Schallarten: Ton, Klang, Geräusch und Knall

Die vier Schallarten nach DIN 1320 im Vergleich: Zeitverlauf, Linien- oder kontinuierliches Spektrum, Periodizität, Tonhöhe und Scheitelfaktor – mit Tongemisch, Rauschfarben und Knall zum Anhören.

Erklärung Aufgaben

Übersicht: Zeitverlauf (oben) und Spektrum (unten)

Klicke auf eine Schallart, um sie auszuwählen. Die Karten verwenden die aktuellen Einstellungen.

Zeitverlauf

Spektrum (Pegel relativ zum stärksten Anteil)

Merkmale
Schallart
Periodisch
Spektrum
Tonhöhe
Dauer
Wellenlänge (Luft, 20 °C)
Scheitelfaktor
Höchster Teilton

Start lässt den Zeitverlauf laufen: Periodische Signale wandern gleichförmig, beim Geräusch sieht jeder Ausschnitt anders aus.

Schallart

Auswahl

Ton Klang Geräusch Knall

Frequenz f bzw. Grundfrequenz f₀ Hz

Anzahl Teiltöne N Spreizung B (0 = harmonisch)

Art des Rauschens

weiß rosa braun Terzband

Mittenfrequenz des Terzbands Hz

Dauer der Überdruckphase T₊

Beispiele

Tastatur: Leertaste = Start/Pause, F = Präsentationsmodus, M = Ton an/aus

Was passiert hier?

Vier Schallarten

Alles, was wir hören, ist Schall: kleine Druckschwankungen der Luft. Die Akustik unterscheidet nach DIN 1320 vier Grundformen. Ein Ton ist eine reine Sinusschwingung. Ein Klang besteht aus mehreren Sinustönen, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz sind. Ein Geräusch ist ein unregelmäßiges Signal ohne feste Periode. Ein Knall ist ein kurzer, starker Druckstoß. Dazu kommt das Tongemisch: mehrere Töne, deren Frequenzen nicht in ganzzahligen Verhältnissen stehen.

Die Unterscheidung folgt zwei Fragen. Wiederholt sich das Signal regelmäßig (periodisch) oder nicht? Und besteht das Spektrum aus einzelnen Linien oder ist es kontinuierlich, also über einen ganzen Frequenzbereich verschmiert? Ton und Klang sind periodisch und haben Linienspektren. Geräusch und Knall sind nicht periodisch und haben kontinuierliche Spektren. Das Tongemisch liegt dazwischen: Linien, aber keine Periode.

So arbeitest du mit dem Modul: Oben zeigt die „Übersicht“ alle vier Schallarten nebeneinander, jeweils mit Zeitverlauf und Spektrum. Ein Klick auf eine Karte wählt sie aus. Darunter siehst du die gewählte Schallart groß: den „Zeitverlauf“, das „Spektrum“ und die „Merkmale“ mit Periodizität, Art des Spektrums, Tonhöhe, Dauer und Scheitelfaktor. Mit dem Lautsprecher-Symbol in der Titelzeile hörst du das Signal.

Ton: die reine Sinusschwingung

Wähle „Ton“. Der Zeitverlauf ist eine Sinuskurve, die sich nach der Periodendauer T = 1/f genau wiederholt. Bei 220 Hz sind das etwa 4,5 ms; das Modul markiert eine Periode mit einer Klammer. Im Spektrum steht eine einzige Linie bei 220 Hz. Mehr Information gibt es nicht: Frequenz, Amplitude und Phase beschreiben einen Ton vollständig.

In der Natur kommen reine Töne kaum vor. Eine Stimmgabel kommt nahe heran, ebenso ein gepfiffener Ton oder der Prüfton eines Sinusgenerators. Im Studio ist der Sinuston das wichtigste Messsignal: 1 kHz zum Einpegeln, ein Sinus-Sweep für Frequenzgänge, 50 Hz oder 60 Hz als Brummen, wenn etwas falsch geerdet ist.

Achtung bei der Sprache: Im Alltag nennt man auch den Klavierton oder den Ton einer Geige „Ton“. Akustisch ist das ein Klang. Das Modul folgt der Fachsprache.

