Lärmorama - Akustik

Was unterscheidet Ton, Klang und Geräusch?

Das Wichtigste in Kürze...

In der Akustik bezeichnet man ein Audiosignal mit genau einer Frequenz als (reinen) Ton.
Vom Ton zum Klang

Klänge bestehen aus mehr als einer Frequenz. Es sind Grundschwingung und Obertöne enthalten, wobei die Obertöne ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sind.
Klangkomponenten

Audiosignale können auf unterschiedliche Arten dargestellt werden. Mit der Fourier-Transformation kann ein Oszillogramm in ein Frequenzspektrum übersetzt werden.
Darstellungsformen von Audiosignalen in der Akustik

Wir hören in Frequenzverhältnissen (Tonintervallen) und nicht in Frequenzdifferenzen!
Tonintervalle

Geräusche enthalten viele verschiedene Frequenzen ohne bestimmtes Frequenzverhältnis. Dominierende Frequenzen machen den Charakter eines Geräusches aus.
Geräusche

Rauschen erschwert die Kommunikation. In der technischen Signalverarbeitung und der Akustik unterscheidet man verschiedene Arten von Rauschen.
Weisses Rauschen und Rosa Rauschen

Vom Ton zum Klang

Bisher haben wir uns mit Schallwellen befasst, deren Schalldruckverlauf sich mit einer Sinuskurve beschreiben lässt. Diese Art von Schall besteht aus genau einer Frequenz und wird als reiner Ton, einfacher Ton oder Sinuston bezeichnet. Der Kammerton a', der weltweit zum Stimmen der Musikinstrumente verwendet wird, ist ein solcher reiner Ton mit einer Frequenz von 440 Hz. Gestimmt wird im Orchester übrigens nach der Oboe (evt. Orgel, Klavier oder Cembalo). Reine Töne können praktisch nur elektronisch erzeugt werden.

Ein Klang ist definiert als Grundton, dem noch weitere Töne mit ganzzahligem Vielfachen der Grundfrequenz überlagert sind. Diese Töne werden als Obertöne oder Harmonische bezeichnet.

Quelle: "Akustiklehre per Computer", Mediacoustic

Visualsierung mit Hörbeispielen von einzelnen reinen Tönen und zusammen als harmonischer Klang. Die dargestellte Grundschwingung umfasst drei Wellenlängen.

Bei periodischen Schallvorgängen bestimmt die Frequenz des Grundtones die Tonhöhe des Klangs. Die unterschiedlichen Lautstärken der Obertöne machen die sogenannte Klangfarbe aus. Klänge werden unter anderem von Musikinstrumenten erzeugt.

Klangkomponenten

Bezeichnungen der Klangkomponenten in der Akustik.

Vielfaches der Grundfrequenz	Harmonische	Obertöne	Partial- oder Teiltöne
1	1. Harmonische oder Grundwelle	Grundton	1. Partialton
2	2. Harmonische	1. Oberton	2. Partialton
3	3. Harmonische	2. Oberton	3. Partialton
4	usw.	usw.	usw.

Quelle: http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ ars_auditus/akustik/akustik3.htm

Darstellungsformen von Audiosignalen in der Akustik

In der Akustik gibt es verschiedene Möglichkeiten, ein Schallereignis darzustellen. Gebräuchlich sind das Oszillogramm und das Frequenzspektrum. Beim Oszillogramm wird der Schalldruckverlauf mit der Zeit dargestellt. Ein reiner Ton hat dadurch eine Sinusform, was einleuchtend zeigt, dass es sich bei Schall um Wellen handelt. Wird ein Klang im Oszillogramm dargestellt, so ist es keine schöne Sinuskurve mehr, sondern ein Überlagerung aus mehreren Sinuskurven des Grundtones und der Obertöne, die zusammen eine neue, vielgestaltigere Kurve ergeben. Gemeinsam bleibt bei Ton und Klang die Periodizität des Musters, das sich jeweils nach der Dauer einer Grundschwingung wiederholt.

