Was ist Gain-Staging?

Die digitale Audiowelt kann verwirrend wirken. In der Schallphysik beispielsweise wird die Lautstärke in Dezibel gemessen, und die Werte sind immer positiv, aber in digitalen Workstations (DAWs) werden Dezibel plötzlich negativ. Und was ist das für eine seltsame Magie?

Ein weiteres Rätsel: Auf dem DAW-Bildschirm sieht man manchmal Signalpegel, die über Null liegen, manchmal erscheinen sogar „positive“ Dezibel. Was bedeutet das alles? Hilf mir zu verstehen! Die Begriffe „Lautstärke“, „Verstärkung“, „Pegel“ hört man ständig um uns herum und auf YouTube – aber was ist der Unterschied zwischen ihnen?

Versuchen wir es ohne komplizierte Formeln zu verstehen. Schließlich sind wir hauptsächlich Musiker und keine Ingenieure. Und gleichzeitig lernen wir, wie wir den sogenannten „Level-Headroom“ in unseren mit einer DAW erstellten Musikprojekten richtig organisieren.

Bei der digitalen Audioaufnahme gibt es grundsätzlich keine Lautstärke. Was sind „natürliche“ Dezibel?

„Lautheit“ ist mehr als nur ein Wort, das die Intensität des auf die Ohren ausgeübten Schalldrucks zu beschreiben versucht. Leise und laute Geräusche werden von jedem Menschen subjektiv wahrgenommen. Was für den einen nur „laut“ ist, kann für den anderen „furchtbar laut“ sein.

Musik machen erfordert immer die Berücksichtigung subjektiver Kriterien, die manchmal das Verständnis zwischen den Beteiligten im kreativen Prozess beeinträchtigen. Daher ist es wichtig, bei der Arbeit an Musikprojekten ein objektiveres Verständnis der Lautstärke zu haben.

In der Natur gibt es kein direktes Analogon zur Lautstärke, wie in der digitalen Welt. Schall breitet sich durch elastische Wellen in einem gasförmigen, flüssigen oder festen Medium aus. Die Schallquelle ist ein physischer Körper, der mechanischen Schwingungen ausgesetzt ist, beispielsweise eine Saite oder menschliche Stimmbänder.

Versuchen wir uns das visuell vorzustellen, wenn auch nicht sehr wissenschaftlich: Nachdem die Saite erklingt, vibriert sie seitwärts (im dreidimensionalen Raum) mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude und erzeugt dabei elastische Wellen um sich herum.

Diese Wellen verursachen Bereiche mit hohem und niedrigem Luftdruck, die sich durch die gasförmige Umgebung ausbreiten. Physiker bezeichnen diese Schwingungen als „Schalldruck“.

Um die Intensität des Schalldrucks zu messen, haben Wissenschaftler eine Formel entwickelt, die den Druck selbst, die akustische Impedanz des Mediums und die Zeitmittelung berücksichtigt. Dadurch können wir den quadratischen Mittelwert der Schallintensität zu einem bestimmten Zeitpunkt und Raum ermitteln.

In der Musik sind Schallschwingungen überwiegend periodisch, ähnlich den Schwingungen einer Saite. Manchmal bewerten wir ihre Intensität mit dem Konzept der „Schalldruckamplitude“, aber in Wirklichkeit ist das nicht so wichtig.

Was wirklich wichtig ist, ist, dass sich positive Dezibel (gekennzeichnet durch ein „+“) in der Physik auf die Intensität des Schalldrucks beziehen, jedoch nur relativ zu einem bestimmten Punkt auf einer Skala. Dezibel sind relative, logarithmische oder submultiple Einheiten und machen nur Sinn, wenn es einen „Ausgangspunkt“ gibt.

In der Physik liegt dieser Ausgangspunkt bei einem Druckniveau von 20 Mikropascal (µPa) – das ist die durchschnittliche Hörschwelle des Menschen, wenn er noch keine Geräusche wahrnimmt und Stille verspürt. Obwohl die Katze damit wahrscheinlich nicht einverstanden wäre.

