Ist ein Kopfhörerverstärker wirklich sinnvoll?

Warum braucht man einen Kopfhörerverstärker?

Warum braucht man eigentlich einen Kopfhörerverstärker, wenn doch der MP3-Player, das Smartphone oder gar die Stereoanlage schon einen Kopfhörer-Ausgang hat? Diese Frage ist mehr als berechtigt – und genau deshalb gehen wir ihr jetzt auch auf den Grund.

Ausschlaggebend ist natürlich die Qualität des Kopfhörerverstärkers. In Smartphones, die dafür gebaut sind, um „alles“ zu können, ist die Musikwiedergabe eben nur eine Anforderung neben vielen anderen. Ein hochwertiger Kopfhörer-Ausgang wäre daher viel zu teuer, um in einem Smartphone verbaut zu werden. Doch wie sieht es mit einem MP3-Player aus? Selbst hier sind nicht unbedingt die hochwertigsten Verstärker verbaut und der Einsatz von einem externen Kopfhörerverstärker kann zu klanglichen Verbesserungen führen.

Aber wo liegen denn die technischen Grundlagen?

Ausschlaggebend für die erzielbare Klangqualität ist das Zusammenspiel der Impedanz von Kopfhörer und Kopfhörerausgang. Ganz vereinfacht dargestellt (wie in Abbildung 1) liefert der Verstärker eine Wechselspannung, die der Kopfhörer in ein identisches akustisches Signal umwandelt.

In der Realität hat aber der Verstärker-Ausgang einen so genannten Innenwiderstand Z0. Nun bilden der Innenwiderstand des Verstärkers und der Widerstand des Kopfhörers einen Spannungsteiler. Ein Teil der Spannung fällt beim Innenwiderstand ab und der restliche Teil steht nur noch beim Kopfhörer zur Verfügung.

Das Spannungsverhältnis ist proportional zu den Widerständen. Ist der Widerstand des Kopfhörers beispielsweise 10-mal so groß wie der Innenwiderstand, liegt am Kopfhörer auch die 10-fache Spannung an. Ein Teil der Energie wird also im Kopfhörer-Verstärker „verbraten“, was zu einem leiseren Ausgangssignal des Kopfhörers führt. Optimal wäre also ein Innenwiderstand, der möglichst klein ist, und ein Kopfhörer-Widerstand, der möglichst groß ist.

Generell gilt also:

Je kleiner der Innenwiderstand und je größer der Lastwiderstand, desto geringer sind die internen Verluste.

Allein die Reduzierung der Lautstärke bei einem hohen Innenwiderstand wäre nun kein besonders großes Problem. Dem könnte man entgegenwirken, indem die Lautstärke einfach aufgedreht wird. Allerdings müssen wir die Impedanz betrachten. Der Widerstand – genauer gesagt die Impedanz – ändert sich über den Frequenzbereich. Der Innenwiderstand bleibt über den hörbaren Bereich (nahezu) konstant, doch die Impedanz des Kopfhörers  ändert sich über den Frequenzverlauf. Als Beispiel nehmen wir hier den SE425. Die Grafik zeigt, dass der Ohrhörer über einen großen Bereich eine recht konstante Impedanz von etwa 20 Ω aufweist. Ab etwa 4 kHz ist aber ein rapider Anstieg der Impedanz zu sehen.

Merke: Je geringer der Last-Widerstand, desto mehr Spannung fällt beim Innenwiderstand ab, also desto weniger Spannung an der Last und damit desto leiser das erzielbare akustische Signal. Der SE425 hat nun bei tiefen Frequenzen einen geringen Widerstand, bei hohen Frequenzen einen höheren Widerstand. Das führt also zu einer Erhöhung der wiedergegebenen Lautstärke ab ca. 4 kHz und damit zu einer „Verbiegung“ des Frequenzgangs. So kommen wir zur zweiten Kernaussage:

Je höher der Innenwiderstand eines Kopfhörer-Verstärkers, desto stärker wird der Frequenzgang des Kopfhörers verändert.

