Tom’s Hardware intern: So testen wir Lautsprecher, Kopfhörer und Geräuschemissionen

Von Schall, Wellen und Längen

Keine Angst: Es wird jetzt nicht allzu theoretisch – und schon gar nicht langweilig. Aber um das Anliegen und die Problematik wenigstens in den gröbsten Zügen zu verdeutlichen, müssen wir zunächst ein wenig in der Ursuppe rühren. Allerdings werden wir alles soweit wie möglich vereinfachen, solange dies den Sinn nicht entstellt.

Im Mittelpunkt steht dabei natürlich der Luftschall, also genau das, was sich zwischen Schallquelle und dem menschlichen Ohr abspielt. Wir wollen mit unseren Testobjekten diesen Schall erzeugen und mit unseren eigenen Ohren hören. Da aber auf dem Weg bis dahin (und auch bei der Weiterleitung der Information bis hin zum Gehirn) eine ganze Menge passieren kann, schauen wir uns zunächst einmal die Schallwellen an und gehen dann Schritt für Schritt weiter.

Wir erinnern uns schnell noch einmal an den Physikunterricht und daran, dass der Schall ein rein mechanischer Schwingungsvorgang ist, der je nach dem jeweiligen Medium (in unserem Falle Luft), eine ganz bestimmte Geschwindigkeit besitzt (Luft ca. 330 bis 340 m/s). Diese Schallgeschwindigkeit wird auch noch durch Faktoren wie Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur beeinflusst, aber das wollen wir der Einfachheit halber an dieser Stelle nicht weiter berücksichtigen.

Viel interessanter ist für uns der Umstand, dass es sich ja um eine Schwingung handelt, die sich wellenförmig im Raum ausbreitet. Je nach Höhe eines Tones besitzt so eine Schallwelle eine ganz spezielle Wellenlänge. Diese Wellenlänge lässt sich übrigens ganz einfach berechnen, denn wir teilen dafür lediglich die Schallgeschwindigkeit durch die Frequenz. Bei einem Testsignal von einem Kilohertz (also 1000 Schwingungen/s) und der Schallgeschwindigkeit von 330 m/s ergäbe dies 330 m geteilt durch 1000. Die Wellenlänge beträgt somit 33 cm (0,33 m). Bei 100 Hz wären es bereits schon 3,30 m, bei 30 Hz dann fast 10 m!

Schallleistung und Schalldruck

Eine Schallquelle – also beispielsweise ein Lautsprecher oder eine Grafikkarte – strahlt eine Leistung P ab, was dann in der Folge zum Schalldruck p führt. Die Schallleistung ist also die Ursache, der resultierende Schalldruck dann die Wirkung. Was wir hören können, ist lediglich der Schalldruck (auch Schallwechseldruck), aber er wird vom Schallleistungspegel der emittierenden Schallquelle verursacht.

Zu kompliziert? Ziehen wir ein “artfremdes” Beispiel heran: Heizen wir unsere CPU doch einmal richtig auf und halten die Hände in fünf Zentimeter Entfernung über den Kühlkörper. Die umgesetzte und vom Kühlkörper an die Luft abgeführte Verlustleistung ist die Ursache, die von der Hand als Wärme wahrgenommene Wärmestrahlung die Wirkung. Im Prinzip kommt dies auf das Gleiche raus wie beim Schall.

Wie aber können wir diesen erzeugten Schalldruck nun wahrnehmen, also hören?

Wie wir hören: Das Trommelfell

Der Schall trifft auf unser Ohr und dringt durch den Gehörgang bis zum Trommelfell vor. Vereinfachen wir das Ganze mal etwas und erinnern uns an die Testfrequenz von einem Kilohertz. Dieser sinusförmige Schall ist ja nichts anderes als eine Art Druckwelle, die auf das Trommelfell auftrifft. Dabei ändert sich dieser aufs Trommelfell ausgeübte Druck periodisch im Rahmen der jeweiligen Frequenz (siehe obige Kurve), denn der Schall trifft ja nur von einer Seite auf das Trommelfell auf.

