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3. Bauformen

Lautsprecher > Kopfhörer

Kopfhörer lassen sich bezüglich der Bauform grob in drei Kategorien aufteilen

  • Supraaural - Ohraufliegend

  • Circumaural - Ohrumschließend

  • Intraaural - Earbuds und In-Ears


Jede dieser Kategorien bietet eigene Vor- und Nachteile.

Circumaurale Kopfhörer

Circumaurale Kopfhörer umschließen die Ohrmuschel komplett. Meist sind diese Kopfhörer etwas größer und werden daher eher selten für den mobilen Einsatz verwendet. Der Vorteil von circumauralen Kopfhörern besteht darin, dass großflächige Chassis verwendet werden können, welche nicht direkt auf dem Ohr aufliegen. Diese großen Chassis können ein sehr homogenes Schallfeld auf das Ohr geben und die HRTF des Ohrs auf sehr natürliche Weise in den Klang integrieren.

Durch entsprechend großflächige Membranen und eine homogene Beschallung des kompletten Ohres kann die ursprüngliche HRTF des Ohres zum Tragen kommen.

Ein verrutschen des Kopfhörer führt nicht zwangsläufig zu einer Veränderung des Klangs.

High End Kopfhörer für den sationären Betrieb oder Tonstudioaufnahmen sind meistens circumaural.



Abbildung 2: Ohrumschließende geschlossene Kopfhörer der Firma McIntosh


Supraaurale Kopfhörer

Suprauaurale Kopfhörerliegen auf dem Ohr auf. In vielen Fällen sind suprauarale Kopfhörer geschlossen und haben einen hohen Anpressdruck. Der Vorteil ist eine kompakte Bauart und gute Aussengeräuschdämpfung. Supraaurale Kopfhörer werden verstärkt für den mobilen Betrieb verwendet, einige Modelle sind jedoch auch für die Heimanwendung konzipiert.

Intraaurale Kopfhörer

Vor einigen Jahren waren EarBuds oder auch Ohrstecker der Standard unter mobilen Kopfhörern.

EarBuds sitzen meist sehr lose und haben haben keine definierte Position im Gehörgang. Drückt man den EarBud tiefer in den Gehörgang ähneln die Arbeitsbedingungen verstärkt dem Druckkammereffekt und der Bass wird stärker. Rüttelt er sich lose, ist der Bass beinahe völlig verschwunden. Um unter allen Umständen einigermaßen Musik hören zu können, wurden die Hörer meist sehr laut eingestellt. Das war nicht nur schlecht für die Trommelfelle und die Batterie in mobilen MP3-Playern, auch fühlten sich in öffentlichen Verkehrsmitteln schnell andere Teilnehmer gestört.

In der Bühnentechnik waren jedoch die ersten Anzeichen der kommenden Veränderung zu erkennen: Viele Musiker verwendeten Ohrstecker mit weichen Schaumstoff oder Silikonadaptern welche in den Gehörgang geschoben wurden. Dieses sogenannte In-Ear-Monitoring diente gleichzeitig als Gehörschutz, ermöglichte es jedoch auch Rückmeldungen an die Sänger und Musiker zu geben, wie laut ihr jeweiliges Instrument bzw. die eigene Stimme in der Gesamtmusik war.




Abbildung 3: InEar Kopfhörer von Sennheiser

Im Laufe der Zeit entdeckten viele Privatanwender die Vorzüge der kompakten Ohrhörer mit hervorragender Geräuschdämpfung für den Alltag. Der definierte Sitz sorgt für eine bisher unbekannte Bassqualität bei intraauralen Kleinstkopfhörern. Auch war endlich es möglich, mit unauffälligen Kopfhörern in lauten Umgebungen wie überfüllten Zügen leise Musik zu hören ohne jemanden zu stören oder gestört zu werden.

Ein Durchbruch in der Verbreitung von InEars war der EP630 von Creative - er überzeugte durch geringen Preis, Tragekonfort und Klang. Inzwischen bieten fast alle Kopfhörerhersteller InEars an, die klassischen EarBuds werden mehr und mehr zu einem Randphänomen.

