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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.
Bekannte Hersteller von Kopfhörern sind unter anderem AKG, Audio-Technica, Beyerdynamic, Grado, Koss, Philips, Pioneer, Sennheiser, Shure, Sony, Stax Ltd., Klipsch, Lautsprecher Teufel, Ultrasone und Phiaton.
Inhaltsverzeichnis |
Bei Kopfhörern gibt es wie bei anderen Lautsprechern auch verschiedene Systeme der Schallwandlung.
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.
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.
Die konstruktive Anordnung der Elemente des Schallwandlers ähnelt derjenigen eines elektrostatischen Gegentakt-Lautsprechers, bei dem sich eine konstant elektrisch aufgeladene Flachmembrane zwischen den mit der hochgespannten Tonfrequenz angesteuerten perforierten Statoren bewegt.
Beim isodynamischen Schallwandler hingegen erfolgt der Antrieb der Membrane durch die elektrodynamische Wirkung einer regulären Tonfrequenzspannung, die einer vom Zentrum der Membran nach außen schneckenförmig aufgeklebten bzw. aufgedampften Leiterbahn (eine flächige Spule) zugeführt wird. Die gleichmäßig eingespannte Membran bewegt sich dabei bei anliegender NF-Spannung in einem homogenen Magnetfeld zwischen den wegen des Druckausgleichs gelochten Polplatten zweier sich gegenüber liegenden Dauermagneten bzw. mehrerer flächig angeordneter Magnetstäbe mit besonders hoher Energiedichte.
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.
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, aufwändig und dementsprechend selten.
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.
Siehe auch geräuschreduzierender Kopfhörer.
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.
Der von den Kopfhörertreibern abgegebene Schall wirkt ausschließlich direkt auf das der jeweiligen Kopfhörermuschel zugeordnete Ohr und nicht auf den Kopf und auf beide Ohren, wie beim natürlichen Hören. Bei den intra-auralen Ohrhörern wird zudem die für die Wahrnehmung wichtige, komplizierte akustische Filterwirkung der bei jedem Individuum unterschiedlich geformten Ohrmuschelanatomie außer Kraft gesetzt.
Damit fehlt dem Gehirn die für eine angemessenen Schallauswertung notwendige HRTF, insbesondere die für die akustische Lokalisierung der Schallquellen unabdingbaren Richtungsinformationen: Statt einer natürlichen Vorne-Ortung entsteht durch die bauartbedingte strikte Trennung der beiden Stereosignale durch den Kopfhörer eine unnatürlich wirkende Im-Kopf-Lokalisation. Zur Verminderung dieser IKL existieren diverse unterschiedliche Lösungsansätze, die von einer einfachen leichten Anwinkelung der Kopfhörertreiber über die Kopfhörertechnologie S-Logic des Herstellers Ultrasone bis hin zu komplexeren elektronischen Manipulationen wie dem nachträglichen Hinzumischen der für die Richtungswahrnehmung entscheidenden Signalanteile des jeweils anderen Stereokanals (Crossfeed), mit DSP-Hardware simulierte akustische Richtungsmischer oder dem Dolby-Headphone-Verfahren reichen.
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 [4]).
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.
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 von Stereokopfhörern erfolgt dabei in der Regel über ein unsymmetrisches Stecksystem mit gemeinsamer Masse wie beim regulären 3-Pol-Klinkenstecker mit dem Durchmesser 6,3 oder 3,5 Millimeter (bei Kleingeräten wie Diktiergeräten, MP3-Playern oder Handys oft auch 2,5 Millimeter). Beim Betrieb von Stereokopfhörern mit einem symmetrischen Verstärkerkonzept ist wegen der getrennten Masseführung der beiden Stereokanäle ein vierpoliges Stecksystem (z. B. 4-polige XLR-Stecker) notwendig.
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.
Bei manchen Kopfhörern ist ein eigener Lautstärkeeinsteller eingebaut, entweder in die genügend große Ohrmuschel oder in das Anschlusskabel integriert.
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.
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 japanische Unternehmen Stax Ltd. entwickelte über Jahrzehnte eine Reihe von elektrostatischen Kopfhörern und dazu passenden Verstärker. Der Stax Omega MKII kostet etwa 4.800 US-Dollar.
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.[5] 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.[6]
Headset (Sprechgarnitur, Mikrofon-Kopfhörer), Dolby Headphone
Commons: Kopfhörer – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien Commons: Ohrhörer – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
