Frequenzgang

Der Frequenzgang beschreibt, mit welchem Pegel ein Gerät jede Frequenz wiedergibt — aufgetragen als Kurve des Schalldruckpegels in Dezibel über der Frequenz in Hertz. Als Zahlenpaar im Datenblatt („40 Hz bis 20 kHz") belegt er erst dann etwas, wenn eine Toleranz und die Messbedingungen dabeistehen.

Ausführliche Erklärung

Was aufgetragen wird

Auf der waagerechten Achse steht die Frequenz, logarithmisch geteilt, damit jede Oktave gleich breit erscheint; auf der senkrechten der Schalldruckpegel in Dezibel. Die Kurve beantwortet damit eine einzige Frage: Wie viel Pegel kommt bei welcher Frequenz an?

Genau genommen hat die Übertragung zwei Hälften, den Amplitudengang und den Phasengang. Was Datenblätter und Messprogramme als „Frequenzgang" zeigen, ist fast immer nur die erste — der Betrag, die Lautstärke je Frequenz. Die Zeitseite steckt im Phasengang und wird gesondert dargestellt.

Bei einem Lautsprecher entsteht diese Kurve aus einer Messung mit Mikrofon, bei einem Verstärker oder Wandler aus einer elektrischen Messung. Der Unterschied ist erheblich: Elektronik liefert heute routinemäßig eine praktisch gerade Linie über den ganzen Hörbereich, Wandler und Räume nie.

Ohne Toleranz keine Aussage

Ein „von … bis" ohne Toleranzfenster belegt nichts — auch wenn Datenblätter die Angabe ständig in dieser Form führen. Die vollständige Form lautet „40 Hz bis 20 kHz, ±3 dB": Innerhalb dieser Grenzen weicht die Kurve höchstens 3 dB nach oben oder unten von einem Bezugspegel ab, und dieser Bezugspegel ist der Mittelwert über ein angegebenes Band.

Die Toleranz ist die eigentliche Information, denn sie lässt sich gegen die Reichweite tauschen. Derselbe Lautsprecher, der bei ±3 dB von 40 Hz bis 20 kHz spielt, deckt bei ±6 dB vielleicht 32 Hz bis 22 kHz ab und bei einem 10-dB-Fenster noch mehr. Wer die untere Grenze im Prospekt niedriger haben will, muss nichts am Gerät ändern — es genügt, das Fenster aufzumachen. Eine Angabe ohne Toleranz lässt sich deshalb mit keiner anderen vergleichen.

Genau hier liegt der Unterschied zwischen Übertragungsbereich und belegtem Frequenzgang. Den Übertragungsbereich legt IEC 60268-5 fest: Er reicht von der unteren bis zur oberen Frequenz, bei der die Kurve auf der Bezugsachse höchstens 10 dB unter dem gemittelten Pegel liegt; Einbrüche, die schmaler als eine Neuntel-Oktave sind, zählen dabei nicht mit. Das ist ein bewusst weites Fenster für eine Reichweitenangabe — ein Pegelabfall um 10 dB ist rund die halbe empfundene Lautstärke. Als Aussage über Klangbalance taugt der Übertragungsbereich damit nicht, und er soll es auch nicht. Ein belegter Frequenzgang zeigt stattdessen die Kurve selbst, mit Toleranzband und Bedingungen.

Messbedingungen entscheiden mit

Eine Frequenzgangkurve ist nur so vergleichbar wie die Angaben, unter denen sie entstanden ist. Vier davon sollten immer dabeistehen:

• Achse und Winkel. Die Normmessung läuft auf der Bezugsachse, also auf der vom Hersteller definierten Hauptrichtung. Eine Kurve unter 30 Grad seitlich sieht anders aus, und im Wohnraum hört niemand ausschließlich auf Achse.
• Umgebung und Abstand. Freifeld oder Halbraum, gemessen in 0,5 m oder ganzen Metern und auf 1 m umgerechnet. Eine Messung im normalen Zimmer bildet unterhalb der Schroeder-Frequenz — der Grenze, ab der Raummoden einzeln durchschlagen statt sich zu überlagern — überwiegend den Raum ab und nicht mehr den Lautsprecher.
• Pegel. Eine bei Zimmerlautstärke aufgenommene Kurve sagt nichts über das Verhalten bei Kinopegel; Antrieb und Schwingspule verhalten sich dort messbar anders.
• Glättung. Sie fasst benachbarte Messpunkte zusammen. Ein schmaler Einbruch, der mit einer Zwölftel-Oktave deutlich sichtbar dasteht, ist unter Terzglättung kaum noch zu erkennen. Dieselbe Messung ergibt so zwei sehr verschiedene Bilder.

Die Kette selbst muss dabei genauer sein als das Prüfobjekt: IEC 60268-5 verlangt von Generator, Verstärker und Messverstärker einen Amplitudengang, der über den Messbereich innerhalb von ±0,5 dB bleibt.

Was die Kurve nicht zeigt

Drei Eigenschaften bleiben grundsätzlich außerhalb dieser Darstellung, und alle drei entscheiden im Wohnraum mit.

Die Richtung. Eine Einzelkurve gilt für eine Richtung. Am Hörplatz kommt aber beides an, der Direktschall von der Achse und der Anteil, den Wände und Decke zurückwerfen. Wie ein Lautsprecher seinen Schall auf die Winkel verteilt, zeigt erst eine Kurvenfamilie über viele Winkel — der Rundum-Messdatensatz nach ANSI/CTA-2034, den der kanadische Forscher Floyd Toole am National Research Council seit den 1980er-Jahren etabliert hat.

