Ein Aussteuerungsmesser (auch: Pegelmesser) ist ein Messgerät zur Kontrolle der Aussteuerung von Audiosignalen. Aussteuerungsmesser werden für die korrekte Aussteuerung bzw. Einstellung des Pegels von Audiosignalen bei Tonaufnahmen, Rundfunk-Übertragungen oder Live-Konzerten benötigt, kommen also in der Rundfunktechnik, der Tonstudiotechnik und der Veranstaltungstechnik zum Einsatz. Sie gehörten früher auch zur Standardausstattung von analogen HiFi-Kassettendecks und Tonbandgeräten, die mittlerweile durch die Digitaltechnik vom Markt verdrängt wurden.
mini|Ein Tontechniker kontrolliert an einem DAW-Controller eine Tonaufnahme über Aussteuerungsmesser im Controller und auf zusätzlichen LCD-Monitoren. mini|Historischer ARD-Lichtzeiger-Aussteuerungsmesser NTP 177–300 E mini|HiFi-Kassettendeck von Technics aus den 1970er Jahren mit zwei vu-Metern als Aussteuerungsmesser mini|vu-Meter an einem Tonbandgerät Revox B77 MKII
Die Anzeige des Messwertes erfolgt durch mechanische Zeiger, Lichtzeiger, Leuchtdioden oder Flüssigkristallanzeigen. Die physikalischen Eigenschaften dieser Anzeigen beeinflussen die Anzeigecharakteristik des Aussteuerungsmessers. Leuchtdioden und Flüssigkeitskristalle reagieren trägheitslos, mechanische Zeiger und Lichtzeiger dagegen haben eine mechanische Trägheit und neigen zu einer bauarttypischen Mittelwert-Bildung. Die Messwerte verschiedener Aussteuerungsmesser lassen sich daher nicht direkt miteinander vergleichen, je nach Signalart erhält man für die Aussteuerung unterschiedlich hohe dB-Anzeigen.
Die meisten Aussteuerungsmesser, beispielsweise in HiFi-Geräten und Software-Produkten, haben ein undokumentiertes Anzeigeverhalten. Dessen genaue Eigenschaften kennt oft nur der Hersteller, wenn es überhaupt getestet wurde. Daneben gibt es genormte Aussteuerungsmesser beziehungsweise elektrische Pegelmesser mit genau festgelegtem Anzeigeverhalten, die in der Tonstudio-, Rundfunk-, Fernsehtechnik und Messtechnik eingesetzt werden. Zu diesen zählen das QPPM (Quasi Peak Programme Meter, Quasi-Spitzenpegelmesser), das SPPM (Sample Peak Programme Meter), das True Peak Meter (beides Spitzenpegelmesser), das vu-Meter und der Lautstärkemesser (ITU Rec. BS.1770 und BS.1771).
Technische Eigenschaften Ballistische Eigenschaften Zu den ballistischen Eigenschaften eines analogen Aussteuerungsmessers zählen:
Trägheit (Integrationszeit), differenziert nach Einschwingzeit Überschwingen Rücklaufzeit Umpolabweichung (das gleiche Signal muss, phasengedreht, den gleichen Anzeigewert ergeben)
Das Anzeigeverhalten eines analogen Aussteuerungsmessers wird nicht allein durch die physikalische Bauart seines Anzeigeinstruments bestimmt. Der Aussteuerungsanzeige ist ein Gleichrichter vorgeschaltet, der in der Praxis nicht ganz linear arbeitet. Ebenso sind Drehspulmesswerke in der Praxis nicht ideal linear.
Aussteuerungsmesser mit an sich trägheitslosen digitalen Anzeigen wie Leuchtdioden-, Flüssigkristall- oder Fluoreszenzanzeigen simulieren in ihrem Messwerk solche ballistischen Eigenschaften. Dies hat sich in der Praxis als sinnvoll erwiesen, weil das Auge erheblich träger ist als das Gehör. Die Anzeige wirkt deutlich ruhiger und ist dadurch besser ablesbar. Auch die rein in Software realisierten digitalen Aussteuerungsmesser erhalten eine künstliche Trägheit. Die physikalischen Gesetze, die für analoge Anzeigen gelten, können als mathematisches Modell in die Software eingearbeitet werden.
Spitzenpegelmesser Spitzenpegelmesser messen die (maximalen) Amplitudenwerte von elektrischen Signalen. Das können sowohl positive als auch negative Amplituden sein. Vor der Messung eines Tonsignals wird dieses „gleichgerichtet“, d. h., es werden normalerweise die negativen Amplitudenwerte umgepolt.
Ein analoger Spitzenpegelmesser (True Peak Meter) misst den Spitzenwert einer elektrischen Wechselspannung (USS), also entweder die positive oder die negative Spitzenamplitude. Analoge Spitzenpegelmesser für die Audiotechnik sollten für eine ausreichende Genauigkeit eine Ansprechzeit (Integrationszeit) von ≤ 1 Millisekunde besitzen.
