Im Zeitalter der Mobilgeräte haben Kopfhörer Hochkonjunktur. Doch eignen sie sich nicht nur für unterwegs, auch für den anspruchsvollen Musikgenuss zuhause stellen manche Modelle eine echte Alternative dar. Welche Wandlerarten sind für welche Situationen prädestiniert?

Kopfhörer gehören zur modernen Welt wie Flugzeuge, Handys und Flachbildschirme. Seit dem Siegeszug des Walkmans in den Achtziger Jahren dienen sie als Statussymbol und stehen für ein jugendliches Lebensgefühl. Auch im Jahr 2015 sind Kopfhörer nicht nur Mittel zum Zweck, sondern vor allem ein modisches Statement des Benutzers, weshalb die Kopfhörerindustrie das meiste Geld mit stylischen aber preiswerten Modellen für modebewusste Trendsetter verdient. Hier werden Abstriche in der Soundqualität zugunsten der leichteren Handhabe und Stabilität in Kauf genommen werden. Es geht aber auch anders, wie die vielen Kopfhörer für eine audiophile Zielgruppe beweisen, die dafür meist empfindlicher und natürlich teurer sind. Für die Soundqualität eines Kopfhörers ist maßgeblich das Prinzip verantwortlich, mit dem er das elektrische Musiksignal in Schall umwandelt. Wir erklären die vier wichtigsten Wandlerarten mitsamt ihren Stärken und Schwächen.

Dynamischer Wandler

Die meisten der für den Massenmarkt produzierten Modelle arbeiten nach dem technisch simpelsten und ältesten Prinzip als dynamischer bzw. elektrodynamischer Wandler. Er funktioniert wie ein klassischer Lautsprecher, bei dem ein Permanentmagnet für ein kräftiges Magnetfeld sorgt. In dieses Magnetfeld taucht eine bewegliche Spule ein (deshalb auch „Tauchspulenwandler“ genannt), an der das elektrische Audiosignal anliegt. Die durch den Wechselstrom entstehende Lorentz-Kraft bewegt die Spule im Magnetfeld vor und zurück, was wiederum die fest mit der Spule verbundene Membran in Schwingung versetzt. Es entstehen Schalldruckwellen in der Luft, die wir als Töne wahrnehmen. Der generelle Nachteil dieses Prinzips besteht darin, dass die Membran mit der daran befestigten Spule eine relativ hohe Masse aufweist, die zu bewegen mehr Kraft erfordert. Um diese Kraft aufzubringen, findet man oft große und schwere Dauermagneten. Größe und Gewicht können durch spezielle Legierungen im Rahmen gehalten werden, etwa durch sehr stark magnetische Neodymverbindungen. Die große Masse der Membran macht sie träge, weshalb dynamische Kopfhörer im Allgemeinen recht langsam ansprechen. Sie hat Probleme, extrem feine und schnelle Bewegungen auszuführen, worunter auch die Höhenwiedergabe leidet. Merke: Von Natur aus werden komplexe Audiosignale von schweren Membranen weniger präzise übertragen als von vergleichsweise leichten. Für unterwegs sind dynamische Kopfhörer jedoch allemal geeignet, denn durch ihre Robustheit überleben sie auch weite Reisen im Rucksack oder der Handtasche. Durch die geringe Betriebsspannung können sie passiv, also ohne extra Spannungszufuhr, betrieben werden. Der geringe Anschaffungspreis macht sie für junge Leute interessant.

An der Schwingspule liegt das Wechselspannungssignal der Musik an. Durch die Lorentzkraft wird die Spule und die daran befestigte Membran in Schwingung versetzt

Prinzip eines elektrodynamischen Wandlers: An der Schwingspule liegt das Wechselspannungssignal der Musik an. Durch die Lorentzkraft wird die Spule und die daran befestigte Membran in Schwingung versetzt

Elektrostatischer Wandler

Von Natur aus verspricht die Bauart des elektrostatischen Wandlers eine bessere Wiedergabequalität. Er besteht aus zwei gegenüberliegenden Elektroden, zwischen denen sich eine leitfähige Membran befindet. Üblicherweise wird an den Elektroden die Wechselspannung des Audiosignals angelegt, während die Membran selbst an einer Gleichspannungsquelle hängt. Die treibende Kraft, die aus der elektrostatischen Anziehung resultiert, greift an der gesamten Membran gleichmäßig an. Dabei muss lediglich deren geringe Eigenmasse in Schwingung versetzt werden. Diese Tatsache begründet die hohe Impulstreue und Linearität elektrostatischer Wandler, was sie bei audiophilen Anwendern sehr beliebt macht. Mögliche Nachteile dieser Bauart sind der hohe Anschaffungspreis, die mechanische Empfindlichkeit und die Gefahr eines akustischen Kurzschlusses, der zu einer Verschlechterung der Basswiedergabe führen würde. Für die Bereitstellung der hohen Versorgungsspannung ist ein separates Netzteil nötig. Elektrostaten sind deswegen für den Spaziergang oder die Joggingrunde eher ungeeignet, für den ungetrübten Hörgenuss in den eigenen vier Wänden aber wärmstens zu empfehlen. Auch wir haben uns einen elektrostatischen Kopfhörer zur Brust genommen.

