Kopfhörer

Kopfhörer sind kleine Schallwandler, die an oder in den Ohren getragen werden. In der Frühzeit des Radios wurde nur über Kopfhörer gehört; allerdings in Mono, d. h., es war auf beiden Hörkapseln das gleiche Signal. Es gibt auch Kopfhörer, die nur eine Hörkapsel haben.

Der Erfinder des Kopfhörers wurde bis heute nicht eindeutig festgestellt. Seit Erfindung der Telefonie als auch des Radios wurden kopfhörer-ähnliche Geräte verwendet. So handelte es sich etwa bei dem Telefon von Alexander Graham Bell bereits um einen Kopfhörer, der allerdings gleichzeitig auch als Mikrofon diente und daher bei der Benutzung abwechselnd zwischen Mund und Ohr hin und her bewegt werden musste. Einige Quellen deuten dagegen auf den US-Amerikaner Nathaniel Baldwin als Erfinder des Kopfhörers^[1]. Baldwin (1878–1961), Gründer und Inhaber der Baldwin Radio Company in Salt Lake City, brachte 1910 seine „Baldy Phones“ genannten Kopfhörer auf den Markt.

Alte Bauform aus der Detektorempfänger-Zeit

Bekannte Hersteller von Kopfhörern sind unter anderem AKG, Audio-Technica, Beyerdynamic, Grado, Koss, Philips, Pioneer, Sennheiser, Shure, Sony, Stax Ltd., Klipsch, Lautsprecher Teufel und Phiaton.

Bauformen

Im-Ohr-Ohrhörer

• Ohrhörer

• Gehörganghörer bzw. In-ear headphones/canalphones (wortwörtlich auch „Im-Ohr-Kopfhörer“)

Die Kopfhörer werden in den Gehörgang eingeführt. Diese Art von Kopfhörern wird beim In-Ear-Monitoring verwendet. Es gibt sie in verschiedenen Materialien wie Schaumstoff oder Silikon.

Im professionellen Bereich wird das In-Ear-Monitoring den Ohren jedoch individuell angepasst, indem der Hörer in eine Otoplastik aus Silikon oder Acryl eingearbeitet wird. Diese Maßanfertigung wird von Hörgeräteakustikern hergestellt. Sie sind sehr bequem und sicher zu tragen, langlebig, leicht zu reinigen und bieten die beste Isolation von Außengeräuschen.

Ohrmuschel-Ohrhörer

• Ohrhörer (ear buds)

Die Kopfhörer werden in die Ohrmuschel (Pinna) eingesetzt. Manche Menschen empfinden das als unangenehm. Dafür sind sie platzsparend und geeignet für unterwegs.

Allerdings ist diese Art von Kopfhörern unter Umständen weitaus schädlicher (in Bezug auf Überlastung der Ohren durch zu hohe Dauerlautstärke) als aufliegende Kopfhörer, gerade weil der Schall direkt in den empfindlichen Gehörgang geleitet wird.

• Muschelkopfhörer

Diese Kopfhörer sind größer und werden über die Ohrmuscheln gelegt. Sie werden in zwei Klassen unterteilt:

Ohraufliegende Kopfhörer (supra-aural)

Die Kopfhörermuschel bedeckt das Ohr, umschließt es jedoch nicht.

Ohrumschließende Kopfhörer (circumaural)

Die Kopfhörermuschel umschließt das Ohr vollständig.

• Eine seltene Sonderform ist der Kopflautsprecher. Es handelt sich dabei um zwei kleine Lautsprecher, die über den Kopf gehängt werden und völlig frei die Ohren beschallen. Dadurch ist eine natürlichere Lokalisation (s. u.) möglich. Bekanntestes Modell ist der AKG K 1000.