Ein digitaler Spitzenpegelmesser zeigt im einfachsten Fall den größten (einzelnen) Samplewert eines elektrischen Signales an (SPPM). Dabei werden wahre Amplituden nur statistisch repräsentiert, denn zwischen den Abtastwerten können sich höhere Werte verbergen, die erst nach einer Abtastratenwandlung bzw. D/A-Wandlung sichtbar werden. Um die wahren Amplitudenwerte exakt sichtbar zu machen, müsste die Anzahl der Abtastwerte entsprechend einem Analogsignal unendlich groß sein. In der Praxis ist eine Überabtastung (Oversampling) um den Faktor 4 bis 8 ausreichend um den Anzeigefehler klein zu halten und das Instrument als True Peak Meter einstufen zu können.
Spitzenpegelmesser nehmen im Übertragungsbereich keinerlei Frequenzbewertung vor.
Gleichrichtwert-Pegelmesser Das genormte Zeigerinstrument vu-Meter (DIN IEC 60268-17) ist ein Drehspul-Messwerk. Es zeigt den Gleichrichtwert an. Die aufgebrachte Skalierung ist in der Einheit VU oder Dezibel, der Drehwinkel der Nadel ist aber linear zur angezeigten Stromstärke. Daher ist die Skala nicht gleichabständig. Ein VU-Meter mittelt die Messwerte über den bauartbedingten Messzeitraum von 300 ms. Es zeigt daher für dynamische Signale und besonders für kurze Signalspitzen niedrigere Werte an als für kontinuierliche Signale (Sinus).
Hebt man bei einem Gleichrichtwert-Pegelmesser den Bezugspunkt („0 dB“) entsprechend dem Gleichrichtwert eines Sinussignals um 4 dB an, so muss im Falle eines üblichen Messtons (kontinuierliches Sinussignal) der Pegelwert zahlenmäßig nicht von dem der Spitzenspannung unterschieden werden. Dieser Sachverhalt wird in gängiger Literatur als Vorlauf (Lead) bezeichnet.
Effektivwert-Pegelmesser (englisch 'root mean square', RMS) Ein Effektivwert-Pegelmesser mittelt Effektivspannungswerte über einen bauartbedingten Messzeitraum. Wie die englische Bezeichnung 'RMS' erkennen lässt, werden dazu momentane Spannungswerte quadriert, wobei negative Anteile umgepolt werden.
Bei einem normgerechten Effektivwert-Pegelmesser wird der Bezugspunkt („0 dB“) entsprechend dem Effektivwert eines stationären Sinussignals ( · USS; entspr. ≈ 0,707 · USS) skaliert. Um beim Sinussignal die gleiche Anzeige wie auf einem Spitzenspannungsmesser zu erhalten, muss der Effektivmesswert (RMS) um 3 dB angehoben werden. Ein üblicher Messton liefert daher gleiche dB-Anzeigen auf beiden Instrumenten.
Musik, Sprache oder Messsignale wie Rechteck oder Sägezahn ergeben dagegen Messwerte, die von der Anzeige eines Spitzenpegelmessers abweichen. Für einmalige, sehr kurz dauernde Signale ergeben sich durch die RMS-Bewertung deutlich niedrigere Anzeigewerte. Ein kontinuierliches Rechtecksignal wird mit einem Effektivwertmesser aus dem vorher genannten Grund um 3 dB „lauter“ angezeigt als mit einem Spitzenpegelmesser. Diese Anzeigeeigenschaft führt zu der auf den ersten Blick kuriosen Anzeige von '+3' dBFS für ein Vollpegel-Rechtecksignal.
Der Effektivwert-Pegelmesser nimmt im Übertragungsbereich keine Frequenzbewertung vor. Lautstärkemesser (Loudness Meter) Messgeräte zur Anzeige der Lautstärke arbeiten vom Prinzip her wie Effektivwert-Pegelmesser, im Übertragungsbereich wird jedoch eine Frequenzbewertung vorgenommen, beispielsweise die Bewertung nach der A-Kurve.
Bauarten mini|Lichtzeigerinstrument Siemens & Halske/WSW mini|Fluoreszenzanzeige an einem High-End-Kassettendeck aus den späten 1980er Jahren mit seltener dbx-Rauschunterdrückung. mini|Ein älterer englischer Pegelmesser, mit für britische Geräte typischer Skalenteilung. Zeigerinstrumente in der Audiomesstechnik sind typischerweise (dynamische) Drehspulmesswerke. Der Lichtzeiger wurde früher in analogen Aussteuerungsmessern wegen seiner geringen Trägheit verwendet, er arbeitet ebenso mit einem Drehspul-Messwerk. Weiterhin gibt es Plasma-, Fluoreszenz-, LED- und LCD-Anzeigen. Historisch wurde auch das Magische Auge verwendet.
