Der Dynamikumfang (Dynamikbereich) ist neben der Abtastrate (Sample Rate) einer der technisch begrenzenden Faktoren beim Aufnehmen von Musik. Um zu verstehen wie modernes Aufnahmeequipment funktioniert, ist ein grundlegendes Verständnis des Dynamikbereichs und, in weiterer Folge, ein grundlegendes Verständnis der Bittiefe (Samplingtiefe) von großer Bedeutung. Was du dir unter dem Dynamikumfang vorstellen kannst werde ich in diesem Beitrag näher erläutern.

Dynamik ist einer der wichtigsten Grundbausteine von Musik und Sprache. Auf diesem Baustein baut unsere nuancierte Musikwahrnehmung auf und, in weiterer Folge, auch unsere Fähigkeit Informationen, die über den Inhalt des gesagten hinausgehen (Emotionen), über die Sprache mitzuteilen. Modernes Recording-Equipment muss daher die nötigen Voraussetzungen mitbringen, um diese Feinheiten beim Aufnehmen in höchstmöglicher Qualität einzufangen.

1. Der Dynamikumfang in der Technik

Per Definition ist der Dynamikumfang das Verhältnis zwischen den Maximal- und Minimalwerten in einem technischen-, physikalischen- oder mathematischen System. Er wird üblicherweise in dB (Dezibel) angegeben. In der Natur können physikalische Ereignisse wie z.B. Schalldruck einen Dynamikbereich aufweisen, der nur von den physikalischen Eigenschaften des Mediums (in diesem Fall die Luft) beschränkt wird. Es ist aber nicht möglich diesen nahezu uneingeschränkten, natürlichen Dynamikumfang auch technisch zu verarbeiten. Das heißt, man ist bei der Aufnahme, Übertragung und Wiedergabe eines solchen Ereignisses an den Dynamikumfang des technischen Systems gebunden. Aber auch dieser theoretisch mögliche Dynamikumfang kann nicht in vollem Umfang genutzt werden. Das liegt hauptsächlich an den folgenden begrenzenden Faktoren von technischen Systemen.

1.1  Grundrauschen – Die untere Grenze um Dynamikbereich

Dynamikumfang - Darstellung beginnend bei der maximalen Aussteuerung eines Signales bis zu dessen Verschwinden im Gundrauschen

Der Dynamikbereich von technischen Systemen ist nach unten hin durch das sogenannte Grundrauschen limitiert. Dieses Grundrauschen entsteht auf molekularer Ebene durch das sogenannte Wärmerauschen der verwendeten Bauteile. Das Grundrauschen muss also vom theoretisch möglichen Dynamikumfang abgezogen werden, da Signalanteile, die sich in diesem Dynamikbereich bewegen, nicht mehr als Nutzsignal identifiziert werden können – sie verschwinden im Grundrauschen.

Bei einem System mit einem theoretischen Dynamikumfang von 18 dB und einem Grundrauschen von 4 dB können z.B. nur 14 dB nutzbringend verwendet werden – der Rest wird vom Grundrauschen maskiert.

1.2  Verzerrung – Die obere Grenze im Dynamikbereich

Darstellung von Clipping im Dynamikbereich anhand einer Sinusschwingung

Am oberen Ende ist der Dynamikbereich durch die maximal verarbeitbare Signalgröße der verwendeten technischen Komponenten begrenzt. Der Grund dafür ist, dass die elektronischen Bauteile in Aufnahmegeräten ab einer gewissen Spannung oder einer gewissen Stromstärke das angelegte Signal nicht mehr in vollem Umfang übertragen können und zu übersteuern beginnen.

Diese Übersteuerungen können in manchen Situationen erwünscht sein, wenn sie zum Beispiel angenehme Obertöne zum Signal hinzufügen (Sättigung in Mikrofonvorverstärkern). In anderen Situationen können sie aber wieder gänzlich unerwünscht sein, wenn sie das Signal zum Beispiel hart abschneiden (Clipping bei Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern).

Bei einem System mit 18 dB Dynamikumfang werden z.B. die Signalanteile außerhalb des Dynamikbereiches (4 dB Übersteuerung bei einem Eingangssignal mit 22 dB Maximalaussteuerung) abgeschnitten und am Ausgang des Systems als Verzerrungen (Clipping) wiedergegeben.

1.3 Der nutzbare Dynamikumfang

Der nutzbare Dynamikbereich bei Vollaussteuerun und einem Grundrauschen

In der Tontechnik ist es wichtig zu verstehen, dass der Dynamikumfang den Bereich angibt in dem sich ein Audiosignal nutzbringend bewegen kann. Er wird also am unteren Ende durch das Grundrauschen (1.1) und am oberen Ende durch die maximal mögliche Aussteuerung des Systems (1.2) begrenzt.

Die Grenzen des Dynamikbereiches sind vor allem bei der Analog-Digital-Wandlung und der Digital-Analog-Wandlung relevant, da dort das Signal möglichst verlustfrei (ohne Informationsverlust) in den jeweils anderen Zustand umgewandelt werden muss.

1.4 Signal-Rauschabstand

Der Signal-Rauschabstand im Dynamikbereich eines 18 dB Signals

Der Signal-Rauschabstand, auch als Störabstand oder Signal Rausch-Verhältnis (SRV oder SNR von englisch „signal to noise“) bezeichnet, sagt etwas über die technische Qualität eines Nutzsignales aus, das von einem Rauschsignal überlagert ist. Per Definition ist der Signal-Rauschabstand ein Verhältnis zwischen der mittleren Leistung des Nutzsignales und der mittlerne Leistung des Rauschens.

In der Tontechnik wird z.B. der maximal mögliche Dynamikumfang eines Audio Interfaces oder die Qualität von A/D und D/A-Wandlern mittels Signal-Rauschabstand in Dezibel (dB) angegeben. Bei einem maximalen Dynamikumfang von 18 dB und einem Grundrauschen von 4 dB wäre der Signal-Rauschabstand z.B. 14 dB.

1.5 Dynamikkompression

Eingangs-/Ausgangsdiagramm eines Kompressors zur Kompression des Dynamikumfanges

Um auch Signale aufnehmen zu können, die über den möglichen Dynamikumfang von technischen Systemen hinausgehen, bedient man sich der Dynamikkompression. Dabei werden zu laute Signalanteile um einen gewissen Wert (Ratio) abgesenkt und das Signal als gesamtes lauter gemacht (Aufholverstärkung oder Make-up Gain). Mit Hilfe von Kompression kann also ein zu lautes Signal wieder in den Bereich zwischen der unteren und oberen Grenze des Dynamikbereiches eingepasst werden.

Fazit

Der Dynamikumfang kann in der Tontechnik auf die beiden begrenzenden Faktoren „Verzerrung“ und „Grundrauschen“ heruntergebrochen werden. Ebenso ist ein grundlegendes Verständis des Signal-Rauschabstandes (SNR) von Vorteil. Dieses Wissen kann z.B. beim Kauf von Aufnahme-Equipment als Richtwert für dessen Qualität herangezogen werden. In weiterer Folge wird der Dynmaikbereich in der digitalen Signalverarbeitung über die Bittiefe definiert, die wiederum große Auswirkungen auf die Qualität von digitalen Aufnahmen haben kann.

Wenn du mehr Fragen zum Thema Recording hast, kannst du gerne in meinen Homerecording Beiträgen nach Antworten stöbern.

Beitragsbild: Chris Hörmann
Quellen: Wikipedia (2019)

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