Heute befassen wir uns eingehend mit dem Thema Lautstärkepegel – einem Begriff, der objektive physikalische Messwerte mit der subjektiven menschlichen Wahrnehmung verbindet.

Physik des Schalls: Energie und Druck

Bevor wir uns damit befassen, was wir hören, müssen wir verstehen, was tatsächlich an unsere Ohren gelangt. Schall ist eine mechanische Welle, die Energie überträgt.

Die zwei grundlegenden physikalischen Größen, die die „Stärke“ des Schalls beschreiben, sind:

• Schalldruck: Hierbei handelt es sich um geringfügige Schwankungen des statischen Luftdrucks (also des atmosphärischen Drucks), die durch die Ausbreitung der Schallwelle hervorgerufen werden.

• Schallintensität: Sie gibt an, wie viel Energie eine Schallwelle pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit transportiert. Diese Größe wird senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle bestimmt. Die Intensität enthält somit Informationen sowohl über die Energiemenge als auch über deren Richtung – es handelt sich um eine vektorielle Größe.

In der Praxis werden die reinen Werte der Intensität (in Watt pro Quadratmeter) oder des Drucks (in Pascal) nur selten verwendet, da das menschliche Gehör Lautstärkeunterschiede nicht linear, sondern logarithmisch wahrnimmt. Die Verwendung linearer Werte wäre daher nicht aussagekräftig und würde den tatsächlichen akustischen Eindruck nicht wiedergeben. Aus diesem Grund verwenden wir eine logarithmische Skala und die Einheit Dezibel (dB), mit der sich diese Unterschiede entsprechend der Schallwahrnehmung beschreiben lassen.

Wie die Tabelle zeigt, besteht zwischen Blätterrauschen und dem Start eines Flugzeugs ein Unterschied von über dem Millionenfachen beim Schalldruck und – energetisch betrachtet – sogar dem Billionenfachen bei der Schallintensität. Dank der logarithmischen Skala lässt sich dieser Bereich jedoch mit einfachen Zahlen von 20 bis 130 dB beschreiben, was die Analyse und den Vergleich von Lärmpegeln erheblich erleichtert.

Man spricht in diesem Fall vom Schalldruckpegel (SPL – Sound Pressure Level), also einem in Dezibel (dB) angegebenen Wert, der die von einem Mikrofon gemessenen Schalldruckschwankungen beschreibt. Genau dieser Parameter ermöglicht eine quantitative Analyse des Schalls. Obwohl ein Mikrofon die physikalischen Druckwerte mit hoher Präzision erfasst, „hört“ es den Schall jedoch nicht so wie der Mensch – es berücksichtigt weder die subjektive Wahrnehmung noch die Empfindlichkeit des Ohrs oder die Frequenzabhängigkeit.

Das Ohr ist kein Mikrofon: Subjektiver Lautstärkeeindruck

Damit kommen wir zum Kern der Sache. Die dem Ohr zugeführte Energie ist das eine – wie laut uns ein Geräusch erscheint, ist etwas anderes.

Das menschliche Ohr ist ein äußerst komplexes Instrument, das nicht linear reagiert. Unser Hörapparat kann sehr schnelle, kurzzeitige Intensitätsschwankungen der Welle nicht unterscheiden. In der Praxis „mittelt“ unser Gehirn die empfangene Energie.

Entscheidend ist: Der Lautstärkeeindruck hängt nicht nur von der Intensität, sondern auch von der Frequenz (Tonhöhe) des Schalls ab.

Die Evolution hat uns mit „Filtern“ ausgestattet, durch die wir bestimmte Frequenzen deutlich besser hören als andere.

• Bereich 1 kHz – 5 kHz: Für dieses Frequenzband sind wir am empfindlichsten. Töne in diesem Bereich erscheinen uns bei gleichem Energieniveau am lautesten. Warum? Dies ergibt sich aus der Übertragungscharakteristik des Hörsystems (u. a. der Resonanz des Gehörgangs und des Trommelfells). Zudem liegen in diesem Bereich die meisten Schlüsselinformationen der menschlichen Sprache (z. B. Konsonanten, die für das Wortverständnis entscheidend sind) sowie Warnsignale (Weinen eines Kindes).

• Tiefe und sehr hohe Töne: Damit wir einen sehr tiefen Bass (z. B. 50 Hz) genauso laut wahrnehmen wie einen 1-kHz-Ton, muss dieser Bass einen deutlich höheren physikalischen Pegel (mehr Dezibel SPL) aufweisen.

Was ist also der Lautstärkepegel?

Um die Welt der Physik (dB SPL) mit der Welt der menschlichen Wahrnehmung in Einklang zu bringen, wurde der Begriff Lautstärkepegel eingeführt.

Der Lautstärkepegel ist ein psychoakustisches Maß, das angibt, wie laut ein Mensch ein bestimmtes Geräusch im Vergleich zu einem Referenzschall wahrnimmt.

Die Einheit des Lautstärkepegels ist das Phon.

Wie funktioniert das? Die Phon-Skala ist bei einer Frequenz von 1 kHz (1000 Hz) „verankert“.

• Bei einem Ton mit einer Frequenz von 1 kHz entspricht der Lautstärkepegel in Phon zahlenmäßig dem Schalldruckpegel in Dezibel (dB SPL). Das heißt: Ein 1-kHz-Ton mit einem Schalldruckpegel von 60 dB hat einen Lautstärkepegel von 60 Phon.

• Für andere Frequenzen wird er experimentell ermittelt, indem Versuchspersonen gefragt werden: „Ist dieser Bass genauso laut wie unser 1-kHz-Referenzsignal?“

Kurven gleicher Lautstärke (Isophone)

Auf Grundlage der Ergebnisse solcher Untersuchungen wurden die sogenannten Isophonen erstellt (häufig als Fletcher-Munson-Kurven bezeichnet, obwohl heute neuere ISO-Normen verwendet werden).

Eine Kurve mit einem Wert von beispielsweise 40 Phon zeigt, welchen Schalldruckpegel (in dB SPL) ein Ton jeder Frequenz aufweisen muss, um als ebenso laut wahrgenommen zu werden wie ein 1-kHz-Ton mit einem Pegel von 40 dB SPL. Das Diagramm verdeutlicht, dass das menschliche Ohr bei niedrigen Lautstärkepegeln deutlich weniger empfindlich für tiefe und hohe Frequenzen ist. Deshalb wirken Bässe und Höhen beim leisen Hören schwächer. Aus diesem Grund verfügten ältere Verstärker über eine „Loudness“-Taste, die diese Unterschiede ausglich, indem sie bei geringer Lautstärke die Randbereiche des Frequenzbandes anhob.

Fazit

Das Verständnis des Unterschieds zwischen dem physikalischen Schalldruckpegel und dem wahrgenommenen Lautstärkepegel ist in vielen Bereichen von zentraler Bedeutung – von der Musikproduktion über den Umweltschutz (Lärm) bis hin zur Planung von Alarmsystemen. Dabei gilt: Der Dezibelwert auf dem Messgerät ist nur ein Teil des Gesamtbildes – der vollständige Lautstärkeeindruck entsteht erst in unserem Ohr und Gehirn.