Offene vs geschlossene Kopfhörer

Offene
Kopfhörer sind nach außen nicht isoliert. Meist gibt es, wie exemplarisch in Abbildung 3 gezeigt, nur ein dünnes Gitter als Berührschutz für die Chassis, dementsprechend ist eine Außengeräuschabschirmung von Schall quasi nicht vorhanden. Offene Kopfhörer sind schallduchlässig und der Einsatz ist nur in leisen Umgebungen sinnvoll - übliche Einsatzgebite sind Home-Hifi und Monitoring.

Die fehlende Aussengeräuschdämpfung funktioniert in zwei Richtungen nicht - die Musik aus dem Kopfhörer kann für andere Personen im Raum als störend empfunden werden, gleichzeitig können Geräusche wie z.B. Straßenverkehr das Musikvergnügen im Keim ersticken.




Abbildung 4: Offene Kopfhörer von Sennheiser

Bei mobilen Kopfhörern ist eine Aussengeräuschdämpfung sinnvoll, entsprechende Kopfhörer heißen geschlossen. Die gute Aussengeräuschdämpfung erkauft man sich im Hochsommer mit warmen Ohren.

Bei geschlossenen Kopfhörern spielen die Chassis in einem kleinen Volumen welches für einen breiten Frequenzbereich kleiner ist als die Wellenlänge, der Treiber arbeitet unter Druckkammerbedingungen: Es wird kein klassisches Wellenfeld aufgebaut, die Schallerzeugung erinnert stattdessen an das Innere einer Fahrradpumpe. Der Druckkammereffekt ermöglicht in der Theorie die Reproduktion beliebig tiefer Bässe. Wer Tiefbässe mit dem ganzen Körper spüren möchte, ist mit einem Kopfhörer jedoch immer schlecht beraten.

Die Funktionsweise von offenen Kopfhörern weicht ein wenig von dem Prinzip der geschlossenen Kopfhörer ab - Bei der Verwendung von großflächigen Treibern gibt es jedoch Parallelen. Ein Teil des Schalls aus der "Fahrradpumpe" kann jedoch seitlich entweichen. Bei tiefen Frequenzen mit hohen Wellenlängen kommt es zu einem akustischen Kurzschluss zwischen dem vorderseitig und dem rückseitig abgestrahlten Schall der Membran. Wenn bei offenen Kopfhörern der Abstand zwischen Kopf und Ohr verändert wird, ist dieser Kurzschluss sofort bemerkbar: Der tieffrequente Schall wird durch den Kurzschluss deutlich leiser. Der hochfrequente Schall wird dagegen kaum beeinflusst.

Der Kopfhörer muss so designt werden, dass er bei normaler Tragepositon einen (diffusfeldentzerrt-)linearen Frequenzgang an der Stelle der Trommelfelle erzielt. Am einfachsten kann das durch große Membranen erzeugt werden, welche ein homogenes Wellenfeld aufbauen können als kleine Membranen, hier entweicht die Luft seitlich.

Die Arbeitsbedingungen innerhalb des Kopfhörers können mit dem Terminus Nahfeld beschrieben werden, allerdings ist hiermit der ursprüngliche Begriff aus der theoretischen Akustik und nicht der Direktfeldbegriff aus der Thematik von Nah/Fernfeldmonitoren gemeint. In dem jetzigen Kontext bezieht sich das Wort auf die ursprüngliche Bedeutung. Diese besagt, dass Schallschnelle (quasi die Luftbewegung) und der Druck nicht direkt voneinander abhängen, weil die Schnelle über einen zusätzlichen Blindanteil verfügt.  

In offenen Kopfhörern kann der Schall deutlich schneller entweichen als in geschlossenen Modellen. Nachschwingen oder stehende Wellen können sich so kaum aufbauen. Offene Kopfhörer klingen daher oft besser als geschlossene Modelle - die Aussage sollte man jedoch nicht für jeden Kopfhörer verallgemeinern, einige Hersteller haben in den letzten Jahren hervorragende geschlossene Modelle in den Handel gebracht.

Wandlerprinzipien

Es konnten sich mehrere verschiedene Wanderprinzipien auf dem Markt durchsetzen.