Die Merkmale zeigen auch die Wellenlänge λ = c/f, also den Abstand zweier Druckmaxima im Raum. Dabei ist c = 343 m/s die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 20 °C. Bei 220 Hz sind das 1,56 m, bei 20 Hz gut 17 m und bei 20 kHz nur 1,7 cm. Beim Klang gilt sie für den Grundton, beim Terzbandrauschen ungefähr für die Mittenfrequenz. Breitbandiges Rauschen und der Knall haben keine einzelne Wellenlänge, weil sie alle Frequenzen zugleich enthalten.

Der Scheitelfaktor (Crest-Faktor) ist das Verhältnis von Spitzenwert zu Effektivwert. Beim Sinus beträgt er √2 ≈ 1,41, also 3 dB. Er ist der kleinste Wert in diesem Modul und dient als Bezug für die anderen Schallarten.

Klang: Grundton und Obertöne

Wähle „Klang“. Jetzt erklingen mehrere Teiltöne bei f₀, 2·f₀, 3·f₀ und so weiter, hier mit den Amplituden 1, 1/2, 1/3 … wie beim Sägezahn. Im Spektrum stehen die Linien in gleichen Abständen von f₀. Auf der logarithmischen Frequenzachse rücken sie nach oben hin zusammen, weil jede Oktave doppelt so viele Hertz umfasst wie die vorige.

Der Zeitverlauf ist komplizierter als beim Ton, wiederholt sich aber trotzdem genau nach T = 1/f₀. Das ist kein Zufall: Jeder Teilton k·f₀ schwingt in dieser Zeit genau k-mal und ist danach wieder am Anfang. Deshalb hat ein Klang eine eindeutige Tonhöhe, nämlich die des Grundtons, auch wenn er viele Obertöne enthält.

Wie stark die einzelnen Teiltöne sind, bestimmt die Klangfarbe. Verändere die „Anzahl Teiltöne N“ und hör zu: Mit einem Teilton bleibt ein Ton übrig, mit 16 klingt es hell und scharf. Die Tonhöhe bleibt dabei gleich. Fast alle Musikinstrumente mit bestimmter Tonhöhe erzeugen Klänge: Saiten, Blasinstrumente und die Stimme beim Singen eines Vokals. Wie Teiltöne die Wellenform formen, zeigt das Modul „Obertonreihe“ im Detail.

Tongemisch: wenn die Teiltöne nicht passen

Der Regler „Spreizung B“ verschiebt die Teiltöne nach dem Modell einer steifen Saite: f_k = k · f₀ · √(1 + B · k²). Bei B = 0 ist alles harmonisch. Schon bei kleinen Werten liegen die oberen Teiltöne merklich zu hoch, und die Merkmale springen auf „Tongemisch“.

Das Spektrum besteht weiter aus scharfen Linien, aber der Zeitverlauf wiederholt sich nicht mehr. Starte die Animation: Beim harmonischen Klang wandert die Kurve als starres Muster durch das Bild, beim Tongemisch verändert sie ständig ihre Form. Es gibt keine gemeinsame Periode mehr, und die Tonhöhe wird mehrdeutig. Man hört mehrere Tonhöhen oder einen schwebenden, metallischen Klang.

Beispiele sind Glocken, Becken, Gongs und Stabspiele. Auch die tiefen Saiten eines Klaviers sind leicht gespreizt, weil der dicke Stahldraht biegesteif ist. Klavierstimmer gleichen das aus, indem sie die Oktaven etwas größer als 2 : 1 stimmen (Streckung). Die Voreinstellung „Tiefe Klaviersaite“ zeigt eine kleine Spreizung, „Glocke“ eine große.

Die Grenze zum Klang ist fließend. Bei sehr kleiner Spreizung hört das Ohr noch eine klare Tonhöhe, obwohl das Signal streng genommen nicht mehr periodisch ist.

Geräusch: Zufall und kontinuierliches Spektrum

Wähle „Geräusch“. Das Modul erzeugt Rauschen, ein Zufallssignal und den einfachsten Fall eines Geräuschs. Der Zeitverlauf hat kein Muster. Starte die Animation: Jeder Ausschnitt sieht anders aus, nichts wiederholt sich. Im Spektrum gibt es keine Linien mehr, sondern eine durchgehende Fläche. Alle Frequenzen sind gleichzeitig vertreten, mit zufällig wechselnder Phase.

