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27.01.2020

Technische Daten von Kopfhörern und ihre Bedeutung

Was heißt Frequenz, Impedanz, Empfindlichkeit, Schalldruckpegel, Klirrfaktor, ANC…?

Kenndaten und wichtige Werte von Headphones verständlich erklärt

Wer sich einen Kopfhörer zulegen möchte und sich über verschiedene Modelle informiert, der stößt zwangsläufig früher oder später auf diverse technische Daten einzelner Kopfhörer-Modelle, doch wie sind diese zu bewerten? Die Entscheidungsfindung für eine bestimmte Bauart (offen, halboffen, geschlossen) ist relativ leicht, da der geplante Einsatzzweck des Kopfhörers hier schon eine gewisse Richtung vorgibt. Wer in diesem Punkt allerdings noch etwas Nachhilfe benötigt und noch mehr über das Funktionsprinzip von Kopfhörern, verschiedene Wandler und weitere „äußere“ Werte erfahren möchte, dem kann ich die Lektüre des bonedo-Artikels „Kopfhörer: Grundlagen, Anwendungen, Kaufberatung“  empfehlen. Wer wissen möchte, ob beispielsweise ein Kopfhörer mit größerem Übertragungsbereich besser oder schlechter klingt als ein Modell mit eingeschränktem Übertragungsbereich, oder ob derartige Parameter überhaupt keine Aussagekraft besitzen, der ist hier richtig – denn dieser Artikel erklärt die technischen Angaben.

Kopfhörer-Bauformen

Die soeben erwähnten unterschiedlichen Bauformen von Kopfhörern beziehen sich primär auf die Konstruktion der Ohrmuschel. Zunächst einmal unterscheidet man ohrumschließende und ohraufliegende Modelle. Letztere sind meist deutlich kompakter, wodurch diese Bauform u.a. häufig bei Mobilkopfhörern Anwendung findet. Allerdings sind ohraufliegende Ohrmuscheln aufgrund ihrer Trageeigenschaften nicht jedermanns Sache, weshalb im Studio- und bei stationären Hi-Fi-Anwendungen ohrumschließende Modelle populärer sind.

Weiterhin kategorisiert man Kopfhörer bzw. Ohrmuscheln anhand ihrer Schalldämmung zur Außenwelt in offene, halboffene und geschlossene Bauart. Geschlossene Kopfhörer (hohe Dämmung) verwendet man vorzugsweise in lauter Umgebung oder bei Studioaufnahmen, wo Übersprechungen vom Kopfhörersignal ins Mikrofon unerwünscht sind. Offene Kopfhörer (geringe Dämmung) bieten häufig einen höheren Tragekomfort und haben nicht selten klangliche Vorteile in Bezug auf eine natürliche und audiophile Wiedergabe – Ausnahmen bestätigen die Regel! Halboffene Kopfhörer dürften quantitativ die kleinste Gruppe sein, allerdings gibt es in dieser Bauform einige beliebte Modelle, welche die positiven Eigenschaften der offenen und geschlossenen Bauart unter Inkaufnahme einiger Kompromisse in sich vereinen.

Technische Daten: Zahlenspiele

Dass die Angabe technischer Werte von Kopfhörern verschiedener Hersteller uneinheitlich gehandhabt werden – nicht selten sogar bei Modellen desselben Herstellers – und weiterhin auch in Teilen unvollständig, d.h. ohne die Angabe notwendiger Bezugswerte, genannt werden, macht das Verständnis nicht einfacher. Somit ist der Vergleich verschiedener Kopfhörer anhand technischer Daten nicht so einfach wie der relativ einheitliche Vergleich von Autos (Hubraum, PS, Drehmoment, Verbrauch, Schadstoffausstoß, …), sofern denn diese Daten stimmen. Gewisse Rückschlüsse lassen sich dennoch ziehen, die ich im Folgenden versuche zu analysieren.

Frequenzgang / Übertragungsbereich von Kopfhörern

Was ist "Frequenzgang" (oder "Übertragungsbereich") bei Kopfhörern?

Der Übertragungsbereich gibt an, von welcher Frequenz im Bass bis zu welcher in den Höhen der Kopfhörer wiedergibt. Angabe in Hz (Hertz) bzw. kHz (Kilohertz).

