Grundlagen der Akustik: Frequenz, Amplitude und Klangphänomene

Grundlagen der Akustik und Klangwahrnehmung

Die Natur des Klangs: Schwingung und Ausbreitung

Klang ist eine Schwingung, die sich durch die Luft ausbreitet. Es gelten die gleichen Grundsätze, als wenn wir einen Stein in einen Teich werfen: Die durch den Stein verursachte Störung versetzt das Wasser in Schwingung, die sich in alle Richtungen ausbreitet, bis ihre Amplitude so gering ist, dass sie nicht mehr wahrgenommen werden kann.

Frequenz: Die Tonhöhe in Hertz (Hz)

Die Häufigkeit, mit der eine Schwingung pro Sekunde erzeugt wird, ist als Frequenz bekannt. Die Frequenz des Schalls wird in Hertz (Hz) gemessen. Eine Person mit gesunden Ohren kann Frequenzen von etwa 20 Hz bis 20.000 Hz (20 kHz) hören.

Wenn diese Luftschwingungen unsere Ohren erreichen, werden sie in elektrische Signale umgewandelt, die unser Gehirn interpretieren kann. Ein Mikrofon funktioniert ähnlich, indem es die akustischen Schwingungen in elektrische Energie umwandelt, sodass sie manipuliert, gespeichert und wiedergegeben werden können. Dieses Signal wird als analoges Signal bezeichnet.

Die einfachste Wellenform ist die Sinuswelle, die durch eine konstante Amplitude und Frequenz gekennzeichnet ist. Solche Wellen werden häufig für Studien verwendet, da jedes komplexe Signal durch Fourier-Transformation in eine Reihe von Sinuswellen zerlegt werden kann.

Amplitude: Stärke und Lautstärke in Dezibel (dB)

Die Amplitude einer Welle gibt uns Auskunft über ihre Stärke oder Signalleistung. Die Maßeinheit für die Schallstärke ist das Dezibel (dB).

Das menschliche Ohr nimmt Schwankungen in der Lautstärke logarithmisch wahr. Eine leichte Veränderung der physikalischen Stärke kann bereits eine wahrgenommene Intensitätsänderung bedeuten, was die hohe Empfindlichkeit des Ohres unterstreicht. Man sagt, dass eine Erhöhung von nur 3 dB die physikalische Schallleistung verdoppelt, wir empfinden dies jedoch nur als einen leichten Anstieg der Lautstärke. Erst ein Anstieg von etwa 10 dB wird von unseren Ohren als Verdoppelung der wahrgenommenen Lautstärke empfunden.

Akustische Phänomene

Echo: Schallreflexion

Das Echo ist ein Phänomen, bei dem Schallwellen reflektiert werden, sodass unsere Ohren den Klang mehr als einmal wahrnehmen können.

Um ein deutliches Echo wahrzunehmen, muss der Abstand zwischen der Schallquelle und der reflektierenden Fläche mindestens 17 Meter betragen.

Nachhall (Reverb): Überlagerung von Schallwellen

Der Nachhall ist das Phänomen, bei dem ein Klang verlängert wird, nachdem er reflektiert und ausgestrahlt wurde. Dies ist das Ergebnis der Überlagerung vieler reflektierter Schallwellen. Die Dauer dieses Vorgangs wird als Nachhallzeit bezeichnet.

Resonanz: Mitschwingen von Körpern

Resonanz ist das Phänomen, bei dem ein Körper in starke Schwingung versetzt wird, wenn er einer Tonfrequenz ausgesetzt wird, die seiner eigenen natürlichen Schwingungsfrequenz entspricht.

Der Körper, der in Resonanz schwingt, wird als Resonator bezeichnet. Die Schwingung, die die Resonanz auslöst, wird als Erregerschwingung (oder Treiber) bezeichnet.

Sound Masking: Wenn ein Ton den anderen überdeckt

Wenn das Ohr gleichzeitig zwei oder mehr Tönen ausgesetzt ist, besteht die Möglichkeit, dass einer dieser Töne die Wahrnehmung des anderen maskiert. Genauer gesagt handelt es sich um einen Effekt, der die Wahrnehmung eines schwächeren Klangs verhindert, wenn gleichzeitig ein lauterer Klang gehört wird. Der schwächere Ton wird unhörbar, da das Gehirn nur den maskierenden Ton verarbeitet.

Ein lauter Ton hat eine größere Maskierungswirkung auf leisere Töne, deren Frequenz nahe an der des maskierenden Tons liegt.

Digitale und Analoge Signale

Digital-Analog-Wandlung (DAC)

Ein Digital-Analog-Wandler (DAC) ist ein elektronisches Gerät, das digitale Signale (meist binäre Daten) in ein analoges Signal (meist Spannung oder elektrische Ladung) umwandelt. DACs dienen als Schnittstelle zwischen der abstrakten digitalen Welt und der realen analogen Welt. Der umgekehrte Vorgang wird von einem Analog-Digital-Wandler (ADC) durchgeführt.

Diese Wandler werden in allen Arten von Audio-Playern verwendet, da Audiosignale (z. B. auf CDs oder als MP3s) digital gespeichert sind. Um über Lautsprecher hörbar zu sein, müssen diese Daten in ein analoges Signal umgewandelt werden. Digital-Analog-Wandler finden sich in CD-Playern, digitalen Musik-Playern, PC-Soundkarten und vielen anderen Geräten.

Die ADSR-Hüllkurve: Zeitlicher Verlauf des Klangs

Klang ist kein statisches Phänomen. Im Gegenteil, jede Frequenzkomponente eines Klangs hat in der Regel ihren eigenen zeitlichen Verlauf. Im Zeitbereich weist der Klang als Ganzes eine allgemeine Amplituden-Hüllkurve auf. Die ADSR-Hüllkurve (Attack, Decay, Sustain, Release/Entspannung) beschreibt diesen zeitlichen Verlauf.

Die Abschnitte dieser Hüllkurve sind:

• Attack (Einschwingzeit): Die Zeit, die das Signal benötigt, um seinen maximalen Pegel zu erreichen.
• Decay (Abfallzeit): Die Zeit, die das Signal benötigt, um vom maximalen Pegel auf den Sustain-Pegel abzufallen.
• Sustain (Haltezeit): Die Dauer, in der das Signal auf einem stabilen Pegel gehalten wird.
• Release (Ausklangzeit): Die Zeit, die das Signal benötigt, um nach dem Ende der Haltephase vollständig abzuklingen (zu verblassen).