Beschreibung von akustischen Signalen

Zur optimalen Ausgestaltung der Übertragung von bestimmten akustischen Informationen gehört zunächst die Beschreibung der Schallereignisse.
Akustische Ereignisse können allgemein in Klänge und Geräusche gegliedert werden. Diese Signale werden durch die Kerngrößen Amplitude, Grundfrequenz und Signalform (Spektrum) beschrieben.
Es herrscht ein allgemeiner kultureller Konsens darüber, dass Tonhöhe, Lautstärke und Klangfarbe die drei primären akustischen Grundwahrnehmungen sind.
Wenn auf einer Tastatur zuerst ein C und dann eine D Note mit gleicher Lautstärke angeschlagen wird, nehmen wir den Unterschied aufgrund der Tonhöhe wahr.
Wird eine Bassdrum zuerst leise und dann laut geschlagen, können wir das akustische Ereignis aufgrund der Lautstärke wahrnehmen.
Die Eigenschaft der Klangfarbe ermöglicht uns, zwei Töne, die auf unterschiedlichen Instrumenten gespielt werden, zu unterscheiden.
Wenn einem akustischen Ereignis alle drei Empfindungen zugeordnet werden können, spricht man von einem Klang. Kann jedoch nur die Lautstärke zu jeder Zeit einwandfrei zugeordnet werden und Tonhöhe und Klangfarbe sind nur schwer zu bestimmen, spricht man von einem Geräusch.

Töne

Eine rein sinusförmige Schwingung wird als Ton bezeichnet. In der Natur kommen Töne nicht vor, können aber elektronisch erzeugt werden. Charakterisiert wird ein Ton durch die Kennwerte Periodendauer T - Bezeichnet die Dauer einer vollständigen Schwingung. Die Zeiteinheit ist Sekunden (s). Frequenz f - Ist das Maß für die Tonhöhe und ist der Kehrwert der Periodendauer. Zu Ehren des Physikers Heinrich Hertz wird die Frequenz in Hertz (Hz) gemessen. Die Angabe 440 Hz besagt, dass 440 vollständige Schwingungen pro Sekunde durchlaufen werden. Amplitude ù - Ist das Maß der Tonstärke und bezeichnet die maximale Höhe einer Schwingung. Je größer die Amplitude eines Tones ist, desto lauter wird er wahrgenommen.

Abb. Zeit- u. Frequenzverhalten eines Tones

Klänge

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei Tönen um reine Sinusschwingungen, die unnatürlich und ungewöhnlich klingen. Ein Klang entsteht, indem zu einem Grundton mit einer Frequenz f weitere sinusförmige Schwingungen hinzugefügt werden. Sind die Frequenzen dieser Obertöne ganzzahlige Vielfache 2f, 3f, 4f, ... der Frequenz des Grundtones, spricht man von einem harmonischen Klang. Die Amplituden der Obertöne nehmen hierbei mit zunehmender Frequenz immer weiter ab.

Abb. Spektogramm (Amplituden-Frequenz-Diagramm) eines Klanges

Klänge weisen weiters mehr oder weniger gleichförmig sich wiederholende Abschnitte auf. Die Formen von Geräuschen sind hingegen unstrukturiert. Wenn sich ein Signal nach einer Zeitdauer T identisch wiederholt, spricht man von periodisch. Diese Zeitdauer wird als Periodendauer bezeichnet.
Da jedoch dieser Fall – mit Ausnahme von elektronisch erzeugten Klängen – nie vorkommt, sondern die Bedingung nur näherungsweise erfüllt wird, spricht man meist von quasiperiodischen Signalen. Die Grundfrequenz entspricht dann dem Reziprokwert des Mittelwerts der Periodendauer.

Geräusche

Geräusche entstehen immer dann, wenn sich nicht periodische Schwingungen überlagern. Die Frequenzen der Teilschwingungen stehen dabei in keinem gesetzmäßigen Zusammenhang. Ein Geräusch setzt sich demnach aus vielen Einzeltönen zusammen, deren Frequenzen dicht beieinander liegen, z.B. plätscherndes Wasser, Schritte, knallende Tür, raschelnde Blätter im Wind.	Klangbeispiel: Geräusch - Eine Kettensäge

Bei Geräuschen weist die Signalform keine gleichmäßigen Wiederholungen auf. Diese Signale werden aperiodisch genannt. Für diese Signale kann keine Periodendauer und damit keine Grundfrequenz bestimmt werden.
Für die Audiotechnik wichtig ist ein als Weißes Rauschen bezeichnetes Geräusch, bei dem alle Frequenzen mit gleicher Amplitude vorkommen. Weißes Rauschen dient zur Untersuchung des Übertragungsverhaltens von Audiokomponenten, wie Verstärker oder Mikrofone. Durch die Analyse der Frequenzen am Ausgang der mit Weißem Rauschen beaufschlagten Audiokomponente kann festgestellt werden, welche Frequenzen gedämpft und welche verstärkt werden.

Jede periodische Schwingung kann als eine Überlagerung von Sinusschwingungen unterschiedlicher Amplituden und Frequenzen dargestellt werden. Trägt man die Amplituden der beteiligten Schwingungen in Abhängigkeit der Frequenz auf, so erhält man eine Darstellung, die Frequenzspektrum genannt wird. Im Spektrum wird die Amplitude jeder Teilschwingung durch eine Linie entsprechender Höhe in Abhängigkeit ihrer Frequenz repräsentiert.

Die Darstellung von Schwingungen durch das Spektrum nennt man Darstellung im Frequenzbereich, die Darstellung im zeitlichen Verlauf bezeichnet man als Darstellung im Zeitbereich.

(Quelle: Internet)

Reine Töne und Klänge können als diskretes Spektrum, d.h. als Spektrum mit einzelnen Linien, dargestellt werden. Geräusche hingegen besitzen ein kontinuierliches Spektrum. Die Darstellung durch das Spektrum ist ein wichtiges Hilfsmittel zur Beschreibung von Schallen, da jedes Schallereignis ein charakteristisches Spektrum besitzt.

Kammerton 440 Hz - verschiedene Wellenformen

(Quelle: Internet)	(Quelle: Internet)	(Quelle: Internet)	(Quelle: Internet)

Diese vier Grundsignale haben wesentliche Relevanz bei der modularen Synthese.
Geräusche (aperiodische Signale) können nicht durch additive Überlagerung harmonischer Teiltöne beschrieben werden, deren Frequenzen einem Vielfachen ihrer Grundfrequenz entsprechen. Das Geräuschspektrum ist daher keinesfalls diskret und linienförmig.