 

Dieser manchmal auch als Frequenzbereich bezeichnete Parameter gibt an, welche Frequenzen vom Kopfhörer übertragen werden können. Angegeben werden sowohl die tiefste als auch die höchste Frequenz, die wiedergegeben wird. Mittlerweile bildet die Mehrzahl zeitgenössischer, kabelgebundener Kopfhörer-Modelle, auch günstige Geräte, den menschlichen Hörbereich, welcher von 20 Hz bis 20 kHz beziffert wird, komplett ab und übertrifft diesen auch in vielen Fällen. Allerdings darf man sich von diesen Angaben nicht in die Irre führen lassen. So kann ein Kopfhörer mit unterer Grenzfrequenz von sagenhaften 5 Hz eine zahnlose Basswiedergabe haben und ein Modell, das laut Datenblatt bis 40 kHz überträgt, eine sehr freudlose und muffige Höhenwiedergabe besitzen. Der Übertragungsbereich besitzt absolut keine Aussagekraft bezüglich der Linearität der Frequenzwiedergabe, es sei denn, es wird explizit erwähnt, wobei mir aus dem Stegreif kein Kopfhörer-Modell einfällt, wo dies gemacht wird. Fazit: Hier sagt ein Hörtest mehr als tausend Zahlen!

Impedanz – Scheinwiderstand von Kopfhörern 

Was bedeutet Impedanz bei Kopfhörern?

"Impedanz" (frequenzabhängiger Widerstand in Ohm) hat Auswirkung auf die mögliche Lautstärke eines Kopfhörers. Vor allem an schwachen Verstärkern (Smartphone etc.) sollten Impedanzen besser klein sein.

 

Der als Impedanz bezeichnete frequenzabhängige Scheinwiderstand des Kopfhörers, ist ein weiterer prominenter Parameter, der vielfach mit der Fähigkeit einer lauten und kräftigen Wiedergabe gleichgesetzt wird. Dies ist nur zum Teil richtig – eine niedrige Impedanz (z.B. < 100 Ohm) begünstigt eine souveräne Lautstärke, welche aber gleichzeitig mit der Empfindlichkeit des Kopfhörers in Beziehung steht. Somit kann ein Kopfhörer mit höherer Impedanz unter Umständen durchaus lauter sein. Grundsätzlich ist speziell beim Betrieb mit mobilen Abspielgeräten aber darauf zu achten, dass der Kopfhörer aufgrund der limitierten Ausgangsleistung eine geringe Impedanz vorweist. Die häufig angegebene Nennimpedanz ist der gemessene Widerstand bei einem Sinuston der Frequenz von 1 kHz. Lange Zeit galt die Faustregel, dass zum audiophilen Hören bzw. sensiblen Studioanwendungen Kopfhörer mit hoher Impedanz (z.B. 300 bis 600 Ohm) eingesetzt werden sollten. Allerdings haben neue Wandler-Technologien dazu geführt, dass es mittlerweile eine Vielzahl von Kopfhörern der Referenzklasse mit sehr geringer Impedanz gibt, die äußerst flexibel bezüglich ihrer Anschlussquellen sind. Dennoch gilt nach wie vor, dass hochwertige Kopfhörer-Verstärker, die generell dahin konzipiert sind, bei nieder- bis hochohmigen Kopfhörern eine gleichermaßen hohe Wiedergabequalität zu gewährleisten, die Linearität der Frequenzwiedergabe und die Auflösung begünstigen.

 

Empfindlichkeit / Schalldruckpegel bei Kopfhörern

Was bedeutet Empfindlichkeit / Schalldruckpegel bei Kopfhörern?

Der Schalldruckpegel (dB SPL) gibt an, wie laut ein Kopfhörer wiedergeben kann – hat aber wenig Aussagekraft.