Die „Art des Rauschens“ bestimmt die Verteilung über die Frequenz. Weißes Rauschen hat in jedem Hertz die gleiche Leistung. Im Spektrum ist es flach, klingt aber sehr hell und zischend, weil eine hohe Oktave viel mehr Hertz umfasst als eine tiefe. Rosa Rauschen fällt mit 3 dB pro Oktave und hat damit in jeder Oktave die gleiche Leistung; es klingt ausgewogen wie Brandung oder ein Wasserfall. Braunes Rauschen fällt mit 6 dB pro Oktave und klingt dumpf wie fernes Grollen.

Das Terzband ist Rauschen, das auf eine Drittel Oktave um die Mittenfrequenz begrenzt ist. Es hat eine unscharfe Tonhöhe: Man hört ungefähr, wo es liegt, aber es ist kein Ton. Zischlaute wie „sch“ und „s“ sind solche bandbegrenzten Geräusche.

Auch der Scheitelfaktor ist anders: Rauschen hat gelegentlich hohe Spitzen, typisch etwa das Vier- bis Viereinhalbfache des Effektivwerts (12 bis 13 dB). Reale Geräusche wie Wind, Applaus, Verkehr oder ein Lüfter sind komplizierter, haben aber dieselben Merkmale: nicht periodisch und mit kontinuierlichem Spektrum.

Knall: kurz, stark und breitbandig

Wähle „Knall“. Das Modell ist die Friedlander-Welle, die klassische Form einer Druckwelle nach einer Explosion: p(t) = (1 − t/T₊) · e^(−t/T₊). Dabei ist p der Schalldruck, t die Zeit ab dem Knall und T₊ die Dauer der Überdruckphase. Der Druck springt schlagartig auf den Spitzenwert, fällt bis T₊ auf null und geht danach in einen kleineren Unterdruck über. Das Modul markiert T₊ im Zeitverlauf. Zum Anhören wiederholt sich der Knall alle zwei Sekunden.

Das Spektrum ist kontinuierlich wie beim Geräusch, aber glatt statt zufällig, weil der Knall ein einzelnes, festgelegtes Ereignis ist. Sein Maximum liegt bei f = 1/(2π · T₊). Darüber fällt es mit 6 dB pro Oktave ab; das verursacht der Sprung am Anfang. Ändere T₊: Ein kurzer Knall (unter 1 ms, wie Klatschen, ein Peitschenknall oder ein Schuss) reicht weit in die Höhen und klingt hell und scharf. Ein langer (etwa 20 ms, wie ferner Donner oder eine Sprengung in großer Entfernung) ist dumpf und tief.

Der Unterschied zum Geräusch liegt in der Dauer: Ein Knall ist ein einzelnes kurzes Ereignis, ein Geräusch hält an. Typisch für den Knall ist der riesige Scheitelfaktor: Die Spitze ist viel höher als der Effektivwert, gemittelt über die Zeit bis zum nächsten Knall (hier 2 s). Deshalb zeigen träge Pegelmesser einen Knall viel zu leise an, obwohl der Spitzenpegel das Gehör schädigen kann.

Grenzen des Modells

Alle Signale sind idealisiert. Ton und Klang laufen ohne Ein- und Ausschwingen, die Teiltöne haben feste Amplituden 1/k. Echte Instrumente verändern ihr Spektrum ständig, und gerade der Anschlag (ein kurzer, geräuschhafter Anteil) ist für das Erkennen eines Instruments wichtig. Ein realer Klang enthält also fast immer auch Geräusch.

Zum Hören haben Ton, Klang und Geräusch den gleichen Effektivwert, damit du Klangfarben vergleichst und nicht Lautstärken. Gleich laut wirken sie trotzdem nicht ganz, weil das Gehör tiefe und sehr hohe Frequenzen weniger empfindlich wahrnimmt (siehe Modul „Dezibel und phon“). Der Knall wird mit festem Spitzenwert wiedergegeben. Ein Limiter schützt Ohren und Lautsprecher, deshalb klingt der Knall aus dem Lautsprecher nie so wie in Wirklichkeit. Ein echter Schuss erreicht Spitzenpegel von weit über 140 dB SPL.

