Schallwandler von Kopfhörern – von dynamischen bis zu Magnetostaten

Wer sich mit Kopfhörern beschäftigt oder vielleicht gerade auf der Suche nach einem passenden Modell ist, der stolpert mit hoher Wahrscheinlichkeit irgendwann über verschiedene Bezeichnungen des Schallwandlers

. Das ist jenes Bauteil von Kopfhörern, in welchem das als Wechselspannung vorliegende Musiksignal wieder in Schallwellen umgewandelt wird.
Die technische Umsetzung dieses Vorgangs folgt immer dem gleichen Prinzip, nämlich dass ein Musik- bzw. Audiosignal in eine Kraft umgewandelt wird, welche die Membran zur Erzeugung von Schall antreibt. Hierzu gibt es verschiedene Möglichkeiten und Konstruktionen, die wiederum ihre Eigenarten, Vor- und auch Nachteile haben. Welche dies sind und inwieweit sich klangliche Rückschlüsse aufgrund der Art des Schallwandlers ziehen lassen, erfahrt ihr im folgenden Feature.  

Übersicht

Was ist ein Schallwandler?
Ein Schallwandler macht aus elektrischer Spannung Schall (oder umgekehrt).
Welche Prinzipien gibt es in Kopfhörern zur Schallwandlung?

• Die meisten Kopfhörer nutzen das dynamische Prinzip, um Schall zu erzeugen.
• In In-Ears und Ear-Buds kommen oft Balanced-Armature-Treiber zum Einsatz.
• Das elektrostatische Prinzip ist sehr detailliert, aber auch sehr aufwändig und teuer. 
• In letzter Zeit findet man vermehrt magnetostatische Schallwandler in Kopfhörern.

Inhalte

1. Übersicht
2. Der ideale Kopfhörer-Wandler
3. Elektrodynamischer Wandler
4. Magnetostatische Wandler
5. Elektrostatische Wandler
6. Balanced-Armature-Wandler
7. AMT-Wandler
8. Weiteres interessantes Lesefutter zu Kopfhörern

Der ideale Kopfhörer-Wandler

Der ideale Schallwandler überträgt (mindestens) den kompletten menschlichen Hörbereich von 20 Hz bis 20 kHz, hat einen möglichst geringen Klirrfaktor und eine impulstreue Wiedergabe. Begünstigt wird dieses angestrebte Wiedergabeverhalten von einer möglichst leichten und steifen Membran, welche sich in den unterschiedlichen Bauarten des Schallwandlers allerdings unterscheidet. Manche historische Konstruktionen, wie beispielsweise der elektromagnetische Wandler scheiden hier ganz aus, sodass im Folgenden Antriebe fokussiert werden, die eine Relevanz im heutigen Kopfhörerbau für den Musikkonsum und Studiotätigkeiten besitzen.

Elektrodynamischer Wandler

Das oftmals schlicht als dynamisch bezeichnete Prinzip der Schallwandlung ist der Klassiker schlechthin und wird in der Mehrzahl aller Hifi- und Studiokopfhörer verwendet. Der Antrieb der Membran erfolgt über eine, von der Wechselspannung des Audiosignals durchflossene, Tauchspule im Feld eines Permanentmagneten, welche im Zentrum der Membran befestigt ist. Die, durch ständige Ladungsänderung im Magnetfeld erzeugte, Lorentzkraft bewegt das Duo aus Spule und Membran, wodurch wiederum Schall erzeugt wird. Dieses Antriebsprinzip, das ebenfalls auch in Lautsprechern und dynamischen Mikrofonen angewendet wird, gilt als besonders robust, kostengünstig und bietet aufgrund einer vergleichsweise hohen Auslenkungsmöglichkeit der Membran eine gute Voraussetzung für die souverände Wiedergabe tiefer Frequenzen.

Die Lorentzkraft F wirkt auf den stromdurchflossenen Leiter (rot) im Magnetfeld entsprechend der derzeitigen Stromrichtung.

Allerdings verursacht die mechanisch gekoppelte Spule eine erhöhte Trägheit und damit verbundene Kompromisse in der Auflösung und der Impulswiedergabe. Im Vergleich zu an späterer Stelle genannten „High-End“-Varianten der Schallwandlung gilt der elektrodynamische Antrieb dadurch vielleicht als etwas hausbacken, was heutzutage allerdings keine wirkliche Berechtigung mehr hat. Durch die aktuelle Verwendung sehr leistungsfähiger Magnete und den Verbau hochwertiger, leichter Materialkompositionen in der Membran gibt es einige dynamischer Kopfhörer, die sich durchaus mit „aufwendigeren“ Schallwandlerkonstruktionen messen können und als Referenzkopfhörer gelten, beispielsweise der Ultrasone Signature Pro.