 

Die Angabe des vom Kopfhörer erzeugten Schalldruckpegels, welcher meist bei 1 kHz gemessen wird, erfolgt uneinheitlich als dB SPL/mW, dB SPL/V oder schlicht als dB ohne Bezugswert der eingehenden Leistung/Spannung, wobei man hier wahrscheinlich vom verkaufsfördernden höheren Wert (dB SPL/mW) ausgehen kann. In gewissen Grenzen ist somit das „Talent“ zur lauten Wiedergabe erkennbar, wobei der (nicht zwingend erstrebenswerte) maximale Schalldruckpegel, welcher nur vereinzelt in Herstellerangeben zu finden ist, natürlich auch durch das angeschlossene Gerät bzw. den Kopfhörer-Verstärker beeinflusst wird. In dem Fall, dass die Angabe des Schalldruckpegels zu abstrakt ist, was tatsächlich aufgrund stark variierender Messbedingungen häufig der Fall ist, empfiehlt es sich, den Kopfhörer einfach daraufhin checken, ob er entsprechend der Anwendung und der verwendeten Abspielgeräte die subjektiven Anforderungen erfüllt. In meinen zahlreichen Tests von Studio- und Hi-Fi-Kopfhörern habe ich in den letzten Jahren aber kaum ein zeitgenössisches Gerät auf dem Kopf gehabt, das in dieser Hinsicht Defizite vorweisen konnte. Die häufig undurchsichtigen Herstellerangaben zu diesem Parameter empfinde ich teilweise schon als bewusste Verschleierung (Dan Brown – „Die Dezibel-Verschwörung“) und besitzen meines Erachtens keinen hohen Nutzwert.

 

Technische Daten von Kopfhörern: Klirrfaktor (THD)

Was bedeutet Klirrfaktor bei Kopfhörern?

Der Klirrfaktor (THD in Prozent) ist ein Indikator für die "Reinheit" des vom Kopfhörer ausgegebenen Signals.

 

Der häufig auch als THD (Total Harmonic Distortion) angegebene Klirrfaktor ist quasi ein Indikator für die "Reinheit" der Wiedergabe und gibt Auskunft über den Anteil signalfremder Frequenzen. Wenn man die Taste eines Klaviers anschlägt, schwingen gleichzeitig die Saiten der entsprechenden Obertöne mit - wenn auch in abgeschwächter Form. Ähnliche Effekte können z.B. bei der Wiedergabe von Frequenzen über die angetriebene Membran des Kopfhörers entstehen, wobei die Ausprägung je nach Frequenzbereich und Wiedergabepegel unterschiedlich ausgeprägt und störend sein kann. So fallen z.B. ungradzahlige Obertöne hoher Frequenzen unangenehmer auf als gradzahlige Obertöne tiefer Frequenzen. Die Summe eines solchen Klirrspektrums wird meistens als Klirrfaktor prozentual angegeben, wobei gilt: Je niedriger der Klirrfaktor (meist deutlich unter 1 %), umso besser. Vereinzelt findet man in Datenblättern zusätzlich den Bezugswert 1 kHz, d.h. der Klirrfaktor wird in vielen Fällen anhand einer Sinusschwingung dieser Frequenz ermittelt, was allerdings wieder einmal uneinheitlich von verschiedenen Herstellern gehandhabt wird. So wird z.B. der Klirrfaktor des T1 von beyerdynamic mit < 0,05 % bei 500 Hz/1mW angegeben, wodurch ein unkomplizierter Vergleich zu Modellen anderer Hersteller nicht möglich ist. Alternativ zum Begriff Klirrfaktor findet man teilweise den Begriff Klirrdämpfung in den Datenblättern. Hier wird der Wert in dB angegeben. Beispiel: Eine Klirrdämpfung von -60 dB entspricht dem Klirrfaktor von 0,1 %.

Technische Angabe "Belastbarkeit"

Was bedeutet Belastbarkeit bei Kopfhörern?

Die Belastbarkeit eines Kopfhörers gibt an, ab welcher Leistung (in Milliwatt, mW) ein Kopfhörer Schaden nehmen kann. 