Was wir nun “hören” können ist diese Differenz aus auftretendem Schalldruck und dem ständig wirkenden Luftdruck, der normalerweise auf beiden Seiten des Trommelfells gleich ist und sich aufhebt. Diese Differenzen betragen nur einige Millionstel Bar, während der normale Luftdruck im Schnitt bei normalem Wetter auf Meeresspiegelhöhe 1000 mBar beträgt. Damit merken wir auch, wie empfindlich unser Ohr eigentlich ist.

Leider ist unser Ohr im Frequenzumfang ein wenig begrenzt, wobei man im Durchschnitt von einem hörbaren Bereich von 16 Hz bis etwa 16 kHz ausgehen kann. Altersabhängig kann dieser Bereich – vor allem bei den höheren Tönen – auch etwas niedriger ausfallen.

Die Physiologie des Ohres

Wir müssen jetzt noch kurz auf eine Besonderheit des menschlichen Ohres eingehen. Stellen wir uns vor, wir sitzen in einem Konzertsaal, in dem ein Orchester spielt und hören an den lautesten Stellen mit bis zu 100 Phon (subjektiv empfundene Lautstärke). Gleichzeitig erfolgt eine Tonaufnahme des Konzertes, welche exakt so abgemischt wird, wie wir es in der ersten Reihe auch annähernd wahrnehmen können.

Wir erwerben dann später genau diese Aufnahme als CD und stellen beim Abspielen enttäuscht fest, dass der Klangeindruck in den heimischen vier Wänden ein komplett anderer ist.  Schuld daran sind einerseits die bösen Nachbarn, die natürlich Orchesterlautstärke in der Wohnung nebenan kaum tolerieren werden, und gleichzeitig leider auch unser Ohr, welches das subjektive Lautstärkeempfinden je nach Frequenz und tatsächlichem Schallpegel sehr stark beeinflusst. Das menschliche Ohr ist also kein linearer, geschweige denn ein idealer Schallwandler!

Das frequenzabhängige Lautstärkeempfinden würde in den frühen 1933ern von Fletcher-Munson analysiert und erstmals in Kurvenform dargestellt. Man sieht sehr deutlich, dass vor allem bei tiefen Frequenzen mit sinkendem Schallpegel ein stark verminderter Lautstärkeeindruck entsteht. Auch bestimmte Hochtonbereiche sind von dieser natürlichen Eigenart des menschlichen Gehörs betroffen. Als Folge findet man noch heute die “gehörrichtige” oder “physiologische” Lautstärkekorrektur (engl. auch Loudness-Funktion) an diversen Verstärkern und aktiven Boxen, wobei so etwas stets mit einem gewissen Misstrauen zu betrachten ist.

Wir halten erst einmal fest, dass es die viel gelobte “Linearität” im Gesamtablauf nicht ohne einen sehr hohen Schallpegel gibt, da stets das eigene Ohr die schwächste Kette im Glied ist!

Ein weiterer Umstand ist die unterschiedlich starke Dämpfung unterschiedlicher Frequenzen im Verhältnis zum Abstand zur Schallquelle. Es ist natürlich bekannt, dass das reine Lautstärkeempfinden im Quadrat zur Entfernung abnimmt, aber man muss gleichzeitig berücksichtigen, dass auch der tatsächliche Schallpegel absinkt – jedoch leider nicht für jede Frequenz im gleichen Maße.

Am Ende klingt jeder Lautsprecher mit steigender Entfernung dumpfer und ganz am Schluss bleibt nur noch der Bass übrig. Erinnern wir uns noch an die Wellenlänge? Genau in diesem Umstand (und natürlich auch am Einfluss der Reflexionen) liegt die frequenzabhängige Dämpfung des Schalls begründet. Je langwelliger ein Signal ist, um so höher die Reichweite.

Da nützen also am Ende auch der tollste Verstärker und die teuersten Boxen nichts, wenn bei zurückhaltender Zimmerlautstärke in einem gewissen Abstand zu den Lautsprechern noch eine möglichst realitätsgetreue Wiedergabe erwartet wird. Diese wird es deshalb so nie geben können – man muss sich unter Berücksichtigung vieler Faktoren und Umstände mühsam und individuell an einen möglichst optimalen Kompromiss herantasten.

