Amplitude in der Musik: Lautstärke verstehen

Schall entsteht, wenn etwas schwingt, zum Beispiel eine Gitarrensaite oder das Fell einer Trommel. Schwingen heißt: Etwas bewegt sich immer wieder hin und her, um eine Ruhelage herum. Die Ruhelage ist die Stelle, an der das Ding still stehen würde. Die Schwingung bringt auch die Luft zum Schwingen, und so kommt der Schall an dein Ohr.

Eine Schwingung kann man als Kurve zeichnen. So eine Kurve heißt Wellenform. Viele Aufnahmeprogramme am Computer oder Handy zeigen sie an. Die waagerechte Mittellinie heißt Nulllinie. Sie steht für die Ruhelage. Die Kurve schlägt nach oben aus (Berg) und nach unten (Tal).

In Physik und Technik ist die Amplitude die größte Auslenkung einer gleichmäßigen Schwingung aus ihrer Mittellage. Auslenkung heißt: wie weit die Schwingung von der Mitte weg ist. Fachleute nennen so eine gleichmäßige Schwingung harmonisch. Ihre Kurve sieht aus wie eine regelmäßige Wellenlinie. In der Wellenform misst du die Amplitude also von der Nulllinie bis zum höchsten Punkt eines Bergs. Bei einer gleichmäßigen Schwingung geht es genauso weit nach unten bis zum tiefsten Punkt eines Tals.

Misst du vom höchsten Punkt bis zum tiefsten Punkt, bekommst du einen anderen Wert: den Spitze-Tal-Wert, auch Schwingungsbreite genannt. Früher hieß er Spitze-Spitze-Wert. So steht er auch noch in der Tabelle zur Abbildung unten. Bei einer gleichmäßigen Schwingung ist er doppelt so groß wie die Amplitude. Achtung: In manchen anderen Fachgebieten, zum Beispiel in der Medizin beim Blutdruck, nennt man den ganzen Abstand zwischen höchstem und tiefstem Wert Amplitude. In dieser Lektion gilt die Bedeutung aus Physik und Technik.

Die Abbildung „Gleiche Frequenz, verschiedene Amplituden“ unten zeigt zwei gezeichnete Schwingungen. Sie sind ausgedacht, keine Messung. Die Kurven heißen A und B. In der Beschriftung „A = 1“ steht das zweite A für Amplitude. „f“ steht für Frequenz und „Hz“ für Hertz: So viele Schwingungen passieren in einer Sekunde. Mehr dazu lernst du im nächsten Abschnitt. „ms“ heißt Millisekunde, also eine tausendstel Sekunde. Die Höhe ist in relativen Einheiten angegeben: Das sind Schritte ohne feste Größe, mit denen man nur vergleicht. Kurve A reicht bis 1 nach oben und bis −1 nach unten. Ihre Amplitude ist 1. Kurve B reicht bis 2 und bis −2. Ihre Amplitude ist 2. Kurve B schlägt also doppelt so weit aus. Beide Kurven zeigen in 4 Millisekunden genau zwei volle Schwingungen. Sie schwingen also gleich oft.

Bei echten Instrumenten bleibt die Amplitude oft nicht gleich. Zupfst du eine Gitarrensaite, schwingt sie erst kräftig und dann immer schwächer. Die Amplitude wird kleiner, der Ton klingt aus. Fachleute nennen das Dämpfung. Auch bei unregelmäßigen Kurven, wie bei Musik, spricht man im weiteren Sinne von Amplitude. Gemeint ist dann, wie weit die Kurve höchstens von der Mitte abweicht.

Die Frequenz sagt, wie oft eine Schwingung in einer Sekunde hin und her geht. Man misst sie in Hertz, kurz Hz. 500 Hz heißt: 500 volle Schwingungen in einer Sekunde. In der Wellenform erkennst du die Frequenz daran, wie dicht die Berge nebeneinander liegen. Je mehr Berge in derselben Zeit, desto höher die Frequenz. Grob gilt: Eine höhere Frequenz hören wir als höheren Ton. Die Psychoakustik ist das Fachgebiet, das untersucht, wie Menschen Schall wahrnehmen. Sie stellt fest: Das Empfinden der Tonhöhe (Fachwort: Tonheit) stimmt nur ungefähr mit der Frequenz überein.

Amplitude und Frequenz sind zwei verschiedene Dinge. Die Amplitude sagt, wie weit die Schwingung ausschlägt. Die Frequenz sagt, wie oft sie schwingt. Ein Ton kann eine große Amplitude und eine niedrige Frequenz haben, ein anderer eine kleine Amplitude und eine hohe Frequenz.

Die Abbildung „Gleiche Amplitude, verschiedene Frequenzen“ unten zeigt zwei ausgedachte Kurven mit derselben Amplitude 1. Kurve A zeigt in 4 Millisekunden 2 volle Schwingungen, Kurve B zeigt 4. So rechnest du für Kurve A: 2 Schwingungen in 4 Millisekunden sind 1 Schwingung in 2 Millisekunden. Eine Sekunde hat 1.000 Millisekunden. Also passen 1.000 : 2 = 500 Schwingungen hinein: 500 Hz. Bei Kurve B dauert eine Schwingung 1 Millisekunde, also hat sie 1.000 Hz.