Analoge Umgebung Geschichtliche Wurzeln Mit Beginn der rundfunktechnischen Entwicklung fiel die Wahl für ein Anzeigeinstrument für elektrische Pegel auf die hinreichend schnellen und präzisen Spiegelgalvanometer, worin auch das charakteristische dynamische Verhalten begründet ist. Deren Skala war zunächst einzig in „Prozent Senderaussteuerung“ geeicht; später kamen das heute ungebräuchliche Neper sowie, über Bell USA, die Eichung in Dezibel hinzu. Die – als deutsche Spezialität einzigartige – Prozentskala trat in den letzten Jahrzehnten immer mehr in den Hintergrund, um bei aktuellen Geräten vollständig vom international gebräuchlichen dB abgelöst worden zu sein. Ausnahme ist die Unterhaltungselektronik, insbesondere die vu-Meter.
Aussteuerungsmesser nach DIN In durchgehend analogen Signalwegen kommen überwiegend Aussteuerungsmesser nach DIN 45406 (ARD-Aussteuerungsmesser) zum Einsatz. Sie besitzen eine in dB und Prozent kalibrierte Skala zwischen −50 dB (0,3 %) und +5 dB (180 %). Ihre Integrationszeit (Ansprechzeit) beträgt 10 ms, d. h. ein einzelner Impuls von 0 dB und 10 ms Dauer ruft eine Anzeige von −1 dB (90 %) hervor, eine Spitze von 0 dB und 3 ms Dauer eine Anzeige von −4 dB. Auf die Anzeige noch kürzerer Pegelspitzen wird verzichtet, da derart kurze Übersteuerungen (in analoger Umgebung) vom menschlichen Gehör nicht mehr wahrgenommen werden. Die Rücklaufzeit muss für sicheres Ablesen hinreichend groß sein; die Norm sieht einen Wert von 1,5 s für einen Abfall von 0 auf −20 dB vor.
Der 0 dB-Punkt der Skala (100 %) ist auf einen absoluten Pegel von +6 dBu (entspr. 1,55 Veff bei sinusförmigem Pegelton) geeicht (ARD-Rundfunknormpegel).
Die Geräte besitzen eine Taste zur Erhöhung der Empfindlichkeit um 20 dB, damit z. B. in Modulationspausen Fremdspannungen genauer abgelesen werden können. Außerdem ist bei −9 dB (35 %) eine Kalibriermarke für die messtechnische Überprüfung von Tonfrequenzleitungen angebracht.Michael Dickreiter: Handbuch der Tonstudiotechnik. Saur-Verlag, München.
Digitale Umgebung
Der wesentliche Gegensatz in der Audiotechnik lautet nicht „Analog oder Digital“. Da digitale Aufzeichnungsgeräte in direkter Konkurrenz zu den analogen Verfahren entstanden sind und mit ihnen auch die Digital-Mischpulte und -Effektgeräte aufkamen, sieht dies lediglich auf den ersten Blick so aus.
Der technische Unterschied ergibt sich vielmehr durch die – aus rein technischer Sicht – mangelhafte Linearität analoger Aufzeichnungsverfahren und der Röhrentechnik. Ihnen ist gemeinsam, dass sie im Bereich der Vollaussteuerung den optimalen Kompromiss zwischen (hohem) Rauschabstand und (niedrigem) Klirrfaktor erreichen. Oberhalb davon sorgen Sättigungseffekte der analogen Bandtechnik und der Röhrentechnik für den „angenehmen Klang“. Physikalisch betrachtet ist dies eine nichtlineare Signalveränderung ähnlich einem Kompressor, vermischt mit angenehm klingender Verzerrung durch Ganzzahlige Vielfache des Grundtons (= ungeradzahlige Obertöne). Dieser Effekt nennt sich beim Tonband „Bandsättigung“ und beim Gitarrenverstärker „Overdrive“.
Im Gegensatz dazu steht die digitale Tonsignalverarbeitung, und zwar zusammen mit der analogen Transistortechnik. Ihnen ist gemeinsam, dass die Übersteuerungsgrenze eines Audioeingangs oder -Kanals eine feste Größe ist. Bei digitalen Signalen liegt sie systembedingt bei 0 dBFS, bezogen auf einzelne Samples. Bei analogen Transistorschaltungen liegt sie bei der Obergrenze der Versorgungsspannung, genauer gesagt aus technischen Gründen in der Praxis geringfügig darunter. Bei Übersteuerung eines digitalen Gerätes tritt nahezu schlagartig ein erheblicher Anstieg der nichtlinearen Verzerrungen auf (Clipping). Dies gilt aber genauso für die Transistorschaltung.