Der Grad der von einer Person wahrgenommenen Lautstärke wird separat untersucht, wobei eigene Maßeinheiten wie Mittel, Frequenzzusammensetzung und andere Faktoren verwendet werden. Bei der Arbeit mit einer DAW sind diese Details jedoch nicht so wichtig. Das Wichtigste für uns ist, dass wir uns nicht mit Dezibel verwechseln.

0 Dezibel SPL (Schalldruckpegel) bedeutet Stille für einen Menschen. Nachfolgend einige typische Werte zum Vergleich:

• 15 dB – „Kaum hörbar“ – es ist wie das Rascheln von Blättern;
• 35 dB – „Deutlich hörbar“ – zum Beispiel ein gedämpftes Gespräch, eine ruhige Umgebung in einer Bibliothek oder Lärm in einem Aufzug;
• 50 dB – „Deutlich hörbar“ – das ist wie ein Gespräch in mittlerer Lautstärke, eine ruhige Straße oder der Betrieb einer Waschmaschine;
• 70 dB – „Lärm“ – zum Beispiel laute Gespräche in 1 m Entfernung, der Lärm einer Schreibmaschine, eine laute Straße oder ein laufender Staubsauger in 3 m Entfernung;
• 80 dB – „Sehr laut“ – das ist wie ein lauter Wecker in 1 m Entfernung, ein Schrei, das Geräusch eines Motorrads mit Schalldämpfer oder das Geräusch eines laufenden LKW-Motors. Das Hören solcher Geräusche über einen längeren Zeitraum kann zu Hörverlust führen;
• 95 dB – „Sehr laut“ – zum Beispiel der Lärm einer U-Bahn in 7 m Entfernung oder ein lautes Klavier, das in 1 m Entfernung spielt;
• 130 dB – „Schmerz“ ist wie eine Sirene, der Lärm fesselnder Kessel, der lauteste Schrei oder ein Motorrad ohne Schalldämpfer;
• 160 dB – „Schock“ ist der Pegel, bei dem das Trommelfell wahrscheinlich reißt, wie z. B. ein Schuss aus einer Schrotflinte nahe am Ohr, ein Autoradio-Wettbewerb oder die Stoßwelle eines Überschallflugzeugs oder eine Explosion mit 0,002 Megapascal.

Tonaufnahme. Lautstärke und Verstärkung

Wenn wir Schall aufnehmen, müssen wir periodische Schallschwingungen in der Luft in elektrische umwandeln. Seit der Erfindung des Phonautographen im Jahr 1857 haben Wissenschaftler und Ingenieure mit verschiedenen Methoden zur Tonaufzeichnung experimentiert.

Es stellt sich heraus, dass der effektivste und kostengünstigste Weg die Verwendung elektrischer Geräte wie Mikrofone, magnetischer und piezoelektrischer Tonabnehmer (für Streichinstrumente und manchmal Schlaginstrumente wie Klaviere) ist.

Diese elektroakustischen Geräte fangen Schwankungen des Luftschalldrucks auf (magnetische Tonabnehmer zeichnen Saitenschwingungen auf, piezoelektrische Sensoren zeichnen Körperschwingungen auf) und wandeln sie in ein analoges elektrisches Signal um.

Im Moment dieser Transformation „verschwindet“ der Klang für uns. Danach beschäftigen wir uns bei unserer Arbeit nur noch mit „stillen“ elektrischen Schwingungen.

Es sind diese Vibrationen, die in Musikgeräten übertragen werden – Verstärkern, analogen Effektgeräten, Tonbandgeräten usw. Damit diese Vibrationen, ob verstärkt, verarbeitet oder einfach auf Magnetband aufgezeichnet, wieder in Ton umgewandelt werden können, müssen sie zurückgewandelt werden mit einem speziellen Gerät Luftschwingungen in Schall umwandeln. Dieses Gerät wird Lautsprecher genannt.