Form der äußeren Abdeckung

Geschlossener Muschelkopfhörer

• Geschlossene Muschelkopfhörer

Der Kopfhörer soll möglichst bündig und dicht mit dem Kopf abschließen, wofür meist weicher Kunststoff oder Leder verwendet wird. Dadurch wird ein größerer Bassdruck erreicht. Bei längerem Tragen solcher Kopfhörer verspüren viele Menschen einen Wärmestau und etwas unangenehmen Druck auf den Ohren, da kein Druckausgleich zwischen Kopfhörermuschel und Umgebung stattfindet. Bei ohrumschließenden geschlossenen Kopfhörern ist das Druckgefühl auf den Ohren wesentlich geringer als bei ohraufliegenden.

• Halboffene und offene Muschelkopfhörer

Offener Muschelkopfhörer

Im Gegensatz zum geschlossenen Muschelkopfhörer wird ein weicher Stoff als Dämmung gegen den Kopf verwendet. Um den fehlenden Bassdruck auszugleichen, müssen Membranen und Technik des Kopfhörers aufwändiger konstruiert werden. Die Abdeckung ist perforiert und ermöglicht den Druckausgleich zwischen Kopfhörermuschel und Umgebung.

Schallwandlertechnik

Bei Kopfhörern gibt es wie bei anderen Lautsprechern auch verschiedene Systeme der Schallwandlung.

Elektromagnetisch

Der Strom vom Verstärker durchfließt zwei mit einem Permanentmagneten vormagnetisierte Spulen ähnlich einem Elektromagneten, dessen Magnetpole sich in geringem Abstand hinter einer Stahlblechmembran befinden; früher die einzige Bauform, heute meist nur noch in sehr alten Telefonen zu finden. Die Wiedergabequalität ist nur für das Verstehen von Sprache ausreichend.

Elektrodynamisch

Bewegliche Spule

Das Funktionsprinzip besteht aus zwei Komponenten: Erstens aus einem Festmagneten, welcher am Rahmen des Kopfhörers befestigt ist und ein statisches Magnetfeld erzeugt. Er besteht in den meisten Fällen aus Ferrit oder Neodym. Zweitens aus der Tauchspule, ein unterhalb der Membran befestigter, spiralförmig aufgewickelter dünner Draht. Bei Stromdurchfluss bewegt sich die Tauchspule wie bei einem dynamischen Lautsprecher im ringförmigen Luftspalt des Festmagneten. Dadurch treibt sie die mit ihr verbundene Membran an, wodurch Schall entsteht. Die Membran besteht aus einem leichten Material mit hoher Steifigkeit, z. B. Zellulose, Plastik, Metall oder dergleichen. Diese Bauform ist heute am meisten verbreitet und bietet hohe Wiedergabequalität.

Isodynamisch bzw. orthodynamisch oder Magnetostat

Eine dünne Membran aus einer Kunststofffolie, auf der Leiterbahnen aufgedampft bzw. geklebt sind, bewegt sich zwischen den gelochten Polplatten zweier sich gegenüber liegenden Permanentmagneten, die antreibende Spule ist auf die gesamte Membranfläche verteilt.

Balanced-Armature-Schallwandler

Balanced-Armature-Schallwandler

Das Balanced-Armature-Schallwandler-Design, („BA“, wörtlich: ausgewogener Anker), soll in erster Linie den elektrischen Wirkungsgrad durch den Wegfall der Belastung auf die Membran erhöhen, wie es charakteristisch für viele andere Antriebsarten ist. Das BA-Prinzip besteht aus einem Permanentmagneten und einem genau in dessen Magnetfeld zentrierten, beweglich gelagertem Anker. Im Zentrum des Magnetfelds gibt es keine resultierende Kraft auf den Anker, daher der Begriff „ausgewogen“. Wenn nun Strom durch die Spule des Ankers fließt, magnetisiert der Anker, so dass er leicht in die eine oder andere Richtung bewegt wird. Die Membran ist mit einem Antrieb am Anker befestigt und erzeugt daraufhin Schallwellen.