Quelle: Werner Stalder,(2000). "Aus- und Weiterbildungskurs Lärmschutz", S. 2.7

Oszillogramm und Frequenzspektrum eines reinen Tons und eines Klangs. Beides Mal wird der Stimmton a' gespielt. Wenn man mit einem Musikinstrument einen "Ton" spielt, entstehen automatisch zum Grundton auch die Obertöne - man erzeugt ungewollt einen "Klang". Nur elektronische Instrumente könne reine Töne erzeugen. Die hören sich aber etwas dumpf an, weshalb die automatische Entstehung der Obertöne eigentlich eine Bereicherung ist.

Aus dem Oszillogramm lässt sich etwas über die Reinheit eines Klanges und über die Wiederholung von gewissen Klangteilen erfahren. Je mehr die Kurve einem Sinus gleicht, desto reiner ist der Klang. Ausserdem sieht man Lautstärkenänderungen durch Amplitudenschwankungen.
Wenn man wissen möchte, welche Frequenzen in einem Audiosignal vorkommen, dann ist die Darstellung des Frequenzspektrums hilfreich. Beim Spektrum werden auf der "x-Achse" die Schallfrequenzen dargestellt. Auf der "y-Achse" der zugehörige Schallpegel. Wenn man einen reinen Ton spektral analysiert, dann sieht man nur gerade bei einer Frequenz einen Schallpegel, der grösser ist als Null. Die anderen Frequenzen kommen gar nicht vor. Bei einem Klang hingegen sind mehrere Frequenzen vertreten, nämlich die des Grundtons und die der Obertöne. Im Spektrum sieht man sofort, welche Frequenzen dies sind und dass sie jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz sind. Im Gegensatz zum Oszillogramm ist also direkt ablesbar, welche Frequenzen wie stark vertreten sind, dafür fehlt die Information über den zeitlichen Verlauf des Signals.

Ein Oszillogramm kann heutzutage mit jedem Computer einfach erstellt werden. Dazu wird mit einem Mikrophon ein Audiosignal aufgenommen - oder man verwendet eine bereits vorhandene Musikdatei. Mit geeigneter Software (Audio Editor) kann darauf die Audio- oder Musikdatei als Oszillogramm dargestellt werden. Um aus einem Oszillogramm das Frequenzspektrum zu erhalten, führt man eine sog. Fourier-Analyse durch. Mit diesem von Fourier (franz. Mathematiker 1768 - 1830) entwickelten Verfahren kann jedes periodische Signal aus einer Überlagerung von reinen Sinusschwingungen zusammengesetzt werden. In einigen CD-Brennprogrammen sind diese Funktionen schon vorhanden, ansonsten gibt es beispielsweise bei www.freeware.de gratis Programme zur Bearbeitung, zum Schnitt und zur Darstellung von Audiosignalen.

Will man einem Klang eine andere "Klangfarbe" geben, filtert man mit elektronischen Mitteln einzelne Obertöne heraus oder ändert deren Pegel.

Tonintervalle

Pythagoras hat erkannt, dass angenehme Klänge entstehen, wenn man Saiten anschlägt, deren Längen in ganzzahligen Verhältnissen zueinander stehen. Je komplizierter das Verhältnis der Saitenlängen, desto dissonanter (misstönender) klingt das Intervall. Es sind also die Frequenzverhältnisse entscheidend, ob ein Tonintervall harmonisch klingt, nicht die absoluten Frequenzen.

Quelle: The Granger Collection, New York City; SuvaPro AUDIO DEMO 3

Frequenzverhältnisse und Harmonie oder Dissonanz. Die Töne in diesem Beispiel wurden mit einem Computer erzeugt. Die Grundfrequenz beträgt 440 Hz. Ein um eine Oktave höher liegender Ton hat also eine Frequenz von 880 Hz.

