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.

Die Schallleistung ist die Energie, die eine Quelle je Sekunde als Schall abgibt — eine Eigenschaft des Geräts, unabhängig davon, wo man steht. Der Schalldruck ist die Druckschwankung, die an einem bestimmten Ort ankommt — eine Eigenschaft dieses Orts.

Ausführliche Erklärung

Beide Größen werden als Pegel angegeben, und beide heißen Dezibel — aber sie beziehen sich auf verschiedene Referenzen und lassen sich deshalb nicht direkt vergleichen.

text Schallleistungspegel L_W = 10 · log₁₀(P / P₀) P₀ = 1 pW = 10⁻¹² W Schalldruckpegel L_p = 20 · log₁₀(p / p₀) p₀ = 20 µPa

Der Unterschied zwischen 10 und 20 ist keine Konvention, sondern folgt aus der Physik. Die Leistung ist proportional zum Quadrat des Schalldrucks. Wer also den Druck halbiert, viertelt die Leistung — und beide Rechnungen ergeben denselben Abschlag von 6 dB, wenn vor dem Logarithmus einmal die 20 und einmal die 10 steht. Genau daher kommt die 6-dB-Regel des Abstandsgesetzes: Die abgegebene Leistung verteilt sich auf eine Kugelfläche, die mit dem Quadrat der Entfernung wächst.

Im Freifeld hängen beide Größen über die Geometrie zusammen: Aus dem Schallleistungspegel der Quelle, ihrem Bündelungsgrad und dem Abstand folgt der Schalldruckpegel an einem Ort — die Gleichung dazu und durchgerechnete Beispiele stehen auf der Formelseite Schalldruckpegel aus Schallleistungspegel. Für die beiden Begriffe zählt daran vor allem eine Folge: Derselbe Lautsprecher erzeugt bündig in einer Wand rund 3 dB mehr Schalldruck als frei im Raum aufgehängt, und seine Schallleistung ändert sich dabei nicht. Genau dort laufen die beiden Größen auseinander — die Quelle gibt gleich viel ab, der Ort bekommt verschieden viel.

Gemessen wird immer der Druck; ein Mikrofon kann nichts anderes. Die Schallleistung wird daraus berechnet, indem man den Druck auf einer gedachten Hüllfläche um die Quelle abtastet und über die Fläche aufsummiert. Die Verfahren dafür stehen in ISO 3745 für den reflexionsarmen Raum und in ISO 3744 für Messungen über einer reflektierenden Ebene. Der Aufwand erklärt, warum Lautsprecherdatenblätter fast nie einen Schallleistungspegel nennen, sondern den Kennschalldruckpegel in einem Meter Abstand — eine Größe, die einfacher zu messen und für die Auslegung praktischer ist.

Häufiges Missverständnis

„Der Verstärker hat 200 Watt, der Lautsprecher gibt also 200 Watt Schallleistung ab." Es sind zwei verschiedene Watt. Die eine Angabe ist elektrische Leistung, die andere akustische — und dazwischen liegt der Wirkungsgrad, der bei Lautsprechern klein ist. Der ganz überwiegende Teil der zugeführten Leistung wird zu Wärme in der Schwingspule, nicht zu Schall. Wie klein der Anteil ist und was das für die Auslegung bedeutet, steht beim Wirkungsgrad.

Der zweite Fehlschluss ist heimtückischer, weil beide Angaben gleich aussehen: „95 dB ist 95 dB." Ein Schallleistungspegel von 95 dB und ein Schalldruckpegel von 95 dB beschreiben völlig verschiedene Sachverhalte, und zwischen ihnen liegen der Messabstand und die Richtwirkung der Quelle. Wer zwei Datenblätter vergleicht, muss zuerst prüfen, welche der beiden Größen angegeben ist — und bei Schalldruck zusätzlich, in welchem Abstand, auf welcher Achse und mit welcher Leistung.

Nicht zu verwechseln mit

• Elektrische Leistung: Was der Verstärker abgibt, in Watt — eine Eingangsgröße des Lautsprechers, keine Ausgangsgröße.
• Wirkungsgrad und Kennschalldruckpegel: Sie beschreiben, wie viel Schalldruck ein Lautsprecher aus einer bestimmten elektrischen Leistung in einem festen Abstand macht.
• Lautheit: die empfundene Lautstärke. Sie hängt neben dem Pegel auch von Frequenz und Dauer ab; minus 6 dB ist der halbe Schalldruck, aber bei weitem nicht die halbe Lautstärke.
• Schallschnelle: die zweite Feldgröße neben dem Druck, die Bewegungsgeschwindigkeit der Luftteilchen.

In der Planung

Ein Kunde vergleicht zwei Einbaulautsprecher und liest bei einem 89 dB, beim anderen 92 dB. Der Schluss „der zweite ist lauter" hält nur, wenn beide Angaben denselben Bezug haben — dieselbe Messgröße, denselben Abstand, dieselbe zugeführte Leistung und dasselbe Frequenzband. In der Praxis ist mindestens eine dieser Bedingungen regelmäßig verletzt.

Für die Planung ist die Unterscheidung mehr als Sorgfalt beim Lesen. Der Pegel am Hörplatz folgt aus drei Dingen: was die Quelle abgibt, wie sie es verteilt und wie weit weg gehört wird. Nur das erste ist eine Geräteeigenschaft. Das zweite entscheidet die Aufstellung — ein bündig montierter Lautsprecher gewinnt Schalldruck, ohne mehr Leistung abzugeben —, das dritte die Raumgeometrie. Wer nur Datenblätter vergleicht, optimiert genau ein Drittel.

Verknüpfte Inhalte

Was ein Dezibel überhaupt ist, steht beim Dezibel; wie aus dem Schallleistungspegel der Pegel an einem Ort wird, rechnet die Formelseite Schalldruckpegel aus Schallleistungspegel vor, und wie derselbe Pegel mit der Entfernung abnimmt, die Freifeld-Formelseite. Wie stark eine Quelle bündelt, klärt das Bündelungsmaß, und ab welchem Abstand im Raum nicht mehr der Lautsprecher, sondern der Raum bestimmt, der Hallradius. Den Zusammenhang zwischen elektrischer Leistung und erreichbarem Pegel führen Wirkungsgrad und Verstärkerleistung aus.

Quellen

Die Definitionen der beiden Pegel mit ihren Bezugsgrößen und die Hüllflächenverfahren folgen der Normenreihe ISO 3744/3745.