Das Design ist nicht mechanisch stabil und der Anker würde, vom Permanent-Magneten angezogen, haften bleiben. Daher ist eine recht steife Membran mit hoher Rückstellkraft erforderlich, um den Anker in der „Balance“ zu halten. Obwohl das die Effizienz negativ beeinflusst, kann diese Konstruktion besser als jede andere aus wenig Strom Klang erzeugen. Bereits in den 1920er Jahren wurde dieses Prinzip als „Baldwin Mica Membran Funkkopfhörer“ vorgestellt.^[2]

Heute werden sie normalerweise in Ohrkanalhörern (In-Ear-Ohrhörern) und Hörgeräten auf Grund ihrer geringen Größe und niedrigen Impedanz verwendet. Sie sind in der Regel auf den Hörbereich des Menschen begrenzt (ca. 20 Hz bis 16 kHz) und erfordern eine höhere Abdichtung als andere Arten von Treibern, um ihr volles Potenzial zu liefern. High-End-Modelle können mehrere BA-Treiber verwenden, um das Klangspektrum besser darstellen zu können. Mit Hilfe einer passiven Frequenzweiche werden diese zu einem Gesamt-Klangbild kombiniert. Es gibt auch Modelle, welche BA-Treiber mit klassischen Spulenmembran-Treibern für den Bassbereich kombinieren.

Elektrostatisch

Das Prinzip des elektrostatischen Antriebs (siehe auch bei Elektrostatischer Lautsprecher) arbeitet wie ein umgekehrt betriebenes Kondensatormikrofon. Der Antriebsmechanismus besteht aus einer dünnen, elektrisch geladenen Membran, in der Regel eine beschichtete PET-Folie, welche zwischen zwei perforierten Metallplatten, den Elektroden, gespannt ist. Das elektrische Tonsignal wird mit Hilfe eines Transformators hochgespannt und liegt in dieser Form an den Elektroden an. Je nach Polarität des Feldes wird die elektrisch geladene Membran in Richtung einer der Platten gezogen. Die Luft wird durch die Perforationen gezwungen, kombiniert mit dem sich ständig verändernden elektrischen Signals der Membran wird eine Schallwelle erzeugt. Elektrostatische Kopfhörer sind in der Regel teurer als solche mit Spulenmembran. Sie sind daher vergleichsweise selten. Darüber hinaus wird ein spezieller Verstärker benötigt, welcher Spannungen im Bereich 100 bis 1000 Volt erzeugt. Erst mit diesem ist es möglich, die zwischen den Elektroden gespannte Membran zur Schwingung anzuregen.

Durch die extrem dünne und leichte Membran, die oft nur wenige Mikrometer dick ist, und das völlige Fehlen von beweglichen Bauteilen erstreckt sich der Frequenzgang von elektrostatischen Kopfhörern in der Regel weit über die Hörbarkeitsgrenze von ca. 20 kHz hinaus. Dadurch sind sie besonders impulstreu, was sehr förderlich für die Wahrnehmung der Räumlichkeit eines Signals ist. Außerdem treten keine partialen Schwingungen der Membran wie bei jeder anderen Tonwandlung auf, da die Membran isoplanar schwingt. Elektrostatische Kopfhörer bieten bei richtiger Konzeption einen besonders reinen und klaren Klang.

Elektrostatische Kopfhörer werden zwar üblicherweise mit Spannungen von 100 V bis über 1 kV betrieben und befinden sich dabei auf dem Kopf des Hörers, dennoch gilt ihre Verwendung als sicher. Der bekannteste Hersteller ist Stax,^[3] ein japanisches Unternehmen. Derartige Systeme werden von Audiophilen geschätzt, sind aber teuer und aufwändig und dementsprechend selten.

Piezoelektrisch

Piezoelektrische Wandler haben typischerweise einen hohen Wirkungsgrad und geringe Klangqualität (kaum Tiefenwiedergabe, ausgeprägte Resonanzen). Die Impedanz ist hoch (frequenzabhängig, mehrere Kiloohm), sie fanden beispielsweise Anwendung als sogenannte Kristallohrhörer für Detektorempfänger.

Signalanschluss

• Kabelgebundene Kopfhörer

Hier wird das Signal durch ein Kabel an die Spulen oder Elektroden geleitet. Der Kopfhörer ist passiv.

