Wie messen Profis die Lautstärke? Dezibel sind sowohl in der Alltagssprache als auch in der Audiobranche weit verbreitet, werden aber oft missverstanden. Dezibel-Einheiten sind etabliert in der professionellen Audiotechnik, der Lärmkontrolle, der Akustikforschung, der Sprachwissenschaft, der Kommunikationstechnik und zahlreichen anderen Disziplinen. Wir bringen Licht ins Dunkel. Und vorab: An einigen Stellen vereinfachen wir bewusst. Es geht in diesem Artikel um ein pragmatisches Verständnis, das kein Studium der Akustischen Phonetik ersetzen soll.
Das richtige Werkzeug zur Schallpegelmessung
Dezibel ordnet im alltäglichen Gebrauch den Schalldruckpegel einer Schallquelle ein
Dezibel ist eine logarithmisches Verhältnis, keine lineare Maßeinheit
Pegel vs. dB: Dezibel ist eine Hilfsmaßeinheit für den komplexen Schalldruckpegel
Doppelte Spannung = doppelte Amplitude = logarithmische Erhöhung der Lautstärke
dBV, dBu, dBm? Die Dezibel-Skala mit anderen Maßeinheiten für Leistung
Ein Dezibel ist ein Zehntel eines Bel. Die Einheit ist benannt nach Alexander Graham Bell. Die Einheit Bel ist für Messungen allerdings sehr groß und damit zu grob und ungenau. Deswegen hat sich als Einheit das Zehntel eines Bel durchgesetzt, angezeigt durch die Vorsilbe deci (latein. für Zehntel). Dezibel wurde erstmals 1924 als wissenschaftliche Maßeinheit verwendet, als die Bell Laboratories die „Bel-Skala“ entwickelten, die heute umgangssprachlich als Dezibel-Skala bekannt ist.
Eine Erhöhung des Schallpegels um 3 dB entspricht in der Regel einer Verdopplung des Schalldrucks (also der Stärke von Schallwellen). Dabei gibt es folgende beispielhafte Orientierungswerte für die „Lautstärke“, gemessen in der Dezibel-Skala:
20 Dezibel sind ungefähr das Ticken einer Uhr.
30 Dezibel sind Atemgeräusche und leises Flüstern.
40 Dezibel sind ein leises, aber nicht geflüstertes Gespräch.
Zwischen 35 und 45 Dezibel liegen die meisten Kühlschrankgeräusche.
80 Dezibel sind ein lautes Schreien, ab hier wird eine Dauerbeschallung ungesund. Auch die meisten Staubsauger sind ungefähr so laut.
100 Dezibel sind ungefähr die Lautstärke von Motorsägen oder nah vorbeifahrenden LKW. Das ist ungefähr die Schwelle zur Unbehaglichkeit – hier wird es unangenehm. Das ist allerdings subjektiv und auch eine Sache der (ungesunden) Gewohnheit. Denn auch die meisten Diskotheken sind ungefähr 100 Dezibel laut.
Jetzt wird es etwas abstrakt: Es gibt keinen absoluten Schalldruckpegel, der als Dezibel bezeichnet wird. Ein Dezibel-Wert ist immer relativ zu etwas.
Leider wird bei der Angabe eines Dezibelwerts oft nicht erwähnt, worauf er bezogen ist. Wenn zum Beispiel der Ausgang eines Mischpults einen Wert von -10 dB hat, bedeutet dies in der Regel, dass er 10 dB unter 0 dB liegt. Aber: Das bedeutet auch, dass 0dB einfach nur bedeutet, dass der Schalldruck weder verstärkt noch verringert wird. Vielleicht ahnen Sie schon, worauf das hinausläuft:
„0 dB“ sind keine Stille – das ist ein weitverbreiteter Irrtum. Die 0 dB sind die Hörschwelle des Menschen und beschreiben einen Schalldruck von 0,00002 Pascal (20 µPa) bei 1000 Hz. Wenn 30 dB ein leises Flüstern sind, steht das in Bezug zum minimal hörbaren Geräusch (0 dB).
Der Unterschied zwischen linear und logarithmisch
Bei Metern ist der Abstand zwischen 5 Metern und 6 Metern genauso groß wie zwischen 76 Metern und 77 Metern. Meter ist also eine lineare Skala.
Dezibel ist logarithmisch, das bedeutet: Die Steigerung von 80 Dezibel auf 81 Dezibel ist viel größer als die Steigerung von 7 Dezibel auf 8 Dezibel. Je höher der Wert selbst, desto höher der Unterschied zwischen zwei Dezibel-Werten.