Die Haupteigenschaft eines analogen Signals besteht darin, dass es zeitlich kontinuierlich ist und jede Millisekunde – oder zumindest ein Millionstel einer Sekunde – einen bestimmten Parameter aufweist. Nehmen wir an, im Fall einer analogen elektronischen Klangdarstellung könnte dies die Amplitude sein (die größte Abweichung der Werte vom Durchschnitt).

Das vom Mikrofon empfangene analoge Signal zeigt uns eine Historie häufiger Änderungen des Schalldrucks über einen bestimmten Zeitraum. Wir singen beispielsweise ein Lied, bei dem wir in den Strophen und Refrains 2 Minuten Gesang eingeplant haben, und erhalten bei der Aufnahme sozusagen eine Chronik der Veränderungen des Schalldrucks auf der Mikrofonmembran.

Elektrische Analogsignale, die durch Umwandlung von Schallschwingungen gewonnen werden, lassen sich am einfachsten in Form von sinusähnlichen Diagrammen darstellen. Musikalischer und nichtmusikalischer Klang sind tatsächlich eine komplexe Summe von Sinuskurven.

Es kann aber auch einfach sein: Wenn uns der analoge Tongenerator eine einzelne Sinuswelle mit einer Frequenz von beispielsweise 440 Hertz (Anmerkung „A“) liefert, hören wir aus dem Lautsprecher ein deutliches, aber langweiliges „Piepen“.

Und schließlich kommen wir zum Gewinn. Das Wort Gewinn bedeutet Gewinn. Den Pegel stellen wir mit Reglern an Verstärkern und Soundkarten ein. Der Unterschied zu den Reglern „Lautstärke“ oder „Schalldruckpegel“ (Level) besteht darin, dass wir das Signal über die Grenze hinaus verstärken können, ab der die Verzerrung beginnt.

Werfen wir nun einen genaueren Blick darauf: Unsere Sinuskurve (denken Sie daran, dass sie für uns ein analoges Signal in einem Elektrogerät symbolisiert und visualisiert) besteht aus symmetrischen runden „Hügeln“ und „Tälern“, die sich periodisch wiederholen.

Wir können die Höhe der „Hügel“ und die Tiefe der „Täler“ (also die Amplitude) erhöhen oder, mit anderen Worten, „das Signal verstärken“, „Verstärkung hinzufügen“, nicht unbegrenzt.

Wir werden hier nicht auf das Schaltungsdesign der Geräte eingehen, gehen wir einfach davon aus, dass jedes von ihnen eine physikalische Grenze hat, bis zu der das Gerät die Amplitude des Signals proportional erhöhen kann – ohne es zu „brechen“.

Wenn die Verstärkung einen kritischen Punkt erreicht und die zulässigen Werte überschreitet, beginnt der physikalische Schaltkreis des Geräts, die „Berge“ von oben abzuschneiden und die „Täler“ von unten zu beschneiden.

Im Fachjargon nennt man das „analoges Clipping“. In diesem Fall können zusätzlich zum nützlichen Tonsignal auch Pfeifgeräusche, Rasseln und Knistern aus den Lautsprechern zu hören sein. In der Tontechnik wird dies auch „nichtlineare Verzerrung“ genannt.

Jetzt können wir verstehen, dass der Lautstärkepegel in der Musiktechnik eine Änderung der Amplitude des Signals VOR der Grenze ist, ab der es zu verzerren beginnt. Und „Gewinn“ kann diese Grenzen leicht überschreiten.

Das Paradoxe besteht darin, dass bei einer deutlichen Erhöhung der Verstärkung über den zulässigen Wert hinaus der von den Lautsprechern (an die das verarbeitete Signal ausgegeben wird) erzeugte Schalldruck nicht immer ansteigt. Das oben Gesagte gilt für die digitale Audioverarbeitung.