Dynamische Kopfhörer: Dynamische Kopfhörer sind die am weitesten verbreiteten Modelle; bei üblichen Elektrogroßmärkten sind in der Regel nur dynamische Kopfhörer ausgestellt. Dynamische Modelle basieren auf einer stromdurchflossenen Schwingspule in der Nähe eines Permanentmagneten. Die Schwingspule wird von der Randaufhängung geführt, ähnlich wie bei einem Kalottentreiber. Diese Aufhängung dient zusätzlich zu der Membran zur Schallabstrahlung, es ergibt sich ein Zwitter aus einem Kolbenschwinger und einem Biegeschwinger. Je nach Hersteller kommen kommen die verwendeten Lautsprechertreiber herkömmlichen Kalotten sehr nahe. Dynamische Kopfhörer können inzwischen als sehr ausgereift betrachtet werden und werden von einigen Herstellern technisch hervorragend umgesetzt.

Elektrostatische Kopfhörer
: Eine hauchdünne Folie liegt zwischen 2 aufgeladenen Gittern. Je nach Signal bewegt sich diese Folie dank elektrostatischer Anziehungskraft, hier liegt auch der Unterschied zu dynamischen Kopfhörern, welche mit der magnetischen Lorentzkraft angetreiben werden. Die Folie ist sehr leicht, es sind somit theoretisch gute Impulsantworten möglich. Dank einem sehr gleichmäßigen Antrieb über die gesamte Fläche sind quasi keine Partialschwingungen vorhanden, großflächige Membranen zur homogenen Beschallung der Ohrgeometrie sind ohne Probleme machbar.

Ein wesentlicher Nachteil von Elektrostaten ist das zusätzlich benötigte externe Versorgungsteil. Dieses wird benöitigt, um die hohe Versorgungsspannung (ca 100V)
für den Antreib der Folie bereitzustellen. Einige Elektrostaten werden an die Ausgänge eines normalen Hifi Verstärkers geklemmt. Diese Versorgungsteile transformieren die gelieferte Spannung auf den benötigten Wert hoch. Bei den neueren Geräten ist dank separater Verstärker auch ein Anschluss direkt an die CD-Player möglich, die entsprechenden Versorgungsteile benötigen jedoch ein Netzteil und dementsprechend einen separaten Netzanschluss. Batteriebetriebene Geräte für den mobilen Einsatz sind ebenfalls erhältlich.

Magnetostatische Kopfhörer: Nachdem Magnetostaten lange Zeit als Relikte aus der Vergangenheit betrachtet wurden haben, gibt es im Hochpreissegment ein plötzliches Comeback durch die Audeze, Oppo und Hifiman - Auf Anhieb hat sich eine große Fangemeinde aufgebaut. Ähnlich wie Elektrostaten funktionieren auch Magnetostaten mit einer hauchdünnen Folie. Die Antriebskraft basiert jedoch nicht auf Basis der elektrischen Coulombkraft sondern auf Basis von vormagnetisierten Ferriten und der resultierenden Lorentzkraft. Magnetostaten können die meisten Vorteile von elektrostatischen Kopfhöreren auch für sich beanspruchen, benötigen jedoch kein eigenes Versorgungsteil: die Ferrite sind permanent magnetisiert.

Einige der neuen Magnetostaten haben einen ausreichend hohen Wirkungsgrad um auch an mobilen MP3-Playern verwendet zu werden - bei den meisten Modellen empfiehlt sich jedoch eher der Anschluss an einem guten Kopfhörerverstärker oder am Ausgang eines guten Stereoverstärkers.



Abbildung 5: Magnetostat von Oppo


Prinzipiell ist keins der Wandlerprinzipien den anderen überlegen, es kommt jeweils auf die Umsetzung im Einzellfall an.


Messungen von Kopfhörern


Eine Quelle für Kopfhörermessungen und Tests ist die Homepage www.headphone.com:

http://www.headphone.com/learning-center/build-a-graph.php


Die Messungen erfolgten unter vergleichbaren Bedingungen und können für Quervergleiche verwendet werden. Ohne genaue Kenntnisse über die eigene HRTF und die eigenen Hörgewohnheiten sind diese Messungen aber mit Vorsicht zu genießen.

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