1/2  Der T1 von Beyerdynamic zählt zu den audiophilen Vertretern unter dynamischen Kopfhörern.

2/2  AKGs K812 gilt als einer der besten dynamischen Kopfhörer.

Kurz-Zusammenfassung dynamischer Wandler

Was ist ein (elektro-)dynamischer Kopfhörer-Wandler?
In einem (elektro-)dynamischen Wandler wird eine auf die Membran aufgeklebte Schwingspule in einem Magnetfeld eines Topfmagneten hin- und herbewegt.
Was sind Vorteile des dynamischen Wandlerprinzips?

• einfach zu konstruieren
• preiswert
• robust
• mittlerweile hochwertige Wiedergabeeigenschaften möglich

Was sind Nachteile des dynamischen Wandlerprinzips?

• Membran bekommt durch Schwingspule zusätzliches Gewicht
• tendenziell weniger Detailtreue

Magnetostatische Wandler

Kopfhörer mit magnetostatischem Schallwandler, dessen Wirkprinzip dem elektrodynamischen Treiber gar nicht so unähnlich ist, werden auch häufig als orthodynamisch, isodynamisch sowie planar-magnetisch bezeichnet. Ein wesentlicher Unterschied zum elektrodynamischen Schallwandler ist die andersartige, ich nenne es mal „Verflechtung“ von Membran und Spule. Letztere ist eigentlich gar nicht vorhanden, sondern wird durch aufgedampfte oder aufgeklebte Leiterbahnen auf der Membran ersetzt. Diese ist bei Magnetostaten äußerst dünn, wodurch eine hohe Auflösung und Impulstreue über einen weiten Frequenzbereich begünstigt wird. Allerdings setzt eine leistungsfähige Wiedergabe mit diesem Wandlerprinzip auch eine hohe magnetische Energiedichte voraus, welche den Einbau großer Magnetstäbe vor und hinter der Membran erfordert. Hierdurch sind Kopfhörer dieser Treiberart oftmals – nicht immer – recht opulent und schwer, was dem Vorteil tendenziell audiophiler Wiedergabeeigenschaften gegenübersteht. Magnetostatische Treiber haben einen leichten Exotenstatus sind wahrscheinlich in erster Linie durch die Verwendung in Kopfhörern der Edelmarken Audeze (z.B. Audeze LCD-X und HifiMAN bekannt, wobei man in der letzten Zeit auch in etwas preiswerteren Gefilden fündig wird. Verschiedene Kopfhörer der Marke Fostex und auch der markante Blue Ella sind mir bekannte Modelle, die nach diesem Prinzip angetrieben werden.

1/2  Der Audeze LCD-X mit seinen auffallend großen Ohrmuscheln

2/2  Der auffällig designte Ella ist ein hervorragend klingender geschlossener Kopfhörer mit magnetostatischen Treibern.

Die von Leitern (rot) durchzogene Membran (blau) wird im Feld der Magnetstäbe (gelb) bewegt.

Kurz-Zusammenfassung magnetostatischer Wandler

Was ist ein magnetostatischer Kopfhörer-Wandler?
In einem magnetostatischen Wandler (auch: planarmagnetischer Wandler) wird eine auf die Membran plan aufgeklebte Leiterbahn in einem Magnetfeld hin- und herbewegt.
Was sind Vorteile des magnetostatischen Wandlerprinzips?

• kombiniert Vorteile dynamischer und elektrostatischer Wandler
• hohe Detailtreue

Was sind Nachteile des dynamischen Wandlerprinzips?

• recht teuer in der Herstellung
• oft sehr schwere Magneten nötig

Elektrostatische Wandler

Elektrostaten gelten bei Kopfhörern als die Krone der Schöpfung, zumindest werden von den Marketingabteilungen einiger Hersteller die eigenen, zumeist dynamischen Modelle gerne mit elektrostatischen Kopfhörern verglichen. Wer Elektrostat sagt, meint in der Regel Stax. Der japanische Hersteller fertigt als einziger Kopfhörer mit elektrostatischen Treibern, auch wenn es aus historischer Ausnahmen, wie den Sennheiser Orpheus gibt. So wie dynamische Kopfhörer das Funktionsprinzip dynamischer Mikrofone umkehren, verhält es sich auch mit elektrostatischen Kopfhörern und Kondensatormikrofonen. Der Wandler besteht aus einer leitfähigen, (statisch) vorgeladenen Membranfolie, die von zwei Elektroden, den sogenannten Statoren einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Aus mechanischer Sicht entspricht dies dem magnetostatischem Prinzip, allerdings durchfliesst das Audiosignal hier die Statoren und nicht die Membran, welche beim Elektrostaten durch die Änderungen im elektrischen Feld und die elektrostatische Anziehungskraft bewegt wird. Der Vorteil dieses Antriebs besteht hauptsächlich in den Wiedergabeeigenschaften der Membran, welche durch den Wegfall von Leiterbahnen bzw. einer Spule weniger träge, impulstreuer und höher aufgelöst agieren kann und von daher von audiophilen Musikliebhabern geschätzt wird. Gegen elektrostatische Kopfhörer spricht, dass sie weniger robust sind und die Verstärkung des elektrischen Feldes sowie die Vorspannung der Membran einen separaten Verstärker erfordert, was in der Summe recht aufwendig und deutlich teurer ist als Referenzkopfhörer mit elektrodynamischen Treibern. Weiterhin herrscht das Vorurteil, dass Elektrostaten eine allzu „analytische“ Wiedergabe des Bassbereichs haben und dynamischen Kopfhörern in diesem Punkt teilweise unterlegen sind. Wir haben übrigens einen Testbericht des Stax SRS2050 für euch.  