Die Pegelfestigkeit. Bei welchem Pegel die Kurve aufgenommen wurde, steht in den Bedingungen; wie weit sie sich bei höherem Pegel verformt, steht nirgends. Erwärmte Schwingspulen liefern weniger Wirkungsgrad, und Verzerrungen steigen an, lange bevor ein Gerät die angegebene Belastbarkeit erreicht.

Das Zeitverhalten. Zwei Lautsprecher mit derselben Amplitudenkurve können unterschiedlich nachschwingen. Was nach dem Signal übrig bleibt, zeigen Impulsantwort und Wasserfalldiagramm. Nur unter der Bedingung der Minimalphasigkeit hängen Amplituden- und Phasenverlauf so zusammen, dass einer aus dem anderen folgt — bei Mehrwegelautsprechern und im Raum gilt das eben nicht durchgehend.

Häufiges Missverständnis

„Der spielt bis 32 Hz, der andere nur bis 40 Hz — also hat der erste den besseren Bass." Ohne Toleranz und Messbedingung vergleichst Du zwei Zahlen, die auf verschiedene Weise entstanden sind. Der eine Hersteller nennt vielleicht seinen Übertragungsbereich mit dem 10-dB-Fenster der Norm, der andere einen Frequenzgang mit ±3 dB. Die Zahl des Ersten sieht besser aus und belegt weniger. Belastbar wird der Vergleich erst, wenn beide Angaben dasselbe Fenster nennen — und wirklich belastbar erst mit den Kurven.

Ebenso verbreitet ist der Schluss vom glatten Verlauf auf guten Klang. Eine gerade Kurve auf Achse ist eine notwendige Voraussetzung und keine hinreichende: Ein Lautsprecher, dessen Bündelung sich am Übergang zwischen zwei Chassis sprunghaft ändert, kann auf Achse tadellos messen und im Zimmer trotzdem unruhig klingen, weil der Raumanteil eine ganz andere Klangfarbe hat als der Direktschall.

Nicht zu verwechseln mit

• Frequenz: die Größe auf der waagerechten Achse. Der Frequenzgang ist der Verlauf über dieser Achse.
• Übertragungsbereich: eine Reichweitenangabe nach IEC 60268-5 mit einem Fenster von 10 dB unter dem Mittelwert. Er beantwortet, wo ein Gerät noch etwas abgibt, und nicht, wie gleichmäßig.
• Phasengang und Gruppenlaufzeit: die Zeitseite derselben Übertragung. Sie beschreiben, wann eine Frequenz ankommt, während der Amplitudengang sagt, wie laut.
• Zielkurve: die Sollvorgabe einer Raumkorrektur, auf die hin entzerrt wird. Sie beschreibt einen Wunsch und ist keine Messung.
• Klirrfaktor: der Anteil neu erzeugter Frequenzen. Ein Gerät kann einen geraden Frequenzgang und hohe Verzerrung zugleich haben.

In der Planung

Ein Kunde legt zwei Standlautsprecher nebeneinander und will wissen, welcher tiefer spielt. Modell A steht mit „32 Hz bis 25 kHz" im Prospekt, Modell B mit „45 Hz bis 20 kHz, ±3 dB". Nach den Zahlen wäre die Sache klar.

Die erste Frage ist trotzdem keine Gerätefrage: Wird im Raum überhaupt ein Lautsprecher gebraucht, der die unterste Oktave abdeckt, oder übernimmt sie ein Subwoofer mit eigener Aufstellung und eigener Ankopplung? In fast allen Wohnräumen bringt die zweite Antwort mehr, weil die tiefsten Töne von den Raummoden dominiert werden und ihre Wiedergabe damit an der Position hängt und kaum am Datenblatt.

Dann erst das Verfahren. Für beide Modelle lässt sich der Messreport anfragen — Kurvenfamilie über die Winkel, Toleranzband, Messbedingungen. Liegt er für A nicht vor und für B schon, ist das bereits ein Befund. Kommt er, lässt sich prüfen, mit welchem Fenster die 32 Hz von A zustande gekommen sind und wo die Kurve tatsächlich abzufallen beginnt.

Die Geräteentscheidung fällt damit zuletzt und aus anderen Gründen als den Prospektzahlen: aus dem Abstrahlverhalten, das zur Raumgeometrie passen muss, und aus der Frage, wie sauber sich der Übergang zum Subwoofer legen lässt.

Verknüpfte Inhalte

Die Größe auf der waagerechten Achse erklärt der Eintrag zur Frequenz, die Pegelskala der Eintrag zum Dezibel. Wie eine Messung im Raum abläuft und welche Sichten sie liefert, steht bei der Raummessung; ab welcher Frequenz der Raum die Kurve bestimmt, klärt die Schroeder-Frequenz. Die Zeitdarstellung derselben Aufnahme behandeln Impulsantwort und Wasserfalldiagramm. Warum eine Einzelkurve über das Verhalten im Zimmer wenig verrät, führen Bündelungsmaß, Hörfenster und der Rundum-Messdatensatz aus. Wie veröffentlichte Messreports gelesen werden, behandelt die Wissensseite zum Rundum-Messdatensatz und zur Wandlermessung.

Quellen

Der Übertragungsbereich mit dem 10-dB-Kriterium, der Mittelung über ein angegebenes Band und der Ausnahme für Einbrüche schmaler als eine Neuntel-Oktave ist in IEC 60268-5 festgelegt und in IEC 60268-21 ein zweites Mal beschrieben; ebenso die Messung auf der Bezugsachse, der Messabstand mit Umrechnung auf 1 m und die Anforderung von ±0,5 dB an die Messkette. Der Rundum-Messdatensatz steht in ANSI/CTA-2034; seine Herkunft und die Verbindung zum Klangeindruck im Raum stammen aus der Standardliteratur zur Lautsprecherwiedergabe.