Wenn Sie sich das gerade schwer vorstellen können, denken Sie an ein Quadrat. Verlängern Sie die Seitenlinien, wird es immer größer. Je größer das Quadrat selbst ist, desto größer ist das Wachstum der Innenfläche. Mathematisch ausgedrückt (und für die nächste Party): Der Logarithmus ist die Umkehrfunktion der Exponentialfunktion.
Weil wir gute Ohren haben. Eine lineare Skala (wie für Watt, Volt oder Meter) für die Lautstärke müsste sehr weitgehend sein, also von 0 bis mindestens fünfstellig verlaufen. Die Schmerzgrenze bei sehr hoher Lautstärke ist ungefähr eine Million mal größer als die gerade noch so hörbare Hörschwelle. Derartige Messskalen sind aus guten Gründen selten. Sie machen Messverfahren und Berechnungen sehr kompliziert.
… unter der Oberfläche ist Dezibel als Einheit schwer zu verstehen, weil es für Menschen ungewohnt ist, sowohl in Logarithmen zu denken als auch in Verhältnissen untereinander ohne einen klassischen Nullpunkt. Ein Dezibelwert allein ist bedeutungslos, wenn er nicht auf etwas bezogen ist. Das ist ungünstig, da es in der Alltagspraxis fast nie derartig genutzt wird. Eine pragmatische Lösung: Wenn der Dezibelwert nicht explizit angegeben ist, ist der so wichtige Bezug normalerweise unausgesprochen 0 dB. Auf dem Mikrofoneingang eines Mischpults könnte -50 dB stehen, was bedeuten würde, dass er 50 dB niedriger als 0 dB ist. Der Line-Ausgang eines Mischpults könnte -10 dB aufweisen, was bedeutet, dass er 10 dB niedriger als 0 dB ist.
Vereinfacht ist 0 dB der Referenzpegel. Es ist der Pegel, auf den sich die meisten Dezibelwerte beziehen, die Sie irgendwo lesen. Wenn der gemessene Pegel weder über noch unter dem Referenzpegel liegt, ist der Pegelunterschied gleich null, daher heißt unser Referenzpegel 0 dB. Aber was ist der Referenzpegel? In den meisten Situationen im Audiobereich bezieht sich 0 dB auf den Nennpegel, zum Beispiel von einem Mischpult. Der Nennpegel ist umgangssprachlich meist der „Line-Pegel“. Mehr dazu, was sich hinter dem Audio-Pegel verbirgt, finden Sie in unserem Magazin.
In einer guten Spezifikationstabelle für Beschallungstechnik ist angegeben, welcher Pegel als 0-dB-Referenz verwendet wird.
Um das zu verstehen, müssen wir den Begriff des Schalldruckpegels (kurz SPL, manchmal nur: Schallpegel) betrachten. Der Schalldruckpegel wird mit einem (Mess-)Mikrofon in Pascal (Pa) gemessen. Er ist im Grunde nichts anderes als gemessene Druckschwankungen. Der Schalldruck ist der Unterschied zwischen dem Druck einer Schallwelle und dem Umgebungsdruck des Raumes, durch den sich der Schall ausbreitet (in der Regel der Luftdruck). Hier sparen wir uns einen tieferen Exkurs in Richtung atmosphärischer Hintergrund, Psychoakustik und verschiedene Frequenzen. Dieser Schalldruckpegel, ein bei näherer Betrachtung recht komplizierter Wert, ist in der Akustik und Elektrotechnik übersetzbar in die leichter zu verarbeitende Dezibel-Skala. Auch der Schalldruckpegel ist deswegen eine logarithmische Größe mit einem festen Bezugswert (nämlich erneut die Hörgrenze des Menschen, 20 µPa bei einer Frequenz von 1000 Hz).
Der Schalldruckpegel in Dezibel für einen Schall mit der Druckamplitude P ist durch die folgende Beziehung gegeben:
LP = 20log(P/P0)
Beachten Sie, dass es in der Gleichung eine bisher nicht definierte Größe gibt, nämlich P0. Hier zeigt sich noch einmal, dass Dezibel eine relative Messskala ist. In diesem Fall wird die gemessene Schalldruckamplitude P relativ zum Wert P0 bestimmt. P0 ist die Hörschwelle bei 1000 Hz.