• Kopfhörer für Induktionsschleifen

Die früheste kabellose Signalübertragung zu Kopfhörern besteht aus einer im Raum umlaufenden Induktionsschleife, die direkt mit dem verstärkten NF-Signal gespeist wird. Zum Empfang benötigen die Kopfhörer im einfachsten Fall ebenfalls nur eine Spule, in der durch das Magnetfeld der Induktionsschleife eine NF-Spannung induziert wird. Weiterhin gab es auch kleine Hörhilfen mit Akku, Spule und Verstärker zum Anschluss eines Ohrhörers.

• Infrarot-Kopfhörer

Das Signal wird (in der Regel) analog frequenzmoduliert oder digital codiert mit einem LED-Infrarotsender zum Kopfhörer übertragen. Eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger (Kopfhörer) ist nötig. Wird das Signal digital übermittelt, muss es erst noch durch einen D/A-Wandler in ein Analogsignal umgewandelt werden. Handelt es sich um ein analoges Signal, übernimmt ein FM-Demodulator die Umwandlung.

In den Kopfhörern sind IR-Empfänger und Verstärker integriert. Dadurch benötigen sie eine Batterie. Die Klangqualität wird oft durch Signalfehler und ein Grundrauschen beeinträchtigt.

Analoger Funkkopfhörer: in der Auflage sind Modulator, Sender und Antenne untergebracht

• Analoge Funkkopfhörer

Wie beim Infrarot-Kopfhörer wird das Signal drahtlos übermittelt. Statt Infrarot werden jedoch Funkwellen verwendet. Je nach Hersteller und Modell unterscheiden sich die Übertragungsfrequenzen. Dadurch sind Funkkopfhörer/Sender untereinander oft nicht kompatibel.

Bei Funkkopfhörern wird das Signal in der Regel per FM übermittelt. Ein FM-Demodulator übernimmt die Umwandlung in ein Audio-Signal. Diese Kopfhörer benötigen ebenfalls eine Batterie.

• Digitale Funkkopfhörer

Hier wird das Funksignal nicht analog, sondern digital (beispielsweise über Bluetooth) übertragen. Das empfangene Signal wird erst vom eingebauten D/A-Wandler des Kopfhörers in ein analoges Tonsignal umgewandelt. Diese Technik eliminiert das oft als störend empfundene Signal- und Ruherauschen und ermöglicht eine störungsfreie Übertragung digitaler Tonquellen. Die bei analogen Tonquellen zusätzlich erforderliche A/D-Wandlung wirkt sich nur in geringem Maße auf die Qualität aus.

Impedanz

• Niederohmige Kopfhörer: Die Impedanz des Kopfhörers liegt im Bereich 4–100 Ω: Elektromagnetische und elektrodynamische Kopfhörer, Ohrhörer
• Mittelohmige Kopfhörer: Die Impedanz liegt im Bereich 100–1000 Ω: Elektromagnetische und elektrodynamische Kopfhörer
• Hochohmige Kopfhörer: Die Impedanz liegt im Bereich 1–4 kΩ: Elektromagnetische Kopfhörer unter anderem für Detektor-Empfänger (veraltet). Bei piezoelektrischen Kopfhörern ist die Impedanz je nach Frequenz noch höher.

Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung

Seit einigen Jahren gibt es Kopfhörer mit aktiver Geräuschreduktion auf Basis der Antischall-Technik. Ein Mikrofon an der Außenseite des Kopfhörers nimmt die Außengeräusche auf. Eine Elektronik mischt die verpolten Schwingungen hinzu. Das Signal wird dann dem Audiosignal beigemischt. Der Störschall und das beigemischte Signal löschen sich nun aus. Mit dieser Technik ist es möglich, insbesondere tieffrequente Störgeräusche aktiv zu eliminieren. Diese Technik ist schon lange in den Kopfhörern von Flugzeugpiloten zur Geräuschverminderung eingesetzt worden. Durch das hauptsächliche Ausschalten der tieffrequenteren Störgeräusche konnte man den Schallpegel in den Kopfhörern der Piloten und damit die gesundheitliche Belastung senken.

