mini|Kopfhörer auf einem Ständer 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., auf beiden Hörkapseln war das gleiche Audiosignal. Es gibt auch Kopfhörer mit nur einer Hörkapsel.
Der Erfinder des Kopfhörers wurde bis heute nicht eindeutig festgestellt. Seit der Erfindung der Telefonie wie auch des Radios wurden kopfhörerähnliche Geräte verwendet. So handelte es sich etwa bei dem Telefon von Alexander Graham Bell bereits um einen Kopfhörer, der allerdings auch als Mikrofon diente und daher bei der Benutzung abwechselnd zwischen Mund und Ohr hin und her bewegt werden musste. Einige Quellen deuten auf den US-Amerikaner Nathaniel Baldwin als Erfinder des Kopfhörers. In: historytogo.utah.gov, 8. Juli 2001, abgerufen am 22. Februar 2023. (englisch) 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, Apple, Audio-Technica, Bang & Olufsen, Beats, Beyerdynamic, Bose, Bowers & Wilkins, Denon, Jabra, JBL, Koss, Philips, Pioneer, Sennheiser, Sony und Yamaha.
Eine Spezialform ist der Knochenschall-Hörer, der Schwingungen an einen Knochen des Kopfes abgibt, die dann das Ohr wahrnimmt.
Bauformen
mini|Alte Bauform eines magnetischen Kopfhörers für Detektorempfänger mini|Earbud-Ohrhörer mini|Kristallohrhörer (rechts) und dynamischer Ohrhörer (links) Ohrhörer Gehörganghörer (intra-aural) bzw. in-ear headphones/canalphones (wortwörtlich auch „Im-Ohr-Kopfhörer“) Die Ohrhörer werden in den Gehörgang eingeführt. Diese Variante wird beispielsweise beim In-Ear-Monitoring verwendet. Es gibt sie in verschiedenen Materialien wie Schaumstoff oder Silikon. Im professionellen Bereich wird das In-Ear-Monitoring den Ohren jedoch individuell angepasst, indem der Hörer in eine Otoplastik aus Silikon oder Acryl eingearbeitet wird. Diese Maßanfertigung wird von Hörgeräteakustikern hergestellt. Sie sind sehr bequem und sicher zu tragen, langlebig, leicht zu reinigen und bieten die beste Isolation von Außengeräuschen. Earbud-Ohrhörer oder auch Half-In-ear-headphones genannt, sind solche Ohrhörer, die in die Ohrmuschel (Pinna) eingesetzt werden. Manche Menschen empfinden das als unangenehm. Dafür sind sie platzsparend und geeignet für unterwegs. Earbuds und intra-aurale Schallwandler können bei dauerhaft unangemessenen Lautstärkepegeln sehr leicht zu irreversiblen Schädigungen des Innenohrs führen, da die hohe Schallenergie direkt in den empfindlichen Gehörgang geleitet wird. Muschelkopfhörer Diese Kopfhörer sind größer und werden über die Ohrmuscheln gelegt, sie werden in unterschiedlichen Varianten hergestellt: Ohraufliegende Kopfhörer (supra-aural), auch „on ear“Die Kopfhörermuschel bedeckt das Ohr, umschließt es jedoch nicht. Ohrumschließende Kopfhörer (circum-aural), auch „over ear“Die Kopfhörermuschel umschließt das Ohr vollständig, die Kopfhörertreiber nutzen über Schallreflexionen die gesamte Ohrmuschelanatomie. Beide Kopfhörertypen sind je nach Nutzungsverhalten, Gewohnheiten oder Vorlieben entweder als geschlossenes oder als offenes Muschelsystem erhältlich. Die rückseitig geschlossene Kopfhörermuschel ist besser geeignet zur Abschirmung von störenden Außengeräuschen in konzentrierter Studioarbeit, die rückseitig offenen Kopfhörer verhindern durch den Luftaustausch eine unangenehme übermäßige Ohrerwärmung. Eine seltene Sonderform ist der Kopflautsprecher. Es handelt sich dabei um zwei kleine Lautsprecher, die über den Kopf gehängt werden und völlig frei die Ohren beschallen. Dadurch ist eine natürlichere Lokalisation (s. u.) möglich. Bekanntestes Modell ist der AKG K 1000. Ebenfalls selten ist der Knochenschall-Hörer, der Schwingungen an einen Knochen des Kopfes abgibt, die dann das Ohr wahrnimmt.
Varianten von Muschelkopfhörern mini|Geschlossener Kopfhörer Die Bezeichnungen „offen“ und „geschlossen“ beziehen sich nicht darauf, ob ein Kopfhörer das Ohr umschließt oder aufliegt, sondern auf die Isolierung zur Umwelt. Auch ein ohrumschließender Kopfhörer kann offen sein, ein aufliegender auch geschlossen.