 

Die Belastbarkeit bezeichnet die zulässige Leistung, die einem Kopfhörer zugeführt werden kann, ohne dass dieser Schaden nimmt. Die Angabe erfolgt in der Regel in Milliwatt (mW), teilweise unter Erwähnung einer Frequenz (Sinus), wobei auch hier häufig 1 kHz als Bezugswert zu finden ist. Die Leistung, welche dem Kopfhörer kontinuierlich zugeführt werden kann ohne Probleme zu bereiten, wird als Nennbelastbarkeit bezeichnet. Die maximale Belastbarkeit, welche in manchen Datenblättern stattdessen aufgeführt wird, ist der Leistungswert, den ein Kopfhörer „kurzzeitig“ verkraftet. Darüber wie „kurzzeitig“ genau definiert wird, konnte ich keine Angaben finden. Man kann allerdings sagen, dass bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Kopfhörers, d.h. ohne dass man den (oder die) Anschlussstecker in irgendwelche unbekannten Löcher steckt, von denen man nicht weiß, was da denn so genau rauskommt, wenig Gefahr einer Beschädigung besteht. Die Belastbarkeit der meisten zeitgenössischen Kopfhörer-Modelle kommt mit der Ausgangsleistung gängiger Kopfhörer-Verstärker locker zurecht. In den vergangenen zwei Dekaden, in denen ich mit zahllosen Kopfhörern in diversen Setups gearbeitet habe, wurde lediglich ein einziger Kopfhörer „zerschossen“. Die Ursache war eine Pegelspitze aufgrund einer Fehlfunktion eines alten SSL-Mischpults, bei der eine höhere Belastbarkeit des Kopfhörers wahrscheinlich auch nichts bewirkt hätte.

Sonstige technische Daten von Kopfhörern

Weiterhin findet man häufig die Angabe des Gewichts sowie seltener die Messergebnisse des Anpressdrucks in Newton (N), welche tendenzielle Rückschlüsse zum Tragekomfort eines Kopfhörer-Modells erlauben. Allerdings geht auch in diesem Fall nichts über einen Feldversuch. Durch eine gelungene Gewichts- und Flächenverteilung sowie komfortable, körperaufliegende Materialien kann ein schweres Modell durchaus bequemer sein als ein leichtes. Ganz vereinzelt findet man Dämmwerte eines Kopfhörers, wobei in erster Linie die Dämmung von Außengeräuschen betrachtet wird. Hierbei handelt es sich um einen äußerst interessanten Parameter geschlossener Kopfhörer mit hoher Relevanz fürs Monitoring in lauter Umgebung oder dem Einsatz als Mobilkopfhörer. Als Außengeräuschdämpfung des Monitoring-Klassikers DT 770 (verschiedene Versionen) von Beyerdynamic werden Werte von 18 bis 35 dB(A) angegeben.

 

Active Noise Cancelling (ANC) 

Was ist ANC? 

 

ANC ("Active Noise Cancelling") nutzt Mikrofone und Phasendrehungsalgorithmen zur Reduzierung / „Auslöschung“ von Umgebungsgeräuschen, um beispielsweise den Musikkonsum auf Flugreisen zu optimieren.

Seit einigen Jahren bieten verschiedene Modelle Features, die den Funktionsumfang des „klassischen“ Kopfhörers deutlich erweitern. Ein immer populärer werdendes Beispiel ist das sogenannte Active Noise Cancelling (ANC), das vorwiegend bei Mobilkopfhörern anzutreffen ist und eine Stromversorgung (z.B. Akku) erfordert. ANC, das teilweise auch als Active Noise Cancellation oder Active Noise Reduction bezeichnet wird, ist eine aktive Unterdrückung von Außengeräuschen, welche (ergänzend zur geschlossenen Bauweise der Ohrmuscheln) Umgebungsgeräusche deutlich reduziert, was beispielsweise auf Flugreisen wünschenswert ist. Erreicht wird dies durch Mikrofone an der Außenseite, deren Signale phasengedreht im inneren der Ohrmuschel wiedergegeben werden und somit eine Auslöschung / Reduzierung bewirken. Im Test der Apple AirPods Pro ist die Funktionsweise von ANC genauer beschrieben.

In einigen Kopfhörermodellen lässt sich diese Technik auch zur beabsichtigten Wiedergabe/Wahrnehmung von Umgebungsgeräuschen zweckentfremden, wodurch sich der Kopfhörer flexibel der jeweiligen Situation anpassen lässt. Bisher gibt es keine an den Kunden adressierten spezifischen Daten oder Parameter, anhand dessen sich die Qualität der aktiven Geräuschunterdrückung verschiedener Modelle vergleichen ließe. Allerdings ist beim Kauf auf eine ausreichende Akkulaufzeit sowie die Möglichkeit des kabelgebundenen Betriebs ohne Stromversorgung zu achten, was insbesondere auch auf den nächsten Themenpunkt (Bluetooth) zutrifft.

