Hertz (Hz)

Hertz (Hz) ist die SI-Einheit der Frequenz – ein Zyklus pro Sekunde. Benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz, der 1887 die Existenz elektromagnetischer Wellen nachwies.

Gängige Vielfache und wo Sie ihnen begegnen:

• Hz — seismische Wellen und Infraschall (unter 20 Hz, unterhalb des menschlichen Hörens)
• kHz (10³ Hz) — Audiobereich (20 Hz bis 20 kHz); Mittelwellenradio
• MHz (10⁶ Hz) — UKW-Radio (88–108 MHz); CPU-Takte vor 2000
• GHz (10⁹ Hz) — WLAN, moderne CPUs, Mikrowellenöfen (2,45 GHz)
• THz (10¹² Hz) — Infrarot, Terahertz-Bildgebung
• PHz (10¹⁵ Hz) — sichtbares Licht

Bildwiederholraten von Displays werden in Hz angegeben: Standard-LCD 60 Hz, Gaming-Displays 120/144/240 Hz. Höhere Bildwiederholraten verringern Bewegungsunschärfe und Eingabeverzögerung. Die Schwelle, ab der Menschen keine Verbesserung mehr wahrnehmen, variiert, liegt aber für die meisten Betrachter typischerweise zwischen 90 und 120 Hz.

Durchgerechnetes Beispiel

Ein Ton, der als A über dem mittleren C gespielt wird, hat 440 Hz – die Stimmreferenz des Orchesters. Die nächste Oktave nach oben verdoppelt die Frequenz: A5 = 880 Hz. Die Oktave darunter halbiert sie: A3 = 220 Hz. Zwischen A4 und A5 liegen 12 gleichabständige Halbtöne; jeder Schritt multipliziert die Frequenz mit 2^(1/12) ≈ 1,0595. Also ist H4 (ein Halbton über A) 440 × 1,0595 ≈ 466,16 Hz; C5 (zwei Halbtöne höher): 440 × 1,0595² ≈ 493,88 Hz. Vergleichen Sie das mit einem WLAN-Router bei 5 GHz = 5.000.000.000 Hz, einer zehnmillionenmal höheren Frequenz. Vergleichen Sie es mit sichtbarem grünem Licht bei ~5,4 × 10¹⁴ Hz, weitere hunderttausendmal höher. Der Dynamikbereich der „in Hz gemessenen Dinge“ umspannt mehr als 15 Größenordnungen – von Sub-Hz-Seismikwellen bis zu PHz-sichtbarem Licht –, weshalb Präfixe (Kilo-, Mega-, Giga-, Tera-, Peta-) stark genutzt werden.

Periode und Frequenz sind Kehrwerte: Ein 60-Hz-Signal hat eine Periode von 1/60 = 16,67 ms; ein 1-GHz-Signal hat eine Periode von 1 Nanosekunde; eine 5-PHz-Lichtwelle hat eine Periode von 0,2 Femtosekunden. Ingenieure wechseln je nach Kontext zwischen „Frequenz“ (Hz) und „Periode“ (Sekunden) – Audiodesigner denken in Hz, Oszilloskop-Anwender denken in Periode, CPU-Architekten nutzen beides austauschbar.

Wann und warum es zählt

Hz zählt immer dann, wenn ein Signal eine periodische Struktur hat: Audiofrequenzen in Musik und Aufnahme, Funkzuweisungen in Radio- und WLAN-Standards, Bildwiederholraten in Displays, Abtastraten in der Digitalaudiotechnik und Taktraten in der Elektronik. Der zu vermeidende Fehler beim Display-Kauf ist, die Bildwiederhol-Hz als einzigen Faktor zu betrachten – ein 240-Hz-Monitor mit 5 ms Reaktionszeit hat eine schlechtere Bewegungsklarheit als ein 144-Hz-Monitor mit 1 ms Reaktionszeit, weil der Pixelübergang die tatsächliche Unterscheidbarkeit der Bilder begrenzt. Der Fehler bei Audio ist, die Abtastrate (44,1 kHz, 48 kHz, 96 kHz – die Rate, mit der das Signal gemessen wird) mit den vorhandenen Audiofrequenzen zu verwechseln (typischerweise der menschliche Hörbereich von 20 Hz bis 20 kHz). Die Abtastrate muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Audiofrequenz (Nyquist-Theorem), um Aliasing zu vermeiden – 44,1 kHz kann Audio bis ~22 kHz getreu wiedergeben, was die menschlichen Hörgrenzen übersteigt und der Grund ist, warum CD-Qualität der Verbraucherstandard ist. Referenz: BIPM – SI derived units.

Warum Hz 1960 „Zyklen pro Sekunde“ ablöste: Die Einheit wurde von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) zu Ehren von Heinrich Hertz umbenannt, dessen Experimente von 1887 die ersten künstlichen elektromagnetischen Wellen erzeugten und Maxwells Gleichungen bestätigten. Vor der Umbenennung wurden Frequenzen als „cps“ oder „c/s“ geschrieben. Die Änderung war rein begrifflich – der Wert blieb ein Zyklus pro Sekunde –, ordnete die Frequenz aber der SI-Namenskonvention zu, die mit Newton, Watt, Joule und Pascal geteilt wird. Hz ist dimensional als s⁻¹ (Kehrsekunden) im modernen SI definiert.

Das CPU-Takt-Missverständnis: Eine CPU mit 3 GHz führt nicht 3 Milliarden Operationen pro Sekunde aus – sie führt 3 Milliarden Takt-ticks aus. Moderne superskalare Pipelines retten mehrere Befehle pro Takt, wenn es die Bedingungen erlauben, während Cache-Fehlzugriffe, Sprungfehlvorhersagen und Speicherstillstände die effektive IPC (Befehle pro Zyklus) unter 1 drücken. Die plakative GHz-Zahl ist seit den frühen 2000ern eine irreführende Marketing-Kennzahl; heute beschreiben SPEC-CPU-Benchmarks oder lastspezifische Werte die Leistung weit besser. Die CPU-Frequenz variiert zudem dynamisch – Intel Turbo Boost und AMD Precision Boost treiben die Frequenzen für kurze Stöße über den Nenntakt, wenn der thermische Spielraum es zulässt. Verwandt: Dezibel, bps. Referenz: BIPM SI Brochure – Derived units.