Eine einfachere und wirkungsvollere Unterdrückung von Störgeräuschen ist die Verwendung von geschlossenen, ohrumschließenden Kopfhörern. Bei geeigneter Konstruktion sind insbesondere oberhalb von 500 Hz höhere Dämpfungen als mit aktiver Geräuschunterdrückung möglich. Diese Art der Abschirmung funktioniert auch bei höheren Pegeln.

Lokalisation bei Kopfhörern

elektrodynamischer Referenzkopfhörer T1 von Beyerdynamic

Der von den Kopfhörern abgegebene Schall wirkt direkt auf den Gehörgang der Ohren und nicht auf den gesamten Kopf, wie beim natürlichen Hören. Die zum Hören wichtigen Ohrmuscheln sind dabei außer Kraft gesetzt, sozusagen „amputiert“. Die Beschallung über Kopfhörer wirkt daher deutlich anders als über Stereo-Lautsprecher abgehört. Insbesondere findet mit Kopfhörern die räumliche Lokalisation bei normalen Stereoaufnahmen nur eingeschränkt statt; die Trennung beider Tonkanäle wirkt unnatürlich und die wiedergegebenen Instrumente oder Stimmen werden meist im Kopf statt außerhalb lokalisiert. Zur teilweisen Verminderung dieses Effektes gibt es Kopfhörer, deren Lautsprecher nach vorne angewinkelt sind, außerdem so genannte Crossfeed-Lösungen oder elektroakustische Kunstgriffe wie Dolby Headphone. Auch die Diffusfeldentzerrung trägt zu einem deutlich räumlicheren Eindruck und einer verbesserten Vorn-Hinten-Lokalisation (Außerkopf-Lokalisation) bei. (Dabei wird die Linearität des Kopfhörers nicht auf eine Direktschallquelle, sondern entsprechend dem natürlichen Hören auf viele Schallquellen aus verschiedensten Winkeln abgestimmt, die ein diffuses Schallfeld erzeugen; Recommendation ITU-R BS.708 der Internationalen Fernmeldeunion; siehe Glossar Hifi-Forum: [1]).

Nahezu vollständig vermieden wird dieser Effekt durch die indirekte Einbringung der Schallwellen mittels außermittig nach vorne unten versetzter Schallwandler. Diese von verschiedenen Unternehmen unter der Bezeichnung S-Logic vermarktete Technologie vermindert gleichzeitig den Schalldruck auf das Trommelfell, verbessert die Wahrnehmung von Signalen und vermindert deutlich die Ermüdungserscheinungen beim Kopfhörerhören.

Bei Kunstkopf-Stereofonie (Wiedergabe von binauralen Tonaufnahmen, die über einen Kunstkopf gemacht wurden) ist Kopfhörer-Wiedergabe zwingend erforderlich.

Experimente zur Funktionsweise der Richtungslokalisation des menschlichen Gehörs werden überwiegend über Kopfhörer gemacht. Dafür gibt es den Ausdruck Lateralisation, um differenzierte Testsignale getrennt den Ohren darzubieten und ihre Auswirkungen auf die seitliche Auslenkung (Hörereignisrichtung) zu untersuchen.

Anschluss und Verstärkung

Da Kopfhörer üblicherweise passive Systeme sind, müssen sie in den meisten Fällen an einen Verstärker angeschlossen werden, um ein Signal in akzeptabler Lautstärke zu produzieren. Der Anschluss erfolgt dabei in der Regel über einen Klinkenstecker mit dem Durchmesser 6,3 oder 3,5 Millimeter (bei Kleingeräten wie Diktiergeräten, MP3-Playern oder Handys oft auch 2,5 Millimeter). Bei früheren Systemen wurden auch fünfpolige DIN-Würfelstecker (um 180° drehbar mit Lautsprecherabschaltung), Lautsprecherstecker gemäß DIN 41529 (auch kaskadierbar) oder einfach Bananenstecker verwendet. Ausnahmen sind zum Beispiel Detektorempfänger und alte Telefonanlagen mit Kohlekörnermikrophonen, die ohne Verstärker auskommen.

