Pegelmesser und Spektrum-Analysatoren: Smartphone statt Analyser?

Pegelmesser und Spektrum-Analysatoren gibt es inzwischen nicht nur als teure, schwere Laborinstrumente, sondern sogar als Apps und kostenlose Software. Was bedeuten die angezeigten Messwerte aber überhaupt und warum sind »richtige« Messgeräte nach wie vor so teuer? Pro & contra Smartphone-Apps und Pegelmesser.

Stimmt das?

Das macht sich immer gut: eine Mess-Software mit sich bewegenden Balken und Werten auf einem Bildschirm am Mischpult. Und man will auch mitreden können, wenn es nach einem Blick auf die Smartphone-App um die Frage geht, ob das Konzert nun zu laut war oder nicht. Hier stehen aber eine ganze Reihe Fallstricke bei der Interpretation der Werte bereit. Zunächst soll es aber kurz darum gehen, warum Techniker immer noch Geld für Mess-Software, Hardware oder gar Pegelmessgeräte in vierstelliger Höhe und mehr ausgeben, wo es doch Apps für Smartphones und kostenlos Mess-Software gibt.

Das Wichtigste bei einer Messung ist, dass die Rohdaten korrekt sind. Und dabei so genau, wie notwendig. Dabei spielt natürlich der Zweck der Messung eine Rolle. Möchte man mit einem Terz-Analyzer einfach nur sehen, wo die Frequenz liegt, wenn es bei einer Rückkopplung zu fiepen anfängt, dann spielt der absolute Pegel keine Rolle. Auch kleinere Abweichungen im Frequenzgang (z. B. durch das Messmikrofon) können einem egal sein. Möchte man aber den Pegel bei einer Veranstaltung messen, dann sollte man sich sicher sein, dass der gemessene, absolute Pegel stimmt. Dieser schwankt auch bei hochwertigen Messmikrofonen leicht. Abgesehen davon kann ein Mikrofon auch defekt sein oder sich über die Zeit in seinen Eigenschaften verändern. Eine sichere Überprüfung ist nur mit einem Kalibrator möglich, der auch noch zu dem Mikrofon passen muss. Das ist bereits mit einem Smartphone nicht möglich. Verwendet man eine Software auf dem Laptop, dann ist zumindest darauf zu achten, dass es eine Funktion gibt, die das Kalibrieren durchführt. Mit dem Kalibrieren überprüft man auch, ob die Messkette vom Mikrofon zur Anzeige funktionsfähig ist. Bei »amtlichen« Messungen, z. B. nach der DIN 15905-5 (Veranstaltungstechnik − Tontechnik − Teil 5: Maßnahmen zum Vermeiden einer Gehörgefährdung des Publikums durch hohe Schallemissionen elektroakustischer Beschallungstechnik) oder Immissionsmessungen nach der TA Lärm ist das Kalibieren vor und nach der Messung obligatorisch, abgesehen davon, dass die Messsysteme auch einer festgelegten Genauigkeitsklasse entsprechen müssen.

Bei Messungen des Frequenzganges z. B. mit einem Terz-Analysator, sollte es außerdem Möglichkeiten geben, den Frequenzgang des Messsystems zu überprüfen, z. B. indem man den Ausgang auf den Eingang legt und guckt, wie linear der Frequenzgang in dem Bereich ist, der für einen interessant ist. Dann kann man auch sehen und für sich entscheiden, ob einem vom Frequenzgang her die Qualität z. B. des Notebook-Eingangs reicht. An dieser Stelle mag schon die Entscheidung für ein externes Audio-Interface mit externem Messmikrofon fallen. Ein weiteres Argument spricht oft vehement für die Anschaffung von externen Gerätschaften: die Qualität der AD/DA-Umsetzer bezüglich Störpegel, Verzerrungen und Dynamik. Das Signal, das man messen möchte, darf natürlich weder so leise bzw. der Störpegel so hoch sein, dass der Störpegel das Messergebnis maßgeblich beeinflusst. Noch darf das Signal so laut sein, dass es das Messsystem übersteuert.