Die Druckamplitude ist ein Maß für die Stärke (Amplitude) von Schallwellen. Sie gibt an, wie weit der Druck von Schallwellen vom atmosphärischen Druck abweicht. Der atmosphärische Druck ist der Druck, der durch die Gewichtskraft der Luft auf die Erde ausgeübt wird. Die Druckamplitude einer Schallwelle wird in Pascals (Pa) gemessen und ist ein direktes Maß für die Schallenergie, die eine Schallquelle ausstrahlt. Die Druckamplitude einer Schallwelle ist proportional zur Schallintensität und zur Schallleistung. Eine höhere Druckamplitude bedeutet, dass die Schallwelle mehr Energie hat und daher lauter ist. Die Druckamplitude einer Schallwelle nimmt jedoch mit zunehmender Entfernung von der Schallquelle ab, da ein Teil der Schallenergie aufgrund der Absorption und Dämpfung durch die Umgebung verloren geht. Die Druckamplitude wird häufig verwendet, um die Leistung von Lautsprechern oder die Auswirkungen von Lärm auf die Umwelt zu bewerten. Sie kann auch verwendet werden, um die Schwingungen von Strukturen wie Brücken oder Gebäuden zu untersuchen, die durch Schallwellen verursacht werden.
Wenn Sie die Spannung eines Signals verdoppeln, verdoppeln Sie die Amplitude des Signals. Die Lautstärke eines Signals wird jedoch nicht proportional zur Amplitude erhöht, sondern logarithmisch. Daher steht die Lautstärke eines Signals in einem logarithmischen Verhältnis zur Amplitude des Signals, aber nicht (direkt) zur Spannung.
Ein gutes Beispiel, um das Zusammenspiel von Pegel und Dezibel zu verstehen, sind Mischpulte. Im Grunde ist ein Mischpult ein Spannungsverteiler und Spannungsverstärker. Sie wollen einen Audiokanal um 6 dB verstärken, also zum Beispiel die Hintergrundmusik in einem bestimmten Bereich lauter machen? Dann schieben Sie den Regler vom Mischpult hoch und verdoppeln (zum Beispiel) die Spannung. Das bewirkt eine Erhöhung von 6 dB. Das bedeutet, dass der Pegel im Vergleich zu vorher um 6 dB höher ist, weil wir die Spannung verdoppelt haben.
Klartext: Spannung und Schallwellenamplitude haben indirekt miteinander zu tun, da Schallwellen mithilfe von elektrischen Signalen übertragen werden. Zum Beispiel werden Schallwellen in Lautsprechern mit elektrischen Signalen erzeugt, die über einen Lautsprecherkern geleitet werden. Die Spannung des elektrischen Signals bestimmt, wie schnell sich der Lautsprecherkern bewegt und gibt somit die Amplitude der Schallwelle an, die vom Lautsprecher erzeugt wird. In diesem Fall hat die Spannung des elektrischen Signals indirekt Einfluss auf die Schallwellenamplitude, da sie die Bewegung des Lautsprecherkerns beeinflusst.
Die Amplitude einer Schallwelle …
| Spannung / Amplitude x10 | Erhöhung um 10 dB |
| Spannung / Amplitude x100 | Erhöhung um 20 dB |
| Spannung / Amplitude x1000 | Erhöhung um 30 dB |
Aber: Wir können niemals sagen, wie viel lauter +20 dB wirklich sind, ohne zu wissen, wie stark der Schalldruck vorher war. Denn eine Erhöhung von 6 dB fällt unterschiedlich aus, je nachdem, wie stark der Schalldruck vorher war.
In der Gegenprobe zum Verhältnis von Dezibel und Spannung bedeutet das: Wenn wir die Lautstärke ausgehend von 0dB um 6 dB absenken, senken wir über unsere Schieberegler am Mischpult oder Verstärker die Spannung. Der Ausgangspegel beträgt jetzt -6 dB (weniger als vorher). Daran wird deutlich, wie negative Dezibelwerte möglich sein können.
