dB. Wer ein Signal «doppelt so laut» machen soll, braucht also deutlich mehr als 6 dB.
• Positive dBFS-Werte erwarten. Im Computer ist 0 dBFS das Maximum. Ein Pegel von «+3 dBFS» existiert in einer 24-Bit-Datei nicht, dort ist bereits geclippt.
• dB SPL und dBFS verwechseln. «Die Stimme hatte -18 dB» ist nur mit Skala eindeutig. Schreib immer dazu, ob du die Luft (dB SPL) oder die Datei (dBFS) meinst.
• Den Grundton wegfiltern. Wer bei einer Männerstimme den Hochpass auf 200 Hz setzt, schneidet den Grundton ab. Die Stimme klingt dünn wie am Telefon.

Zusammenfassung

• Schall sind Druckschwankungen in der Luft. Frequenz bestimmt die Tonhöhe, Amplitude die Lautstärke. Wellenlänge = 343 m/s geteilt durch Frequenz.
• Hörbereich etwa 20 Hz bis 20 kHz. Für Sprache wichtig: Grundton 85 bis 255 Hz, Dröhnen 200 bis 400 Hz, Präsenz 2 bis 5 kHz, Zischlaute 5 bis 9 kHz.
• Dezibel ist ein Verhältnis. Amplituden: dB = 20 × log10(Faktor). +6 dB ≈ doppelte Amplitude, +10 dB ≈ doppelt so laut empfunden, +20 dB = Faktor 10.
• dB SPL misst Schall in der Luft (0 dB = Hörschwelle), dBFS misst im Computer (0 dBFS = Maximum, alles andere negativ).
• Unabhängige Quellen addieren sich über die Leistung: Zwei gleich laute Quellen ergeben +3 dB.
• Den lautesten Störer zuerst ausschalten: Leisere Quellen tragen kaum zum Gesamtpegel bei.