Bluetooth 

Worauf sollte man beim Kauf eines Bluetooth-Kopfhörers achten?

 

Bluetooth wird von vielen Mobilkopfhörern zur kabellosen Audioübertragung genutzt. Hierbei sollte darauf geachtet werden, dass sowohl im Kopfhörer (Empfänger) als auch im Abspielgerät (Sender) die gleichen, (möglichst hochwertigen) Codecs implementiert sind und die Akkuleistung für lange Reisen ausreicht, sofern das erforderlich is

Bluetooth ist eine sich ständig weiterentwickelnde Technik zur kabellosen Datenübertragung, die verschiedene anwendungsspezifische Profile, beispielsweise zur (Sprach-)Steuerung oder Telefonie besitzt. Zum Übertragen von Audiodaten in Stereo wird das Profil A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) verwendet. Die Verwendung von Bluetooth ist bei Mobilkopfhörern schon fast die Regel, im High-End-Bereich ist die kabellose Audioübertragung aber selten anzutreffen, da zumindest die Gefahr einer spürbaren Qualitätsminderung durch Datenkomprimierung besteht, was aber auch vom verwendeten Codec abhängt. Der Codec definiert die Auflösung (Bit-Tiefe, Samplingfrequenz) sowie die Geschwindigkeit/Bitrate der Audioübertragung. Aufgrund der Latenz der Datenübertragung wird Bluetooth übrigens nicht für übliche Studioanwendungen eingesetzt.

SBC, AAC, aptX (HD, Adaptive) und LDAC sind die gängigen Codecs, die von Bluetooth Kopfhörern verwendet werden, wobei Letzterer sogar Audioübertragungen in 24Bit / 96kHz ermöglicht. Dass für die Verwendung einiger Codecs Lizenzgebühren von den Kopfhörerherstellern verlangt werden, ist ein potentielles Problem, dass aber in erster Linie günstige Modelle betreffen sollte. Dies kann dazu führen, dass Sender (Abspielgerät) und Empfänger (Bluetooth-Kopfhörer) nicht mit den gleichen Codecs ausgestattet sind und quasi nicht die gleiche „Sprache sprechen“, was im ungünstigsten Fall zu qualitätsmindernden Konvertierungen und Komprimierungen zur Nutzung des lizenzfreien SBC Codec (Standard im A2DP Profil) führt. Insofern ist die Implementierung „vieler“ sowie hochwertiger Codecs durchaus ein Qualitätsmerkmal eines Bluetooth-Kopfhörers, da somit die Wahrscheinlichkeit einer optimalen Verbindung mit verschiedenen Abspielgeräten steigt. Auf jeden Fall ist es sinnvoll, beim Kauf darauf zu achten, dass Kopfhörer und Abspielgerät mit dem gleichen Codec ausgestattet sind. Benutzt man iOS Geräte als Abspielgerät sollte der Kopfhörer über den AAC Codec verfügen, während aktuelle Android-Player mit aptX (auch macOS), aptX HD und LDAC ausgestattet sind. Die beiden letztgenannten gelten als besonders hochwertig. Auch bei Bluetooth-Kopfhörern ist auf die Akkulaufzeit sowie die Möglichkeit der kabelgebundenen Verwendung ohne Stromversorgung zu achten, sofern man den Kopfhörer auf einer längeren Reise verwenden möchte.

Technische Daten von Kopfhörern: Fazit 

Wie man sieht, fällt es aufgrund häufig fehlender und unterschiedlicher Bezugsgrößen sowie der „Nicht-Angabe“ diverser Parameter oftmals problematisch, sich anhand technischer Angaben ein (gerechtes) Urteil über Kopfhörer-Modelle zu erlauben. Ein aussagekräftiger Vergleich unterschiedlicher Modelle anhand solcher Daten ist nur in wenigen Fällen möglich. Zwar lassen sich durch Datenblätter Leistungstendenzen erahnen, doch der „Selbstversuch“, ggf. nach der Lektüre grandioser (bonedo-)Testberichte, ist der ultimative Weg den richtigen Kopfhörer für die eigenen Bedürfnisse zu entdecken.

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