Nehmen wir an, in einer DAW, die das verarbeitete Signal an die Soundkarte sendet, kommt es zu keiner wirklichen Erhöhung der Lautstärke, wenn die Verstärkung an der virtuellen Konsole übersteuert und in den Bereich verrückter Werte hochgedreht wird. In den Lautsprechern von Audiomonitoren hören wir lediglich die Hinzufügung von immer mehr Verzerrungen. Das liegt an der besonderen Darstellung von Ton im „Digitalen“, zu der wir im Folgenden noch ein paar Worte sagen.

Kehren wir zunächst zu den „negativen Dezibel“ zurück. Denken Sie daran, dass es sich bei dB um relative Einheiten handelt, die nur dann einen Sinn ergeben, wenn sie sich auf einen Referenzpunkt beziehen.

Bei Tonaufnahmen wird als solcher Punkt der Signalpegel angesehen, ab dem die Verzerrung beginnt. Sie wird mit „Null“ bezeichnet. Alles im Bereich „auf Null“ ist ein Signal ohne Übersteuerung, dessen Pegel in dB mit einem „Minus“ angegeben wird. Alles darüber ist ein verzerrtes Signal mit einer Amplitudenbegrenzung („Höhepunkte und Täler“). Und sie bezeichnen es in dB mit einem „Plus“.

Sowohl bei analogen als auch bei digitalen Geräten ist es üblich, den Lautstärkepegel in „negativen“ Dezibel anzuzeigen. Es ist praktisch und visuell.

Was passiert mit der Lautstärke im digitalen Bereich?

Bei unseren Soundkarten wird das analoge Signal zunächst durch einen Vorverstärker leicht verstärkt und dann durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) geleitet. Vereinfacht gesagt macht ein ADC Folgendes:

1. 1. Es schneidet ein Frequenzband ab und entfernt unnötige Dinge, zum Beispiel Töne unter 20 Hertz, die ein Mensch immer noch nicht hören kann;
   2. Der ADC zerlegt ein kontinuierliches Signal in eine bestimmte Anzahl einzelner Werte (Abtastung und Quantisierung), das heißt, er verwandelt unsere glatte Sinuswelle tatsächlich in eine Folge von „Spalten“.

Die Abtastfrequenz bestimmt die Anzahl solcher „Spalten“. Die Quantisierungsbittiefe oder „Bittiefe“ bestimmt die Genauigkeit jeder „Spalten“-Darstellung.

Je höher die Abtastrate (mehr Balken), desto näher kommt das digitale Signal der ursprünglichen glatten Sinuswelle.

Die Bittiefe beeinflusst die Genauigkeit der Signalmessung zu einem bestimmten Zeitpunkt. Je mehr Bits, desto kleiner ist der Fehler. 16 Bit für Audio sind nicht schlecht, 24 Bit sind sogar noch besser.

• Der ADC kodiert oder „digitalisiert“ jede „Spalte“ und stellt sie als spezifische Zahl mit einer Seriennummer dar.

In unseren digitalen Audiostationen wird der physische Klang, der zuerst in ein analoges Signal und dann mithilfe eines ADC in ein digitales Signal umgewandelt wird, zu einer Reihe mathematischer Abstraktionen. Es ist wichtig zu verstehen, dass Klang nur Mathematik ist. Es gibt keinen wirklichen „Ton“ in den Kabeln oder der Software.

Der Lautstärkepegel „Null“ in einer digitalen Audiostation, ab dem Verzerrungen beginnen, ist ebenfalls bedingt. Bei einer 24-Bit-ADC-Tiefe besteht die „digitale Null“ lediglich aus 24 binären „Zellen“, von denen jede den Wert „1“ enthält.

Da die 25. und alle weiteren Zellen fehlen, kann die Lautstärke eines Signals über „Null“ einfach nicht ansteigen. Stattdessen kommen immer mehr Verzerrungen hinzu.