Eine Oktave entspricht einer Frequenzverdoppelung, egal ob die Grundfrequenz 200 Hz oder 3390 Hz beträgt. Wir hören in Frequenzverhältnissen, nicht in absoluten Frequenzen! Aus diesem Grund werden benachbarte Frequenzen in der Akustik oft in Klassen mit der Breite einer Oktave oder einer grossen Terz zusammengefasst. Diese Klassen heissen Oktavbänder resp. Terzbänder. Dies hat zur Folge, dass das Terzband mit den Frequenzen von 89.1 Hz bis 112 Hz und der Mittelfrequenz 100 Hz gleiches Gewicht hat, wie das Terzband von 4467 Hz bis 5623 Hz und der Mittelfrequenz von 5000 Hz. In absoluten Zahlen enthält das zweite Terzband aber 50 mal mehr Frequenzen als das 100 Hz Band! Mehr zu unseren Höreigenschaften erfährst Du im Modul Hören.

Geräusche

Geräusche enthalten sehr viele verschiedene Frequenzen und damit nicht nur ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz. Die Frequenzverhältnisse sind chaotisch. Da der Schallvorgang bei einem Geräusch meistens keine sich immer wiederholenden Teile aufweist, fehlt dem Geräusch auch eine eindeutige Tonhöhe.

Alles, was wir hören, ist immer leicht "verrauscht". Es treten also immer auch Frequenzen auf, die nicht zu einem Klang gehören. Grund dafür sind Hintergrundgeräusche aus anderen Schallquellen, aus Reflexionen und durch Brechungen von Schallwellen in der Umgebung und schliesslich durch die Verarbeitung im Gehör resp. im Messgerät. Da in einem Audiosignal oft einige Frequenzen stärker vertreten sind als andere, geben sie einem Geräusch seinen speziellen Charakter und lassen uns daran so viele verschiedene Geräusche unterscheiden. Wenn ein Signal sehr viele Frequenzen enthält, welche die Verständlichkeit erschweren - etwa bei schlechtem Empfang am Telefon - spricht man von einem verrauschten Signal.

Quelle: Werner Stalder,(2000). "Aus- und Weiterbildungskurs Lärmschutz", S. 2.8

Oszillogramm und Terzbandspektrum von zwei Geräuschen. Das Oszillogramm lässt erkennen, dass ein Geräusch nicht mehr viel mit einer reinen Sinus-Schwingung zu tun hat. Es sind viele verschiedene Frequenzen vertreten, mit zum Teil deutlichen Pegelunterschieden. Anstelle eines reinen Frequenzspektrums wurden in der rechten Bildhälfte benachbarte Frequenzen zu Klassen zusammengefasst, den sog. Terzbändern.

Weisses Rauschen - Rosa Rauschen

Sind in einem akustischen Signal alle hörbaren Frequenzen mit zufälligen, sich ständig ändernden, im Mittel aber gleich hohen Schalldruckpegeln vertreten, so enthält das Signal keinerlei Information. Ein solches Signal nennt man aus Analogie zum sichtbaren Licht "Weisses Rauschen" (engl. white noise). Dabei ist der Energiegehalt der verschiedenen Frequenzbänder gleich gross (z.B. liegt im Bereich von 100 Hz bis 200 Hz genauso viel Leistung wie im Bereich 2000 Hz bis 2100 Hz). "Rosa Rauschen" (engl. pink noise) meint ein Signal, bei dem die Leistung in jeder Oktave gleich gross ist: der Bereich von 100 Hz bis 200 Hz enthält also genauso viel Leistung wie der von 2000 Hz bis 4000 Hz. Deshalb hört sich weisses Rauschen heller und schneidender an als rosa Rauschen. Beim Rosa Rauschen nimmt der Schalldruckpegel einer Oktave um 3 dB gegenüber der vorhergehenden Oktave ab.

"Weisses Rauschen" und "Rosa Rauschen" im Vergleich. Weisses Rauschen definiert sich durch einen im Mittel konstanten Schalldruckpegel über den gesamten hörbaren Bereich. Beim Rosa Rauschen ist die Schallleistung in jeder Oktave gleich gross. Da bei höheren Frequenzen eine Oktave jedoch aus mehr Frequenzen besteht als bei tiefen, nimmt der Schalldruckpegel jeweils um 3 dB zur vorhergehenden Oktave ab.

Weisses Rauschen und Rosa Rauschen werden speziell in der Tontechnik zum Abgleichen und Einstellen von Geräten, der sog. Kalibrierung, verwendet.