Bisher haben wir den Kopfhörer als Widerstand – bzw. über den Frequenzbereich variierenden Widerstand (Impedanz) angesehen. Bei genauer Betrachtung enthält er aber nicht nur eine Impedanz, sondern auch eine Induktivität, hervorgerufen durch die Schwingspule, und auch eine gewisse Kapazität, die Energie speichern kann (siehe Abbildung 4). Durch diese Eigenschaft ist ein Kopfhörer nicht nur eine passive Last, die Energie aus dem Kopfhörerverstärker aufnimmt, sondern ebenfalls eine Quelle, die auch versucht, Energie an den Kopfhörerverstärker zurückzugeben. Diese Interaktion der beiden Energiequellen führt nun nicht mehr zur einfachen Lautstärke-Beeinflussung und „Verbiegung“ des Frequenzgang, sondern zu Verzerrungen bzw. Oberschwingungen und damit zum Anstieg des Klirrfaktors. Und natürlich gilt auch hier wieder:

Je geringer der Innenwiderstand eines Kopfhörerverstärkers, desto geringer der Klirrfaktor.

Man spricht hierbei von der (Rückwärts-)Dämpfung des Verstärkers. Mit geringerem Innenwiderstand kann das eingehende Signal stärker gedämpft werden.

Zusammenfassend gilt also die Kernaussage:

Je kleiner der Innenwiderstand und je größer der Lastwiderstand, desto geringer sind die klanglichen Einbußen.

Dies führt uns nun unwillkürlich zu der Frage:

Warum haben aber gerade Kopf- und Ohrhörer für den mobilen Bereich eine recht geringe Impedanz?

Gerade im mobilen Bereich – und damit mit batteriebetriebenen Kopfhörer-Verstärkern – ist das oberste Ziel, eine möglichst hohe Lautstärke bei möglichst geringem Energiebedarf und damit langer Batterielebensdauer zu realisieren. Die erzielbare Lautstärke verhält sich linear zur Leistung, die vom Kopfhörer aufgenommen wird, und berechnet sich zu:

Je höher also der Widerstand R, desto geringer die erzielbare Leistung P und damit geringer auch die Lautstärke. Deswegen trifft man gerade im mobilen Bereich auf recht niederohmige Kopfhörer und Ohrhörer. Warum diese generelle Aussage aber auch sehr differenziert betrachtet werden muss, zeigt der Blogbeitrag: „Ein Kopfhörer mit niedriger Impedanz ist lauter als einer mit hoher Impedanz!“

In der Praxis

Insbesondere beim mobilen Musikgenuss kann also ein zusätzlicher Kopfhörerverstärker die erzielbare Klangqualität erheblich verbessern. Dabei gibt es zwei Ansätze. Der erste ist ein rein analoger Ansatz und kann mit jedem beliebigen Zuspieler geleistet werden. Dabei wird das Audiosignal aus dem Kopfhörerausgang genutzt, der direkt in den analogen Eingang des Kopfhörer-Verstärkers geleitet wird. Dieser Eingang weist nun einen recht hohen Widerstand (SHA900: 10 kΩ) auf und hat dadurch keinen (oder absolut marginalen) Einfluss auf die Klangqualität das Zuspielers. Gleichzeitig weist nun aber der Ausgang des Kopfhörer-Verstärkers einen möglichst geringen Innenwiderstand (SHA900: 0,35 Ω)  auf und damit können nun auch mit sehr niederohmigen Kopf-/Ohrhörer unverfälschte Klangergebnisse erzielt werden.

Der zweite Ansatz ist der digitale. Hier wird das digitale Musiksignal über USB genutzt. An einem Rechner ist das immer machbar – ob es aber mit dem Smartphone bzw. MP3-Player auch funktioniert, hängt davon ab, ob das jeweilige Endgerät das digitale Ausspielen überhaupt unterstützt. Doch bei aktuellen iPhones und den hochwertigen Android Smartphones wird dieses Feature umgesetzt. Nun kommt es wiederum auf das Protokoll an, welche Datenrate und Formate unterstützt werden. Ein Datenstrom von 48 kHz / 24 Bit sollte aber stets realisiert werden und als Studio-Qualitäts-Standard für anspruchsvolle Musikwiedergabe ausreichen.

Der SHA900 ist ein portabler Premium Audio-Verstärker mit DAC-Umwandlung zur Nutzung von digitalen Klangquellen und hochwertigen Kopfhörern oder Ohrhörern. Er ist mit einem benutzerdefinierbaren 4-Band parametrischem EQ ausgestattet, bietet Wiederaufladbarkeit und kann mit digitalen oder analogen Klangquellen genutzt werden.