Bei der Arbeit mit Lautstärkepegeln in digitalen Audiostationen ist es wichtig, Verzerrungen zu vermeiden. Denn das von den Masterbussen unserer Audiostation gesammelte digitale Signal wird an einen Digital-Analog-Wandler (DAC) gesendet, der es an Audiomonitore oder Kopfhörer ausgibt. Hier hören wir Verzerrungen (Clipping), die auf eine Beschädigung der Audiospur hinweisen. Manchmal kann eine Verzerrung angenehm sein, etwa beim Hinzufügen einer leichten Bandverzerrung, die Toningenieure gezielt nutzen können.

Wie Sie mit Lautstärkepegeln in Ihrer DAW umgehen

Weltlabels sowohl im Westen als auch im Osten, die über Toningenieure verfügen oder Verträge mit ihnen abschließen, verlangen in der Regel Mixe und Stems von Musikern ohne Mastering mit einer Spitzenlautstärke von nicht mehr als -6 dB. Sie benötigen dies, um einen „Volumenspielraum“ für die weitere Verarbeitung zu haben.

Es ist wichtig zu verstehen, dass es sich um Spitzenwerte handelt und nicht um den durchschnittlichen Schalldruckpegel eines Soundtracks, der in RMS oder LUFs (formelle durchschnittliche Lautstärke kombiniert mit wahrgenommener Lautstärke) gemessen wird.

Logik und Erfahrung erfordern, dass wir bei der Aufnahme von Stimmen, Live-Instrumenten und Synthesizern über eine Soundkarte den Verstärkungspegel am Eingang steuern und den -dB-Pegel in der DAW sehen können.

Achten Sie darauf, dass die Spitzen des aufgezeichneten Signals am Eingang niemals -6, -5 dB überschreiten, und lassen Sie nicht zu, dass „Einkommen“ 0 dB erreicht.

Durch die Verwendung virtueller Synthesizer und gesampelter Instrumente in Ihrer DAW können Sie sich ein wenig freier fühlen. Es ist jedoch notwendig, dass an den Ausgängen virtueller Instrumente und Verarbeitungs-Plug-Ins immer ein „Headroom“ in der Lautstärke vorhanden ist.

Wenn Sie ein Arrangement in einem Projekt starten, empfiehlt es sich, die Fader der DAW-Konsole für alle Spuren sofort auf -10, vorzugsweise -12 dB zu stellen. Dadurch entsteht eine Volumenreserve.

Es ist wichtig zu bedenken, dass der Soundtrack normalerweise Drama enthält. Es entwickeln sich musikalische Ereignisse, die zu Höhepunkten führen. Und wenn viele Instrumente gleichzeitig in den Forte-Modus eintreten, übersteigt der Gesamtsignalpegel auf dem Master-Bus zwangsläufig den Signalpegel einer bestimmten Spur. Daher sollte das Label für die Endbearbeitung (Mastering) eine Datei vorsehen, in der die Spitzen -6 dB nicht überschreiten.

Es ist besser, eine Überschreitung dieses Pegels auf dem Master-Bus beim Arrangieren und Vormischen zu vermeiden, als später Zeit damit zu verschwenden, den Pegel jeder einzelnen Spur zu senken. Sie sollten sich auch der Möglichkeit einer Lautstärkeautomatisierung bewusst sein, die zu zusätzlichen Problemen führen kann. Es empfiehlt sich, in der Vormischung das gleiche Bild zu erhalten, das ursprünglich beabsichtigt war.

Befürchtungen, dass ein Mix „leise“ klingt, sind oft unbegründet. Der Ton in einer DAW ist nie wirklich „leise“ – es ist nur eine mathematische Abstraktion. Ein Label-Ingenieur, der Stems oder Dry-Mix mit -8 oder sogar -10 dB Spitzenwerten erhält, wird nicht enttäuscht sein. Er wird alle notwendigen Anpassungen selbst vornehmen.

Beim Arbeiten mit Lautstärkepegeln in Ihrer DAW sind einige Regeln zu beachten, die Ihnen helfen, die meisten Probleme zu vermeiden.