Die Lautheit beschreibt, wie laut ein Mensch einen Schall empfindet. Ihre Einheit heißt sone. Eine verwandte Größe ist der Lautstärkepegel mit der Einheit Phon. Beide beschreiben die Wahrnehmung des Menschen, nicht die physikalischen Eigenschaften des Schalls, also nicht das, was ein Messgerät misst. Man kann solche Größen nur mit Hörversuchen festlegen: Versuchspersonen hören Töne und urteilen, wie laut sie ihnen vorkommen. Weil jeder Mensch etwas anders urteilt, wertet man viele Urteile zusammen aus.

Beim Schall schwingt die Luft. Dabei wird der Luftdruck winzig mal etwas höher, mal etwas niedriger. Diese Schwankung heißt Schalldruck. Bei sonst gleichem Ton empfindest du eine größere Schalldruckamplitude als lauter. Die Psychoakustik stellt aber fest: Das Empfinden der Lautstärke stimmt nur ungefähr mit dem Logarithmus des Schalldrucks überein. Der Logarithmus ist eine Rechenart, die du später in Mathe lernst. Für dich heißt das: Amplitude und empfundene Lautstärke wachsen nicht im gleichen Maß.

Außerdem hängt die Wahrnehmung von der Frequenz ab. Zwei Töne mit gleichem Schalldruck, aber verschiedener Frequenz können verschieden laut wirken. Deshalb gibt es Kurven gleicher Lautstärke. Sie zeigen, wie stark Töne verschiedener Frequenz sein müssen, damit Menschen sie gleich laut empfinden. Solche Kurven haben die Forscher H. Fletcher und W. A. Munson in den 1930er-Jahren gemessen. Später wurden sie neu gemessen und verbessert. Für die Abbildung heißt das: Aus der gleichen gezeichneten Amplitude allein kannst du nicht ablesen, ob Kurve A und Kurve B gleich laut empfunden werden.

Beim Aufnehmen zeigt dir die Wellenform, wie stark das Signal ist. Signal heißt hier: der Schall, den das Mikrofon in elektrische Schwingungen umwandelt und den das Gerät speichert. Ein Aufnahmegerät kann Ausschläge nur bis zu einer Grenze aufzeichnen. In vielen Programmen ist das der obere und der untere Rand der Anzeige.

Zu leise: Die Ausschläge bleiben dicht an der Nulllinie. Die Amplitude ist klein.

Übersteuern: Ist der Schall zu stark, wären die Spitzen größer als die Grenze. Das Gerät schneidet sie dann flach ab. Das nennt man auch Clipping (vom englischen „to clip“ = abschneiden). Statt runder Berge siehst du oben und unten gerade Linien. Die Aufnahme klingt verzerrt, hart oder kratzig. Machst du die Aufnahme danach leiser, bleiben die flachen Stellen: Die abgeschnittenen Spitzen kommen nicht zurück.

Gut ausgesteuert: Die Ausschläge sind deutlich, bleiben aber mit etwas Abstand unter der Grenze. Diesen Platz nach oben nennt man Headroom (englisch, etwa „Kopffreiheit“). So haben plötzliche laute Stellen noch Platz.

Für die Stärke von Schall in Zahlen nutzt man den Schalldruckpegel. Er wird in Dezibel angegeben, kurz dB. Verdoppelt sich die Schalldruckamplitude, steigt der Schalldruckpegel um etwa 6 dB, genau gerechnet um 6,02 dB. Halbiert sich die Schalldruckamplitude, sinkt der Pegel um etwa 6 dB. Die Dezibel-Zahl verdoppelt sich also nicht.

Eine Wellenform verrät nicht alles über das Hören. Leise Töne können von lauteren Tönen verdeckt werden, besonders wenn beide ähnlich hoch klingen. Sie sind dann nicht wahrnehmbar, obwohl ein Messgerät sie nachweisen kann. Ein lautes Ereignis kann auch ein leiseres verdecken, das danach kommt, und sogar eines, das davor kam.

Auch Messgeräte haben Grenzen. Es sind Fälle dokumentiert, in denen Maßnahmen gegen Lärm von allen Testpersonen als Verbesserung beurteilt wurden, einfache Messgeräte sie aber als Verschlechterung einstuften. Solche Unterschiede entstehen, wenn ein Messgerät nicht berücksichtigt, wie das Gehör arbeitet. Manche Messungen gewichten die Frequenzen deshalb ähnlich wie das Gehör. Man erkennt das an einem Zusatz wie „dB(A)“. Das ist aber nur eine vereinfachte Darstellung der Wahrnehmung.

Für dein eigenes Hören heißt das: Achte auf die Anzeige, aber auch auf deine Ohren. Sehr laute Musik kann dem Gehör schaden. Wenn es dir zu laut ist, dreh leiser oder geh weiter weg.