Mit den Messprogrammen für Smartphones und Notebooks ohne weiteres Zubehör ist es sicher so wie bei anderen Dingen: Wenn man weiß, wie man damit umgehen muss, kann schlechtes Werkzeug besser sein als gar keins. Man sollte sich aber der Einschränkungen bewusst sein. Und ohne z. B. mal beim eigenen Smartphone in einer Vergleichsmessung mit einem kalibrierten Messsystem nachzuprüfen, ob denn die Werte stimmen − und dieses am besten in regelmäßigen Abständen zu wiederholen − sollte man den Angaben keinen Glauben schenken.

Die Zeit und die Frequenz − sie spielen bei der Analyse eines Audiosignals immer beide eine Rolle. Ohne nun physikalisch grundlegend zu werden: die zeitliche Darstellung eines Signals lässt sich auch in die Frequenzdarstellung überführen − und umgekehrt. Die Abbildung 1 zeigt als Beispiel die Aufnahme von Sprache. Nach der Transformation mittels Fast-Fourier-Transformation stellt sich das gleiche Signal wie in Abbildung 2 im Frequenzbereich dar. Die zeitliche Darstellung erfolgt als Schalldruck in Pa, Spannung in V oder Pegel in dB über die Zeit, in der Frequenzdarstellung wird üblicherweise der Pegel in dB über die Frequenz in Hz angegeben.

Meist wird nur ein Aspekt betrachtet − und dargestellt. Bei der Messung des absoluten Pegels wird z. B. der über eine Messzeit gemittelte Schalldruckpegel angegeben. Nach einzelnen Frequenzen spezifiziert die Angabe eines Schallpegels dann nicht. Abbildung 3 zeigt die Anzeige eines Schallpegelmessers mit unterschiedlichen Werten, Abbildung 4 ein Protokoll mit dem zeitlichen Verlauf. Schallpegelmesser geben z. B. den Kurzzeitmittelungspegel für die Zeitkonstante 125 ms und der Kennzeichnung F für Fast oder für die Zeitkonstante 1 s und der Kennzeichnung S für Slow an. Mittelungspegel über einen längeren Zeitraum werden als energieäquivalenter Dauerschallpegel bezeichnet und mit dem Kürzel eq gekennzeichnet. Die Beurteilung der Schallpegel bei Veranstaltungen zur Beurteilung der Gefährdung des Publikums durch die Beschallungsanlage beruht beispielsweise auf dem energieäquivalenten Dauerschallpegel über 30 Minuten.

Beim Mischen interessiert eher der Frequenzgang, oft dargestellt in Terzen. Die Abbildung 5 zeigt ein Terz-Spektrum. So ein Spektrum kann zur Unterstützung des Gehörs dienen, z. B. um beim Mischen besser zu lokalisieren, wo Überbetonungen auftreten oder sich Rückkopplungen aufbauen. Es gibt auch Darstellungen von Zeit, Frequenz und Pegel wie das Zerfallspektrum oder Spektrogramme. Sie sind aber eher ungewohnt und nicht ganz so schnell zu erfassen. Daher ist es meist sinnvoll, nur den Zeit- oder den Frequenzbereich zu betrachten. Es sollte aber nicht vergessen werden, dass der andere auch existiert.

