Musik ist wie jede Form der Kunst stark von den persönlichen Empfindungen des Hörers abhängig. Melodien vermitteln Regungen und Gefühle; Rhythmen stimulieren Emotionen. Allerdings sind dies rein psychologische Aspekte der Musik. Beim Digitaliseren analoger Musik finden nur die physikalischen Eigenschaften Beachtung.

Rein physikalisch betrachtet ist ein Ton nichts anderes als eine Schwingung, die von einer Tonquelle erzeugt, über ein Medium transportiert und vom Ohr aufgenommen wird. Normalerweise ist die Luft, die uns umgibt, das Medium, mit dem Töne transportiert werden. Aber auch Wasser und Eisen können beispielsweise Töne transportieren, da diese Elemente in der Lage sind, Schwingungen weiterzuleiten.

Tonquelle und Übertragunsmedium

Die Schwingung ist letztlich das, was als Ton aufgefaßt wird. Von ihrer Stärke und Wellenlänge hängt es ab, ob wir einen hohen oder tiefen bzw. einen schrillen oder weichen Ton hören.

Prinzipiell lassen sich zwei typische Schwingungsgattungen unterscheiden:

Schwingung

• unperiodische Schwingungen
• periodische Schwingungen

Schwingungsgattungen

Unperiodische Schwingungungen werden allgemein als Geräusch bezeichnet. Dazu zählen beispielsweise das Brausen eines Sturm, das Rauschen eines Wasserfalls oder auch Verkehrsgeräusche. Sie alle lassen sich nicht durch periodische Schwingungen erfassen.

Unperiodische Schwingungen

Die periodischen Schwingungen repräsentieren Klänge. Dazu zählen beispielsweise Instrumente wie Klavier, Gitarre, Trompete oder auch eine einfache Glocke. Mithin stellen die periodischen Schwingungen das Gros der in der Musik verwendeten Elemente dar. Dies findet unter anderem Verwendung in der FM-Synthese der Soundkarten, die versuchen, die periodischen Schwingungen der Instrumente nachzubilden.

Periodische Schwingungen

Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde wird über die Maßeinheit Hertz ausgedrückt. Ein Hertz ist eine Schwingung pro Sekunde:

Abbildung: Messen periodischer Schwingungen

Der Vorgang der Digitalisierung analoger Musik, nimmt auf die Unterscheidung der Schwingungen in Bezug auf ihre Periodizität keine Rücksicht. Die Schwingungen werden über zwei allgemeine Parameter beschrieben:

Maßeinheit Hertz

• Amplitude
• Frequenz

Schwingungsparameter

Die Amplitude bezeichnet den höchsten Punkt oder Ausschlag einer Schwingung. Sie ist primär für die Lautstärke des Tons verantwortlich. Je größer der Amplitudenwert, desto lauter der Ton.

Amplitude

Die Frequenz beschreibt die Anzahl der Schwingungen pro Minute. Sie charakterisiert damit die Höhe eines Tons. Je höher die Frequenz, desto höher klingt der Ton.

Abbildung: Verhältnis zwischen Frequenz und Ton

Schwingungsdauer und Frequenz sind reziproke Werte. Die Umrechnung erfolgt nach der Formel:

Frequenz = 1 / Schwingungsdauer

Frequenz

Eine Frequenz von 1000 Hertz entspricht 1/1000 Sekunden, also 1 Sekunde / 1000 Schwingungen.

Beispiel

Frequenzen können theoretisch unendlich groß werden. Eine Grenze ist erst erreicht, wenn die Wellenlänge der Schwingung den Grenzwert 0 erreicht. Dies ist der höchste denkbare Ton. Allerdings hat die Natur schon viel früher natürliche Grenzen gesetzt. Das menschliche Ohr kann lediglich Töne zwischen 16 und 20.000 Hertz aufnehmen, wobei die Obergrenze von Mensch zu Mensch schwankt und mit zunehmendem Alter abnimmt.

Die Frequenzen, die in unserem Leben eine wichtige Rolle spielen, liegen jedoch allesamt unter 10.000 Herz. In diesem Bereich bewegt sich alles, was mit Sprache, Musik und Geräuschen zu tun hat. Die nachfolgende Tabelle zeigt beispielhaft einige Frequenzbereiche:

Natürliche Frequenzgrenzen

Typische Frequenzbereiche

Obwohl sich Frequenzen mit technischen Mitteln sehr gut messen und klassifizieren lassen, gibt es nur wenige Menschen, die eine Frequenz durch reines Hören bestimmen oder korrekt einordnen können. Diese als "absolutes Gehör" bezeichnete Eigenschaft war früher beispeilsweise eine Grundvoraussetzung für den Beruf des Klavierstimmers. Heute kann dank technischer Meßinstrumente auf die Fähigkeit des absoluten Gehörs verzichtet werden.

Absolutes Gehör

Auch Musiker benötigen kein absolutes Gehör. Ebensowenig arbeiten sie mit Frequenzen, sondern mit symbolischen Bezeichnungen für bestimmte Frequenzen. Diese Bezeichner reichen von C bis H und unterteilen eine Oktave in 12 Halbtonschritte. Der Abstand zweier Oktaven beträgt immer das Doppelte. Der sogenannte Kammerton 'a', nach dem üblicherweise Instrumente gestimmt werden, liegt bei 440 Hertz und somit in der vierten Oktave. Das 'a' der fünften Oktave liegt bei 880 Hertz.

Tonschritte

Allerdings lassen sich Töne nicht einfach um die Hälfte erhöhen, um zu Zwischentönen zu gelangen. Denn rein mathematisch ergeben sich zwei völlig unterschiedliche Frequenzen für ein erhöhtes f und ein erniedrigtes g. Seit dem 18. Jahrhundert verwendet man daher die sogenannte "temperierte Tonleiter", in der jeder Tonschritt einer Frequenzdifferenz von der 12. Wurzel aus 2 entspricht.

Temperierte Tonleiter

Ein Instrument verdankt seinen charakteristischen Klang jedoch nicht allein der Grundschwingung, sondern in besonderem Maße auch den sogenannten "Obertönen". Dies sind Schwingungen, deren Frequenz ein Vielfaches der Grundschwingung beträgt. Die Addition aller Schwingungen kombiniert mit dem Lautstärkeverlauf, ergibt letztlich den typischen Klang einer Tonquelle.

Abbildung: Die temperierte Tonleiter

Obertöne

Neben der Tonhöhe spielt auch die Dynamik eine große Rolle. Sie wird ausgedrückt als das Verhältnis der Schallleistungen der vorhandenen Nebengeräusche zu denen der unverzerrten Höchstlautstärke. Als Maßeinheit wird Dezibel (db) verwendet.

Da die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs gegenüber Lautstärkeveränderungen nicht linear sondern logarithmisch verläuft, ist Dezibel ein logarithmischer Maßstab.

Nachfolgend sind einige Dezibel-Werte mit den zugehörigen Leistungs- und Spannungsverhältnissen aufgelistet:

Der folgende Strahl zeigt einige typische Geräusche aus dem Alltag mit ihren Schallstärken:

Abbildung: Schallstärken einiger Schallquellen

Dynamik