Das Spektrum zeigt den Pegel relativ zum stärksten Anteil. Linien und kontinuierliche Spektren sind dabei nicht direkt vergleichbar: Eine Linie enthält ihre ganze Leistung bei einer Frequenz, ein kontinuierliches Spektrum verteilt sie (gemessen als Leistungsdichte). Das Rauschspektrum ist ein über viele Ausschnitte gemittelter Messwert (Welch-Verfahren) und daher leicht unruhig. Das Spektrum des Knalls ist die exakt berechnete Fourier-Transformation des Pulses.

Aufgaben

Praxisfragen

Fragen aus Studio, Bühne und Mastering – zum Nachdenken, Diskutieren und mit dem Modul Überprüfen.

1. Ein Stimmgerät zeigt bei einer Gitarre sofort den Ton an, bei Hi-Hat oder Snare dagegen nur wild springende Werte. Warum?

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Ein Stimmgerät sucht die Periode des Signals bzw. die Grundfrequenz einer harmonischen Linienreihe. Eine Gitarrensaite erzeugt einen Klang: periodisch, mit klarer Grundfrequenz. Hi-Hat und Snare-Teppich erzeugen vor allem Geräusch mit kontinuierlichem Spektrum und ohne Periode. Das Gerät findet keinen stabilen Wert. Die Kesselresonanzen einer Trommel lassen sich dagegen stimmen, wenn man den Teppich abschaltet, weil sie wieder Linien bilden. Die Teiltöne eines Fells sind allerdings unharmonisch (ein Tongemisch).
2. Bei einer Theaterproduktion soll ein Schreckschuss auf der Bühne fallen. Das Pult zeigt mit RMS-Anzeige nur einen mäßigen Pegel. Warum ist trotzdem Vorsicht geboten?

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Ein Knall hat einen extrem hohen Scheitelfaktor: Die Spitze dauert nur Millisekunden, der zeitlich gemittelte Effektivwert bleibt klein. Träge Anzeigen (RMS, VU, auch Messungen mit Zeitbewertung „Slow“) unterschätzen den Spitzenpegel deshalb massiv. Für das Gehör ist der Spitzenpegel entscheidend. Die Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung nennt dafür eigene Auslösewerte von 135 und 137 dB(C) Spitzenschalldruckpegel. Ein Schreckschuss in Ohrnähe kann sie deutlich überschreiten. Für Mikrofone und Mischpult gilt das Gleiche: Die Spitze übersteuert, obwohl die RMS-Anzeige harmlos aussieht.
3. Zum Einmessen einer PA oder als Referenz beim Mischen wird oft rosa Rauschen benutzt und kaum weißes. Was spricht für rosa?

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Rosa Rauschen hat in jeder Oktave und jeder Terz die gleiche Leistung. Ein Terzband-Analyzer zeigt es daher als gerade Linie, und Abweichungen der Anlage fallen sofort auf. Das passt auch zu Musik, deren Langzeitspektrum nach oben ähnlich abfällt. Weißes Rauschen erscheint im Terzband-Analyzer mit +3 dB pro Oktave steigend. Es klingt grell und belastet die Hochtöner mit sehr viel Leistung, was bei hohem Pegel gefährlich für die Treiber werden kann. Als Geräusch mit kontinuierlichem Spektrum regt rosa Rauschen alle Frequenzen gleichzeitig an, ein Sinus-Sweep dagegen nur eine Frequenz nach der anderen.

Aufgaben

Erst vermuten, dann ausprobieren, dann die Auflösung aufklappen. „Ausgangslage laden“ stellt die passenden Startwerte ein.

1. Vom Ton zum Klang

Ein Ton mit 220 Hz ist eingestellt. Schalte den Ton ein und wechsle dann zu „Klang“. Was ändert sich im Zeitverlauf, im Spektrum und beim Hören? Bleibt die Periodendauer gleich?