Stax-Elektrostat

Das Audiosignal verändert das elektrische Feld zwischen den Statoren (blau), wodurch die Membran (rot) angetrieben wird.

Kurz-Zusammenfassung elektrostatischer Wandler

Was ist ein elektrostatischer Kopfhörer-Wandler?
In einem elektrostatischen Wandler wird eine leitende Membran über das Kondensatorprinzip bewegt. Sie selbst ist dabei ein Teil des Kondensators.
Was sind Vorteile des elektrostatischen Wandlerprinzips?

• äußerst hohe Detailtreue
• enorm weiter und linearer Frequenzgang möglich

Was sind Nachteile des elektrostatischen Wandlerprinzips?

• sehr teuer in der Herstellung
• benötigt hohe elektrische Vorspannungen, die ein spezielles Gerät produzieren muss
• nicht direkt an normalen Kopfhörerausgängen zu betreiben

Balanced-Armature-Wandler

Diese auch kurz “BA” genannten Treiber nutzen wieder einmal einen Permanentmagneten zum Antrieb und werden hauptsächlich in In-Ear-Kopfhörern verwendet. Hierbei befindet sich ein kleiner, von einer Spule umwickelte, Metallanker im Magnetfeld und entsprechend der Wechselspannung des Audiosignals magnetisiert und somit bewegt. Der Anker ist mit der Membran verbunden, wodurch Schallwellen erzeugt werden. Dieses Prinzip gilt aufgrund der geringen Trägheit des Ankers als sehr effizient und ermöglicht eine impulstreue, hohe Wiedergabequalität und das auf sehr kompaktem Raum. In der Praxis werden diese positiven Eigenschaften allerdings nicht über den kompletten Hörbereich von einem einzelnen Treiber erzielt, sodass bei Balanced-Armature-Kopfhörern, wie auch bei Lautsprechern, häufig mehrere (bis zu 4) Wandler im Verbund mit Frequenzweichen verbaut werden. Aufgrund von Schwächen bei der Basswiedergabe von BA-Schallwandlern, werden teilweise elektrodynamische Treiber für diesen Frequenzbereich verwendet. Wie bereits erwähnt, sind Balanced-Armature-Wandler in erster Linie in In-Ear-Kopfhörern zu finden, was häufig teure, audiophile Modelle mit einschließt.

Im Ultrasone IQ Pro3 sind ein BA- und ein dynamischer Treiber untergebracht.

Der Anker (grau) ändert seine Magnetisierung entsprechend der Wechselspannung des Audiosignals, bewegt sich im permanten Magnetfeld und treibt somit die Membran (gelb) an.

Kurz-Zusammenfassung Balanced-Armature-Wandler

Was ist ein Balanced-Armature-Wandler?
In einem Balanced-Armature-(auch “BA”-)Wandler wird in einem Magnetfeld ein “Anker” bewegt, der mit einer Membran verbunden ist. Verwendet werden diese Treibertypen in In-Ears.
Was sind Vorteile eines Balanced-Armature-Wandlers?

• geringe Baugröße
• hohe Wiedergabequalität möglich

Was sind Nachteile eines Balanced-Armature-Wandlers?

• sollten zu Mehrwegesystemen kombiniert werden

AMT-Wandler

Nur ganz wenige Kopfhörer nutzen AMT-Wandler, die man vor allem aus den Lautsprechern von ADAM und HEDD kennt. Neben eher abenteuerlichen Konstruktionen mit zwei Wegen, um die oft geringe Bandbreite auszugleichen. Der HEDD HEDDphone allerdings hat es geschafft, diese Probleme hinter sich zu lassen – herausgekommen ist ein absolut eindrucksvoller, aber nicht sehr preiswerter High-End-Kopfhörer. 

AMT-Treiber im Kopfhörer: HEDD HEDDphone

Weiteres interessantes Lesefutter:
#Technische Daten von Kopfhörern
#Grundlagen von Kopfhörern: offen, geschlossen etc…