Prinzip des elektrostatischen Wandlers: Das Musiksignal läuft hier über die Elektroden. Die an einer Gleichspannungsquelle hängende Membran wird durch die elektrostatische Anziehung in Schwingung versetzt

Prinzip des elektrostatischen Wandlers: Das Musiksignal läuft hier über die Elektroden. Die an einer Gleichspannungsquelle hängende Membran wird durch die elektrostatische Anziehung in Schwingung versetzt

Magnetostatische Wandler

Ziemliche Exoten sind Kopfhörer mit magnetostatischem Funktionsprinzip, die auch als isodynamische oder orthodynamische Kopfhörer bezeichnet werden. Bei ihnen schwingt eine hauchzarte Folie zwischen einer Vielzahl von Permanentmagnet-Stäbchen. Das Musiksignal liegt an einem extrem dünnen Draht an, der schneckenförmig auf die Membran aufgedampft wurde. Je nach Ausrichtung der Spannung wird er von den umliegenden Dauermagneten im Signaltakt der Musik angezogen oder abgestoßen und versetzt die Membran in Schwingung. Magnetostatische Kopfhörer funktionieren so ähnlich wie Bändchenlautsprecher und glänzen wie diese mit einer feinen Auflösung der hohen Frequenzen. Wie beim Elektrostaten zahlt sich das geringe Gewicht der Membran durch eine originalgetreue Wiedergabe des Materials aus sowie durch die Fähigkeit, auch den leisesten Musiksignalen verzögerungsfrei folgen zu können. Magnetostaten haben gegenüber Elektrostaten den Vorteil, ohne zusätzliche Stromversorgung auszukommen, da Neodym-Permanentmagneten das statische Magnetfeld bereitstellen. Die für einen guten Wirkungsgrad nötigen starken Magnetkräfte werden oft mit großen und schweren Magneten erreicht, wodurch der Tragekomfort der Geräte leiden kann. Die gute Wiedergabequalität hat ihren Preis. Durch den hohen Konstruktionsaufwand gehen Magnetostaten selten für weniger als 1000 Euro über den Ladentisch.

Schematischer Aufbau eines magnetostatischen Schallwandlers. Auf die in der Mitte befindlichen Membran sind hauchdünne leitende Drähte aufgedampft

Schematischer Aufbau eines magnetostatischen Schallwandlers. Auf die in der Mitte befindlichen Membran sind hauchdünne leitende Drähte aufgedampft

Balanced-Armature-Wandler

Ursprünglich für Hörgeräte entwickelt, kommen nach dem BA-Prinzip (Balanced-Armature „ausgewogener Anker“) arbeitende Wandler fast ausschließlich im In-Ear-Hörerbereich zum Einsatz. Sie enthalten einen Permanentmagneten, in dessen Magnetfeld sich ein beweglich gelagerter Anker befindet. Da im Zentrum des Magnetfelds keine resultierende Kraft auf den Anker wirkt, spricht man vom „ausgewogenen“ Anker. Um den Anker herum befinden sich Spulen, die ihn magnetisieren, wenn sie vom Strom des Audiosignals durchflossen werden. Abhängig von der Spannung des Audiosignals wird der nun magnetische Anker vom Permanentmagneten angezogen oder abgestoßen. Er bewegt die fest mit ihm verbundene Membran, die in der Folge Schallwellen erzeugt. Weil viele Magnetkräfte auf engstem Raum wirken, haben BA-Wandler einen hohen Wirkungsgrad und können auch in kleinsten Abmessungen hergestellt werden. Klanglich gelten sie als detailreich und offen, allerdings schwächeln sie im Bassbereich, weshalb man sie häufig mit dynamischen Treibern für den Tieftonbereich kombiniert. Das Zusammenspiel aus mehreren BA-Wandlern, um den gesamten menschlichen Hörbereich abzudecken, ist ebenfalls üblich. Die Herstellung eines solchen Treibersystems mit seinen vielen kleinen Bauteilen erfordert ein hohes technisches Wissen, was den Preis in die Höhe treibt. Üblich sind BA-Wandler im Hörgerätebereich, für den sie ursprünglich auch entwickelt wurden. Hi-Fi-Kopfhörer mit BA-Prinzip sind die Denon AH-C400-In-Ears und die K3003 von AKG, bei denen zwei BA-Wandler für die Höhen und die Mitten mit einem dynamischen Wandler für die tiefen Frequenzen kombiniert sind. Einen der seltenen ohrumschließenden Kopfhörer mit Balance-Armature-Prinzip, den Pandora Hope VI der Firma Final Audio Design haben wir uns auf S. 34 genauer angesehen.

Funktionsprinzip des BA-Wandlers: Die vom Audiosignal durchflossene Spule (hier durch die vielen Punkte im Querschnitt angedeutet), verläuft um den Anker. Die Membran ist fest mit dem Anker verbunden

Funktionsprinzip des BA-Wandlers: Die vom Audiosignal durchflossene Spule (hier durch die vielen Punkte im Querschnitt angedeutet), verläuft um den Anker. Die Membran ist fest mit dem Anker verbunden

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