Ausgangslage laden

Auflösung anzeigen

Der Zeitverlauf wird zackiger, und im Spektrum kommen Linien bei 440, 660, 880 Hz und so weiter hinzu. Der Klang klingt heller und voller. Die Periodendauer bleibt bei T = 1/220 Hz ≈ 4,5 ms, und damit bleibt auch die Tonhöhe gleich: Die Obertöne ändern die Klangfarbe, nicht die Tonhöhe.
2. Wann wird ein Klang zum Tongemisch?

Ein Klang mit 220 Hz und 8 Teiltönen ist eingestellt. Erhöhe die Spreizung B langsam. Ab wann hörst du einen Unterschied? Starte die Animation und vergleiche den Zeitverlauf mit B = 0.

Ausgangslage laden

Auflösung anzeigen

Rechnerisch ist der Klang schon bei kleinstem B kein Klang mehr, sondern ein Tongemisch: Die Teiltöne sind keine ganzzahligen Vielfachen mehr, und das Signal ist nicht mehr periodisch. Hörbar wird das meist erst ab etwa B = 0,001; der 8. Teilton liegt dann rund 3 % (etwa ein halber Halbton) zu hoch. Bei großem B klingt es metallisch und glockenartig. In der Animation wandert die Kurve bei B = 0 als starres Muster, beim Tongemisch verändert sie fortlaufend ihre Form.
3. Weiß, rosa, braun

Weißes Rauschen ist eingestellt. Höre es dir an und wechsle zu rosa und braun. Wie verändert sich das Spektrum, und wie der Klang? Warum klingt weißes Rauschen so hell, obwohl sein Spektrum flach ist?

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Auflösung anzeigen

Weißes Rauschen ist flach (gleiche Leistung pro Hertz), rosa fällt mit 3 dB pro Oktave (gleiche Leistung pro Oktave), braun mit 6 dB pro Oktave. Weiß klingt zischend, rosa ausgewogen wie Brandung, braun dumpf. Das Gehör teilt die Frequenzen eher in Oktaven oder Terzen ein. Die Oktave von 10 bis 20 kHz umfasst 10 000 Hz, die von 100 bis 200 Hz nur 100 Hz. Bei weißem Rauschen steckt deshalb in der obersten Oktave hundertmal so viel Leistung wie in der tiefen.
4. Geräusch mit Tonhöhe?

Terzbandrauschen um 1 kHz ist eingestellt. Hörst du eine Tonhöhe? Vergleiche mit einem Ton von 1 kHz (Schallart „Ton“, Frequenz 1000 Hz) und verschiebe dann die Mittenfrequenz.

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Ja, aber unscharf: Man hört, dass das Rauschen ungefähr dort liegt, wo der 1-kHz-Ton liegt, und es steigt mit der Mittenfrequenz. Eine eindeutige Tonhöhe wie beim Ton gibt es nicht, weil das Spektrum eine Fläche statt einer Linie ist und das Signal nicht periodisch ist. Je schmaler das Band, desto tonhafter klingt das Rauschen. Zischlaute wie „s“ und „sch“ unterscheiden wir genau an der Lage solcher Bänder.
5. Kurzer und langer Knall

Ein sehr kurzer Knall (T₊ = 0,3 ms) ist eingestellt. Wo liegt das Maximum des Spektrums? Verlängere T₊ bis 20 ms. Was passiert mit dem Spektrum, dem Klang und dem Scheitelfaktor?

Ausgangslage laden

Auflösung anzeigen

Das Maximum liegt bei f = 1/(2π · T₊), also bei etwa 530 Hz für 0,3 ms. Darüber fällt das Spektrum mit 6 dB pro Oktave, es reicht also weit in die Höhen, und der Knall klingt scharf wie ein Peitschenknall. Bei 20 ms liegt das Maximum bei etwa 8 Hz, die Höhen sind viel schwächer, und es klingt dumpf wie ferner Donner. Der Scheitelfaktor sinkt, weil der längere Puls mehr Energie enthält und der Effektivwert über die 2 s bis zum nächsten Knall steigt. Er bleibt aber weit über dem von Rauschen.

Einstellungen

Ton

Kalibrierung der Pegel (dB SPL)

MIDI-Keyboard

Schallarten: Ton, Klang, Geräusch und Knall