Die Kopfhörerbuchsen tragbarer Musikabspielgeräte oder Verstärker werden oft durch NF-Verstärker gespeist, die nur geringe Pegel erzeugen können. Für hohe Ansprüche (vor allem im Studiobereich) gibt es daher spezielle Kopfhörerverstärker, die insbesondere bei hochwertigen und hochohmigen Kopfhörern eine bessere Tonqualität und höhere Lautstärke erreichen. Kopfhörer mit hoher Impedanz sind oft im High-End-Bereich anzutreffen. Elektrostatische Kopfhörer benötigen eine höhere Spannung (z. B. 280 oder 580 Volt) und müssen daher an eigene Speisegeräte oder per Übertrager an die Lautsprecherausgänge eines Voll- oder Endverstärkers angeschlossen werden.

Sonstiges

Das Unternehmen Sennheiser entwickelte in den 1980er-Jahren ein elektrostatisches Kopfhörer-System bestehend aus einem Kopfhörer und einem Röhrenverstärker mit dem Namen „Orpheus“. 1991 kamen 300 handgefertigte Exemplare auf den Markt. Der empfohlene Verkaufspreis lag bei 30.000 DM (15.300 Euro). 2006 baute Sennheiser einige wenige Kopfhörer des Systems neu und verkaufte sie ohne den Röhrenverstärker.

Das Unternehmen Sony entwickelte in den 1980er-Jahren den dynamischen Kopfhörer MDR-R10, der 4.000 US-Dollar kostete.

Sony entwickelte 2004 den dynamischen Kopfhörer Qualia 010, der 2.800 US-Dollar kostete.

Das Unternehmen Audio-Technica entwickelte 2004 den dynamischen Kopfhörer ATH-L3000, der 2.600 US-Dollar kostete.

Das Unternehmen Stax Ltd. entwickelte über Jahrzehnte eine Reihe von elektrostatischen Kopfhörern und dazu passenden Verstärkern. Der Stax Omega MKII kostet etwa 4.800 US-Dollar.

Gefahr durch Kopfhörer

NIHL Warnzeichen

Häufig wird die Gefahr der Verschlechterung des Hörvermögens unterschätzt oder nicht beachtet. Viele Leute neigen dazu, mit Kopfhörern Musik in einer wesentlich höheren Lautstärke zu hören, als sie das üblicherweise mit Lautsprechern tun würden, da lautes Hören über Kopfhörer nur selten von Mitmenschen beanstandet wird. Dadurch riskiert man eine Verschlechterung des Hörvermögens.

Bei Kopfhörern und besonders bei Ohrhörern sitzt der Schallwandler nah am Trommelfell, so dass ein Pegel von 120 dB(A) erreicht werden kann.^[4] Schall mit dieser Intensität kann bereits bei kurzfristiger Einwirkung Gehörschäden verursachen (siehe Schalldruck). Wird das Ohr längere Zeit mit 85 dB(A) beschallt, führt das zur irreversiblen Schädigung des Gehörs (siehe Lärmschwerhörigkeit).

Zur Messung der Belastung der Ohren durch Kopfhörer können laut Physikalisch-Technischer Bundesanstalt sogenannte Kunstköpfe eingesetzt werden.^[5]

Siehe auch

Headset (Sprechgarnitur, Mikrofon-Kopfhörer), Dolby Headphone

Einzelnachweise

1. ↑ Historischer Zeitungsartikel über Nathaniel Baldwin als Erfinder des Kopfhörers (englisch)
2. ↑ Buch Radiola: The golden Age of RCA, bei Google Books (englisch)
3. ↑ Stax, Hersteller elektrostatischer Kopfhörer
4. ↑ Der Standard vom 21. April 2010: „Mit 120 Dezibel ins Ohr“, abgerufen am 31. Oktober 2010
5. ↑ ptb.de: Bericht über Mögliche Gehörschäden durch übermäßig lautes Spielzeug (deutsch, abgerufen am 3. Februar 2011)

Weblinks

 Commons: Kopfhörer – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Commons: Ohrhörer – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Anpassen von Lautsprechern und Kopfhörern an den Verstärker – pdf (PDF-Datei; 27 kB)