Richtig bewerten: F, S und EQ sind nicht die einzigen Kürzel, die oft im Zusammenhang mit einem Schallpegel genannt werden. Oft erscheint hinter dem großen L für Schallpegel ein A oder ein C. Mit diesen Buchstaben wird angegeben, dass das Signal einer Frequenzbewertung unterzogen wurde, bevor der Einzahlwert berechnet wurde. Die Bewertung zollt der Tatsache Rechnung, dass das Ohr Frequenzbereiche in Abhängigkeit vom Pegel besonders gut oder schlecht wahrnimmt. Tiefe Frequenzen werden z. B. bei geringen Pegeln wesentlich schlechter gehört als Frequenzen zwischen 1 kHz und 5 kHz. Deswegen wurden verschiedene Bewertungskurven festgelegt, von denen heutzutage fast ausschließlich die A-Bewertung genutzt wird, in einigen Fällen kommt auch die
C-Bewertung zum Einsatz. Beide Bewertungskurven sind in der Abbildung 6 dargestellt. Was mit einem Signal passiert, wenn es bewertet wird, verdeutlicht die Abbildung 7. Sie zeigt, wie ein Musiksignal mit kräftigem Bass nach der Bewertung mit dem A-Bewertungsfilter aussieht. Bei der Berechnung des Schallpegels mit A-Bewertung werden also tiefe Frequenzen und untere Mitten wesentlich weniger berücksichtigt. Dadurch können A-bewertete Signale im Pegel um einiges geringer sein als nicht bewertete Signale. Größenordnungen von 10 dB sind keine Seltenheit. Dies ist wichtig, zu bedenken, wenn man z. B. auf einem Konzert eine Aussage treffen möchte, ob es denn nach gängigen Richtlinien zu laut ist.

Da waren 130 dB beim Konzert! Bei dieser Aussage liegt der Gedanke nahe, dass es viel zu laut war. Das muss aber keinesfalls stimmen. Wenn bei einer Pegelspitze mal 130 dB gemessen worden sind, ist das sogar nach der DIN 15905-5 kein Grund zur Beunruhigung. Nach ihr darf lediglich ein C-bewerteter Spitzenpegel LCpeak von 135 dB auf keinen Fall überschritten werden. Ansonsten gilt, dass eben ein Mittelwert über einen festen Zeitraum nicht überschritten werden darf. Nach der DIN 15905-5 wird in der Regel eine Beurteilungszeit von
30 min bis 120 min sind auch statthaft − angesetzt. In diesem Zeitraum darf der Beurteilungspegel LAr nicht höher als 99 dB an der lautesten, dem Publikum zugänglichen Stelle sein. Grundlage für den Beurteilungspegel ist der LAeq, also der A-bewertete Mittelungspegel (energieäquivalenter Dauerschallpegel) über
30 min. Da dürfen einzelne Passagen auch mal bei 110 dB(A) liegen, Spitzen darüber hinausgehen. Es muss nur als Ausgleich auch wieder leisere Passagen geben.

Wenn man nun nur einen Pegelmesser zur Verfügung hat, der einen Kurzzeitmittelungspegel anzeigt, dann ist man auf der sicheren Seite, wenn man während eines ganzen Konzertes nie die 99 dB(A) überschreitet. Aber damit begrenzt man sich bei Konzerten eigentlich um das, was ein Konzert spannend macht: die Dynamik, das Wechseln von lauten und leisen Passagen. Wenn man aber die 99 dB(A) ab und an überschreitet, dann wird es schwierig, sozusagen gefühlsmäßig einzuschätzen, wie lange man die 99 dB(A) danach wieder unterschreiten muss, um die Überschreitungen auszugleichen.

Das hört sich ja überall anders an? Wer kennt das nicht, man hat bei einem Konzert einen Platz gefunden, an dem sich alles prima anhört, dann geht man ein Bier holen, steht 10 m weiter links und alles ist auf einmal anders. Die Gründe hierfür sind vielschichtig. Einer der Gründe bei einem Stereo-Mix ist, dass das optimale Stereobild nur in der Mitte im passenden Abstand zu hören ist. Ein anderer ist, dass Lautsprecher eine Abstrahlcharakteristik haben, die nicht genau der nominellen Angabe des horizontalen und vertikalen Abstrahlwinkels im Datenblatt folgen, sondern immer auch mehr oder minder frequenzabhängig sind. Daher wird es selbst bei sorgsamer Ausrichtung der Lautsprecher immer Unterschiede im Frequenzgang an unterschiedlichen Positionen geben. Das sollte man bei der Interpretation der Ergebnisse einer Messung an einer Mikrofonposition bedenken.