Schallereignis und Hörereignis

Ein klein wenig müssen wir den Leser jetzt noch quälen, damit er später auch versteht, warum jeder Mensch bestimmte Schallereignisse unterschiedlich wahrnimmt. Auch wenn eine ganz bestimmte Schallquelle ein immer gleiches Schallereignis produziert (also beispielsweise ein Musikstück in einer Endlosschleife abspielt), dann nimmt es jeder Mensch subjektiv völlig anders wahr.

Im Gegensatz zu diesem sogenannten Schallereignis wird das subjektive Hörereignis räumlich, zeitlich und eigenschaftlich geprägt. Der Zusammenhang von Schallereignis (Reiz) und Hörereignis (Empfindung) ist eine sehr komplexe Materie; beides kann nicht direkt gleichgesetzt werden.

Zu kompliziert? Schauen wir doch mal, was sich im Detail dahinter verbirgt und vergleichen das reale Schallereignis (messbare Werte) mit unserem subjektiv empfundenen Hörereignis (fühlbare Eindrücke):

Schallereignis Hörereignis
Schalldruckpegel Lautheit (Phon)
Frequenz Tonheit (Mel)
Akustisches Spektrum Klang
Position der Schallquelle(n) Lokalisation der Schallquelle bzw. Hörereignisrichtung

Einige dieser Begriffe kennen wir bereits; wir haben uns schon über den Schalldruckpegel, die Frequenz und das akustische Spektrum des komplexen Klangbildes als Gemisch verschiedenster Frequenzen informiert. Bliebe nun noch die Position der Schallquelle und das, was alle vier einzelnen Komponenten in der Summe für eine Auswirkung haben.

Schall in geschlossenen Räumen

Da wir unsere PC-Lautsprecher kaum im Freien aufbauen werden, interessiert uns natürlich nur die Thematik im geschlossenen Raum. Erinnern wir uns schnell noch einmal an die Geschwindigkeit des Schalls und betrachten nun das unten stehende Schema:

Das was von der Schallquelle auf kürzestem und direktem Weg an unsere Ohren trifft, bezeichnet man als Direktschall. Da sich der Schall aber (ähnlich wie Licht) wellenförmig ausbreitet und die Lautsprecher natürlich auch nicht nur in eine einzige Richtung abstrahlen, kommt es zu sogenannten Reflexionen: Der Schall trifft beispielsweise auf eine glatte Fläche (Wand) auf und wird ähnlich wie beim Billard wieder (abgeschwächt) zurückgeworfen.

Man sieht auf dem Schema auch, wie sich Einfalls- und Ausfallswinkel dabei verhalten. Da der Weg, den dieser Diffusschall zurücklegen muss, ein ganzes Stück länger als der des Direktschalls ist, trifft dieser auch später am Ohr ein. Je größer und unterschiedlicher der Anteil des Diffusschalls ausfällt, umso mehr Hall wird empfunden (z.B. in Kirchen und großen Sälen).

Genau an dieser Stelle greift nun unser sogenannter reflexionsarmer Raum, der all diese Verfälschungen sehr deutlich mindern kann und somit für die Messung deutlich geeigneter ist.

Dezibel oder Sone?

Wir werden immer wieder gefragt, warum wir die Messwerte als A-bewertete dB-Werte und nicht in Sone ausgeben. Der Grund liegt für uns auf der Hand: Die Definition der sogenannten Lautheit in Sone beruht auf der Definition des Lautstärkepegels. Ein Sinuston von einem Kilohertz Tonhöhe mit 40 dB (Dezibel) entspricht dabei einem Lautstärkepegel von 40 Phon, was wiederum als Basis für ein Sone gilt. Empfindet man nun einen Schall als doppelt so laut, dann spricht man im Ergebnis von zwei Sone; bei einer empfundenen Halbierung logischerweise von 0,5 Sone. Was auf den ersten Blick praktisch, logisch und bequem aussieht, birgt in der Praxis aber haufenweise Probleme und mögliche Irritationen.