Nehmen wir an, wir haben ein Mikrofon. Das Mikrofon gibt 10 Millivolt Spannung ab, wenn wir hineinsprechen. Wir schließen dieses Mikrofon an den Mikrofoneingang an einem Mischpult an. Unser beispielhaftes Mischpult (genauer: der Vorverstärker des Mischpultes) hat eine Verstärkung von 40 dB. Aus der obigen Tabelle geht hervor, dass 40 dB einem linearen Verhältnis von 100 entsprechen. Daher wird ein Vorverstärker mit einer Verstärkung von 40 dB unser 1mV-Mikrofon-Pegelsignal um den Faktor 100 verstärken. So erhalten wir 1.000 Millivolt oder 1 Volt. Folglich gilt, dass der Pegel des reinen, unveränderten Mikrofonsignals ursprünglich -40 dB beträgt – im Vergleich zum verstärkten Leitungspegel des Mischpultes. Das heißt, die eingehende Leistung des Mikrofons beträgt ein 100stel des Ausgangs des Vorverstärkers und damit des Mischpultes. Das ist auch ein realistischer, weitverbreiteter Standard. Ein guter Mikrofonvorverstärker sollte das Signal um mindestens 40 dB (x100) verstärken. Eine Verstärkung von bis zu 60 dB (x1000) ist meistens nicht nötig, viele Mikrofonverstärker können das aber auch. Die meisten Mischpulte verfügen über einen Schieberegler an der Oberseite jedes Kanals, um die Verstärkung zu regeln. So können Sie das Mischpult auf den Eingangspegel des Mikrofons anpassen.
Finden Sie also heraus, welchen Pegel Ihr Mikrofoneingang am Mischpult vom Mikrofon (oder einer anderen Quelle) „erwartet“. Wenn Sie mehr einspeisen, kommt es wahrscheinlich zu Verzerrungen.
Sie stolpern über Abwandlungen der Dezibel-Skala?
0 dBV bedeutet, dass 0 dB ein Volt (1V) ist.
0 dBu bedeutet, dass 0 dB 0,775 Volt entspricht. Es ist eine Spannung, die mit 600 Ohm genau 1 mW effektive Leistung abgibt.
0 dBm bedeutet, dass 0 dB ebenfalls 0,775 Volt beträgt, aber die Leistungsformel für Dezibel-Berechnungen verwendet werden muss, d. h. 1 dBm ist gleichbedeutend mit 2 dBu.
Ein Leitungspegel von -10 dBV entspricht einer Spannung von 0,3162 Volt. Dieser Leitungspegel wird in manchen Fällen als Referenzpegel verwendet, aber es gibt keinen allgemein üblichen Leitungspegel in der Unterhaltungselektronik. Die Wahl des Leitungspegels hängt von den spezifischen Anforderungen des Benutzers ab. Der Begriff „Leitungspegel“ wird in der Regel in Bezug auf die elektrische Leitung verwendet, die eingesetzt wird, um ein Audiosignal von einem Gerät zu einem anderen zu übertragen. Der Leitungspegel gibt an, wie laut das Audiosignal am Eingang eines Geräts ist. In der Regel wird der Leitungspegel in Volt angegeben.
Bei der Messung der Leistung (also in Watt) werden die Dezibel wie folgt berechnet:
dB = 10 x log10 (L1/L2). Das bedeutet: L1 ist die Ausgangsleistung, L2 die Referenz- oder Eingangsleistung. Wenn wir einen Leistungspegel (L2) von 1 Watt anwenden und der gemessene Leistungspegel (L1) am anderen Ende des Kabels 0,5 Watt beträgt, sind 50 % des Signals durch Dämpfung verloren gegangen. Setzt man diese Werte in die Formel ein, erhält man einen Wert von 3 dB. Das bedeutet also:
Leistungsangaben und Kabeltester beziehen sich in der Regel auf Spannungsverhältnisse statt auf Leistung. Dann müssen wir Dezibel etwas anders berechnen. Und zwar so: dB = 20 x log10 (P1/P2). P1 steht für die Eingangsspannung oder den Eingangsstrom und P2 für die Referenzspannung oder den Referenzstrom (oder den Ausgangsstrom). Wenn wir einen Referenzwert von 1,0 Volt für P2 und 0,5 Volt für P1 (den gemessenen Eingang) verwenden, erhalten wir einen Wert von -6 dB. Das wiederum heißt:
Die genaue Interpretation von Dezibel-Messungen ist aufgrund von Umweltfaktoren, die sich auf die Messwerte auswirken, oder der Verwechslung von relativen Werten innerhalb verschiedener Skalen schwierig. Trotz dieser Herausforderungen wird die Dezibel-Skala in zunehmendem Maße in Branchen eingesetzt, die von der Unterwassernavigation bis zu Virtual-Reality-Headsets und darüber hinaus reichen. Neugierig, mehr über ELA-Technik, Beschallung und DIY-Projekte zu lernen? Besuchen Sie unser Magazin.
Headergraphik: Adobe Stock / mpix-foto
