Lautstärkeumfang

Dynamikumfang, auch Dynamikbereich oder einfach nur Dynamik oder Kontrastumfang bezeichnet in allgemeinen technischen, physikalischen oder mathematischen Zusammenhängen den Quotienten aus Maximum und Minimum einer physikalischen Größe oder Funktion. Üblicherweise werden zur Darstellung die Hilfsmaßeinheiten dB (Dezibel) oder auch Np (Neper) verwendet.

Natur und Technik

Der Dynamikbereich ist der Quotient der größten zur kleinsten Signalstärke natürlicher Ereignisse wie Druck (z. B. Schall) oder Strahlung (z. B. Licht) usw. und kann sehr groß, nahe unendlich, sein.

Die Aufzeichnung, Übertragung oder Wiedergabe solcher Ereignisse kann dagegen oft nur einen Ausschnitt der tatsächlichen Ereignisse erfassen, weil die technischen Mittel nur einen kleineren Dynamikbereich erfassen:

• Die untere Grenze des erfassbaren Bereiches begründet sich u. a. im Grundrauschen, das die kleinsten Nutzsignale überlagert.
• Die maximal mögliche Signalgröße (Übersteuerung) der verwendeten technischen Komponente begrenzt den Dynamikbereich nach oben.

Es ergibt sich also oft ein kleinerer Dynamikbereich in der Technik gegenüber natürlichen Unterschieden.

Akustik

Die Dynamik in der Tontechnik (hier auch Lautstärkeumfang oder Pegelabstand genannt) in einem Audio-System gibt das Verhältnis des lautesten und leisesten Schalldruckpegels oder technischen Pegels eines Tonsignals an. Dieser Wert wird meistens in dB (Dezibel) angegeben.

Nach unten wird der Dynamikbereich durch das Grundrauschen des Audiosystems begrenzt, nach oben durch Erreichen der maximalen Aussteuerung des Systems. Bei Überschreiten dieser Obergrenze treten Verzerrungen des Tonsignals oder andere Störungen auf.

Wenn ein Audiosystem den großen Dynamikbereich einer natürlichen Signalquelle nicht verarbeiten oder wiedergeben kann, findet in der tontechnischen Praxis häufig eine Dynamikkompression statt, das heißt, eine gewollte Verkleinerung des Dynamikbereichs. Sie richtet sich nach dem Zweck des hergestellten Tonmaterials und den jeweiligen wirtschaftlich-technischen Möglichkeiten.

Wird als Minimalwert das Grundrauschen angenommen, so spricht man vom Signal-Rausch-Verhältnis.

Als unterer Grenzwert wird in der Elektroakustik die Geräuschspannung bestimmt und der nutzbare Dynamikumfang ergibt sich aus dem Geräuschspannungsabstand. ( Siehe auch Fremdspannungsabstand )

Optik

Kontrastumfang

Der Kontrastumfang als Verhältnis K_m aus Minimal- zu Maximal-Kontrast wird angegeben:

• als Verhältnis; 1:K_m
• als sogenannte Dichte (Density), dem dekadischen Logarithmus; log(K_m)
• in Dezibel, dem 10fachen dekadischen Logarithmus; 10*log(K_m)
• als Blendenzahl, dem Logarithmus zur Basis 2; log₂(K_m) Blendenstufen
• als Bits, ebenfalls als Logarithmus zur Basis 2; log₂(K_m) Bits

So läßt sich ein Kontrastumfang von 2:2000 angeben als 1:1000, als Dichte von 3, als 30dB, als 10 Blendenstufen oder 10 Bit.

Beispiele:

Menschliches Auge

Verhältnis von maximaler und minimaler Leuchtdichte mit Adaption (dynamischer Kontrast): ca. 9 Größenordnungen = 90dB

Ohne Adaption: bis zu 1:4000 = 35dB

Unterscheidbare Graustufen: 256

Analogkamera

1:4000 bis 1:40'000 = 35-46dB = 12-15 Blendenstufen

Digitalkamera (dynamischer Kontrast)

1:1000 = 30dB = 10 Blendenstufen

Astronomische CCD-Kamera

1:4000 bis 1:60'000 (16 Bit) = 35-48dB

TV Monitor

1:256 = 24dB

Bedrucktes weißes Papier

1:100 = 20dB

Dynamikbereiche von Bildern

Darstellung Dynamikbereich vom Motiv zum Bild

Sowohl bei bewegten Bildern in Film und Video als auch in der Fotografie bezeichnet der Dynamikbereich den Quotienten aus größtem und kleinstem vom Rauschen bzw. Körnung unterscheidbarem Helligkeitswert. Der Quotient wird üblicherweise im 2er-Logarithmus als Blendenstufen angegeben.

Auch hier ist festzustellen, dass der Dynamikbereich des Motives (auch Kontrast) den der technischen Einrichtungen zur Aufnahme (Kamera, Sensor, Film) zur Übertragung sowie zur Wiedergabe (Leinwand, Bildschirm, Papier usw.) oft weit überschreitet.

Hochkontrastbilder (HDR-Bilder) können entweder durch Spezialkameras aufgenommen werden oder mittels aus einer Belichtungsreihe von gewöhnlichen Bildern mit geringem Dynamikumfang erstellt werden (siehe HDRI-Erzeugung aus Belichtungsreihen). Hierbei werden die einzelnen Aufnahmen so miteinander kombiniert, dass der Motivkontrast vollständig erfasst und absolute Helligkeitswerte gespeichert werden. Um ein HDR-Bild auf einem Medium mit wesentlich niedrigerem Dynamikbereich (z.B. Papier) abbilden zu können, muss Dynamikkompression (Tone Mapping) angewandt werden.

Literatur

• Helmut Röder, Heinz Ruckriegel, Heinz Häberle: Elektronik 3.Teil, Nachrichtenelektronik. 5. Auflage, Verlag Europa Lehrmittel, Wuppertal, 1980, ISBN 3-8085-3225-4
• Thomas Görne: Tontechnik. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, Leipzig, 2006, ISBN 3-446-40198-9
• Hubert Henle: Das Tonstudio Handbuch. 5.Auflage, GC Carstensen Verlag, München, 2001, ISBN 3-910098-19-3
• Gustav Büscher, A. Wiegemann: Kleines ABC der Elektroakustik. 6. Auflage, Franzis Verlag, München, 1972, ISBN 3-7723-0296-3

siehe auch

• Rauschen
• Signal-Rausch-Verhältnis
• Störspannungsabstand
• Fremdspannungsabstand
• Geräuschspannungsabstand
• Quantisierungsrauschabstand
• Verzerrung (Elektroakustik) bzw. Verzerrung (Akustik)