Die Lautheit in Sone gibt nämlich ebenfalls nur an, wie laut ein Schallereignis von einem normierten Durchschnittsmenschen rein subjektiv empfunden werden könnte – womit dieser Bereich ebenfalls zur höchst problematischen Psychoakustik gehört und damit auch nicht besser als die dB(A)-Angabe ist. Zwei Sone sollen doppelt so laut sein wie ein Sone? Diese in Zahlen verpackte Subjektivität entpuppt sich leider als ein übler Trugschluss, denn nichts ist nun mal ungenauer als der subjektive Eindruck. Warum das so ist, kann sogar jeder für sich selbst austesten:

  1. Nimm einfach Dein Radio und merke Dir den Skalenwert des Lautstärkereglers
  2. Drehe es nun bitte doppelt so laut – aber ohne auf die Skala zu achten
  3. Drehe es jetzt bitte zurück auf halb so laut – natürlich wiederum, ohne auf den Drehregler zu sehen
  4. Vergleiche nun die Endstellung des Knopfes mit der Ausgangsstellung von Punkt eins und Du wirst staunen

Die einzige einigermaßen verlässliche Methode für die Ermittlung der Lautheit in Sone wäre die nach E. Zwicker (umgesetzt in der DIN 45631:1991-03). Dieses Verfahren ist jedoch einigermaßen kompliziert und für leisere Geräusche unter einem Phon (ca. 40 dB) auch ziemlich ungenau. Die unbewertete dB-Messung hingegen misst den tatsächlichen Schalldruckpegel und wäre somit ein echter Messwert und kein mit Formeln bewertetes Ereignis (weshalb ihn die Industrie gern als Basiswert nutzt). Nur nutzt er uns so leider auch nichts.

Die letztendlich von uns verwendeten dB(A) Werte hingegen sind wiederum gefilterte dB-Ergebnisse, die das subjektive Empfinden hörphysiologisch nachstellen sollen. Womit wir lustigerweise beim ähnlichen Problem wie mit der Lautheit in Sone wären. Beides, Sone und dBA sind nachempfundene Aussagen, die keinen echten Messwert darstellen, sondern auf pauschalisierten Mutmaßungen und Unterstellungen basieren! Ein normaler dB(A)-Wert ist somit ein bewerteter Schalldruckpegel, der auf die Hörschwelle von 0 dB = 20 Mikro-Pascal bezogen ist. Dazu gibt es noch Dinge wie die Zeitbewertung (Fast oder Slow), die man nutzen kann, um sich etwas der Realität der jeweiligen Situation anzunähern.

Sicher: Die dBA-Angaben können auch fürs Marketing interessant sein (im negativen Sinne), wenn Werte “geschönt” dargestellt werden sollen; das wollen wir nicht verschweigen. Sobald sehr viele tieferfrequente Anteile dominieren, fällt der dBA-Wert nämlich gegenüber Sone deutlich niedriger aus, als er es in Wirklichkeit sein müsste. Jedoch muss ein Raum dann schon ziemlich komplett von der Umwelt abgeschlossen sein, damit Dinge wie Körperschall und sonstige tieffrequente Umwelteinflüsse (Grundgeräusch) die Messungen nicht negativ beeinflussen.

Auch sehr hohe Schallpegel lassen die dB(A)-Werte ungenauer werden. Jedoch bleibt immer die Frage im Raum, was in der Praxis gemessen werden soll. Bewerteter Schalldruckpegel oder Lautheitsmessung? Wir haben uns wegen der besseren Vergleich- und Reproduzierbarkeit (vorerst) für Ersteres entschieden, denn beide Methoden haben Vor- und Nachteile.

Wirklich exakt können beide Methoden gar nicht sein. Zusammengefasst gilt: Die Psychoakustik liefert keine exakten Messwerte, sondern nur Interpretationen dessen, was der Durchschnittszuhörer vielleicht empfinden könnte – mehr aber auch nicht.

Die Faktoren Aufwand, Nachvollziehbarkeit und Gebräuchlichkeit sind die wichtigsten Gründe, warum wir intern auf dB und bei Veröffentlichungen auf dB(A) setzen, Sone jedoch (vorerst) nicht verwenden.

Eine Bewertung in Sone wird erst bei deutlich höheren Pegeln genauer als die dB(A)-Angabe (z.B. Motorengeräusche) und wenn besonders viele tiefe Frequenzanteile enthalten sind. Beide Faktoren spielen jedoch bei unseren Messungen derzeit keine oder nur eine untergeordnete Rolle.

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