Tonhöhe und Lautstärke

Physikalische und physiologische Größen
Schall, den wir hören, kann in unterschiedlicher Weise gekennzeichnet werden. Man kann ihn mithilfe physikalischer Größen beschreiben. Solche Größen sind die Schallintensität (angegeben in Watt je Quadratmeter), der Schalldruck oder der Schalldruckpegel. Diese drei Größen sind folgendermaßen definiert:

Schallintensität I:

Schalldruck p:

Schalldruckpegel :

Wichtiger für uns ist aber, wie wir Schall wahrnehmen. Größen zur Charakterisierung von Schall aus der Sicht unserer Empfindungen sind die Tonhöhe und die Lautstärke. Beides sind keine physikalischen, sondern physiologische Größen. Ihre Ermittlung erfolgt experimentell. Sie können aber mit physikalischen Größen in Beziehung gesetzt und damit auch "objektiviert" werden. Das ändert allerdings nichts daran, dass Tonhöhe und Lautstärke subjektive Empfindungen sind und damit von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich wahrgenommen werden können.

Die Tonhöhe
Die Tonhöhe wird durch die Frequenz der Schwingungen, beim Schall also durch die Schnelligkeit der Druckschwankungen, bestimmt. Je größer die Frequenz der Schwingungen ist, desto höher ist der Ton. Töne von 50 Hz oder 100 Hz nehmen wir als tiefe Töne wahr. Töne mit Frequenzen von 2.000 Hz oder 5 000 Hz empfinden wir als hohe Töne. Die tiefsten vom Menschen wahrnehmbaren Töne liegen bei 16 Hz, die höchsten bei 20 000 Hz, wobei sich die Obergrenze mit zunehmendem Alter in Richtung niedrigerer Frequenzen verschiebt. Stellt man Töne unterschiedlicher Höhe in einem y-t-Diagramm dar, dann erkennt man die Unterschiede in der Anzahl der Schwingungen in einer bestimmten Zeiteinheit (Bild 2).

Die Lautstärke
Die Lautstärke wird durch die Amplitude der Schwingungen (Größe der Druckschwankungen) bestimmt. Je größer die Amplitude der Schwingungen ist, desto lauter ist der Ton. Aus einem y-t-Diagramm sind die Unterschiede zwischen leisen und lauten Tönen erkennbar (Bild 3).
Die Lautstärke, auch Lautstärkepegel genannt, gibt an, wie laut oder leise wir Schall empfinden. Als Einheit wird das Phon (1 phon) verwendet.

Die Lautstärke kann ermittelt werden mit der Beziehung:

Für die Hörschwelle ergibt sich damit ein Wert von:

Zusammenhang zwischen Lautstärke und Schalldruckpegel
Die physiologische Größe Lautstärke ist eng mit der physikalischen Größe Schalldruckpegel verbunden. Das hängt damit zusammen, dass einige Größen in der Akustik ausgehend von den subjektiven Empfindungen definiert wurden.
Der Zahlenwert des in Dezibel (dB) gemessenen Schalldruckpegels ist bei einer Frequenz von 1.000 Hz gleich dem Zahlenwert der in Phon gemessenen Lautstärke. Es gilt also dann:
1 Phon = 1 dB
Das ist der Grund dafür, dass man heute auch häufig die Lautstärke in Dezibel angibt. Manchmal findet man auch die Einheit dB (A). Damit wird zum Ausdruck gebracht, dass man bei physikalischen Messungen einen bestimmten Frequenzbereich untersucht. Früher gab es auch das dB (B) und das dB (C). Diese Einheiten spielen heute keiner Rolle mehr. Deshalb wird statt dB (A) häufig einfach die Abkürzung dB verwendet. Gemessen wird der Schalldruckpegel mit einem Schallpegelmesser (Bild 4).

Eine wichtige Konsequenz aus unserer akustischen Wahrnehmung
Unsere Ohren weisen eine Besonderheit auf, die für die Wahrnehmung von unterschiedlich lauten Geräuschen wichtig ist. Wenn wir z. B. ein Motorrad mit 70 dB hören, dann hören wir zwei gleich laute Motorräder nicht mit der doppelten Lautstärke von 80 dB, sondern nur mit 73 dB. Erst 10 gleich laute Motorräder würden wir mit der doppelten Lautstärke, also mit 80 dB, hören. Allgemein gilt:

• Eine Verdopplung oder Halbierung der Lautstärke bedeutet eine Änderung der Lautstärke um 10 dB. 80 dB ist doppelt so laut
  wie 70 dB. 60 dB ist halb so laut wie 70 dB.
• Kommt zu einer Schallquelle eine zweite, gleich laute Schallquelle hinzu, so steigt die Lautstärke um ca. 3 dB.
• 10 gleich laute Schallquellen rufen die doppelte Lautstärke einer Schallquelle hervor.

Geräusche bis etwa 30 dB empfinden wir als ruhig. Ständiger Lärm von über 85 dB kann längerfristig zu Hörschäden führen.

Die genannten Zusammenhänge ergeben sich auch formal aus den oben genannten Gleichungen für den Schalldruckpegel bzw. für die Lautstärke.
Verdoppelt sich z.B. die Schallintensität, so ergibt sich aus der Gleichung für die Lautstärke eine Vergrößerung von 3, denn lg 3 = 0,30. Entsprechend ergibt sich bei einer Verzehnfachung der Schallintensität eine Vergrößerung von 10, denn lg 10 = 1.