Offener Kopfhörer Bei der offenen Bauart bleibt die Verbindung zur akustischen Außenwelt durch den Kopfhörer hindurch erhalten. Zu diesem Zweck ist die Abdeckung der Hörmuscheln durchlässig; sie ist perforiert oder mit Schlitzen versehen und es werden eher durchlässige Materialien verwendet. Der Schall wird von der Membran sowohl in Richtung Ohr als auch nach außen abgegeben. Dadurch soll eine höhere Transparenz erreicht und der Klang räumlicher werden. Gleichzeitig findet ein besserer Wärmeaustausch statt, unangenehme Empfindungen wie Hitzestau oder Schwitzen werden reduziert. Nachteilig an dieser Bauart ist, dass die vom Kopfhörer und von der Umwelt erzeugten Schallwellen wechselseitig hörbar sind: Störgeräusche von außen dringen an das Ohr, umgekehrt dringt der wiedergegebene Schall nach außen und wird vom Umfeld gegebenenfalls als störend empfunden.
Geschlossener Kopfhörer Bei der geschlossenen Form wird das Ohr nach außen weitgehend abgeschirmt, der Schall strahlt nur Richtung Ohr ab. Im Bassbereich wird durch die Abschirmung mehr Druck aufgebaut. Die Konstruktion ist bei dieser Bauart vor allem aufgrund von Reflexionen komplizierter und damit bei gleicher Klangqualität teurer. Von Vorteil ist die höhere Unabhängigkeit von der Außenwelt, und zwar wiederum hinsichtlich lauter Umgebung als auch durch weniger störende Abstrahlung nach außen. Die durch fehlenden Luftaustausch entstehende Wärmeentwicklung kann bei längerem Tragen gelegentlich als unangenehm empfunden werden.
Halboffener Kopfhörer Halboffene Kopfhörer sollen die jeweiligen Vorteile der beiden anderen Bauweisen vereinen. Sie haben weniger (zum Teil extra gedämmte) Öffnungen nach außen als offene Kopfhörer.
Schallwandlertechnik Bei Kopfhörern gibt es wie bei anderen Lautsprechern auch verschiedene Systeme der Schallwandlung.
Elektromagnetisch mini|Funktionsweise, schematisch
Das Konstruktionsprinzip stammt aus der Frühzeit der Audiotechnik und wurde sowohl für Lautsprecher als auch für Kopfhörer eingesetzt. Es wird typischerweise eine Membran aus Stahl bewegt, die den Schall direkt abstrahlt (siehe Bild). Der Strom vom Verstärker durchfließt zwei mit einem Permanentmagneten vormagnetisierte Spulen ähnlich einem Elektromagneten, dessen Magnetpole sich in geringem Abstand hinter der Stahlblechmembran befinden. Die Vormagnetisierung ist für die Schallwiedergabe essentiell, denn ohne sie würde die Membran mit der doppelten Frequenz schwingen (die Eisenmembran würde einmal bei der positiven und dann noch einmal bei der negativen Halbwelle angezogen). Durch die Vormagnetisierung erhält die Membran eine magnetische (wie auch mechanische) Vorspannung B0, zu der sich die Wirkwechselspannung addiert oder subtrahiert.
Solche Wandler wurden beispielsweise in der frühen Radiotechnik oder der militärischen Kommunikation eingesetzt; in Morse-Kopfhörern und Telefonhörern fanden sie ebenfalls Verwendung. Ihre Impedanz lag meist bei 2 bis 4 kΩ (Kiloohm). Sie konnten daher ohne Ausgangsübertrager bei Röhrenverstärkern oder in Detektorempfängern eingesetzt werden.
Wegen der schlechten Wiedergabequalität (sehr hoher Klirrfaktor, stark eingeschränkter Frequenzbereich usw.) werden elektromagnetische Wandler heute in der Regel nicht mehr verwendet.
Elektrodynamisch mini|Bewegliche Spule Wie bei einem dynamischen Lautsprecher entsteht die Schallwandlung aus der Bewegung einer vom Tonsignal gespeisten Spule in einem Magnetfeld: Eine Tauchspule im Membranzentrum befindet sich im engen Luftspalt eines am Kopfhörerrahmen montierten starken Permanentmagneten und wird bei angelegter Tonfrequenzspannung durch die Wechselwirkung von konstantem und variablem Magnetfeld zu longitudinalen Schwingungen angetrieben, die sich über die Membran an die umgebende Luft übertragen.
Zur Vermeidung von übermäßigen Partialschwingungen und aus Gründen der Materialträgheit wird die Treibermembran aus leichtem Material mit hoher Steifigkeit, beispielsweise Zellulose, Kunststoff oder Metall gefertigt.
Der elektrodynamische Membranantrieb ist heute am meisten verbreitet, er bietet kostengünstige Herstellung, unkomplizierten Betrieb und liefert beim aktuellen Stand der Technik und entsprechend hohem Konstruktionsaufwand zudem höchste Wiedergabequalität.
Isodynamisch bzw. orthodynamisch oder Magnetostat 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.
Ein angemessener Wirkungsgrad der isodynamischen Treibersysteme lässt sich nur mit relativ großen und damit schweren Magnetscheiben mit hoher magnetischer Energiedichte erzielen, was ein ungewöhnlich hohes Gewicht und einen ungünstigen Tragekomfort des Kopfhörers zur Folge hat.
Balanced-Armature-Schallwandler mini|Balanced-Armature-Schallwandler 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 gelagerten 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 mechanisch nicht stabil, und der Anker würde, vom Permanentmagneten angezogen, haften bleiben. Daher ist eine relativ 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.Buch Radiola: The golden Age of RCA, bei Google Books. (englisch)
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.
Elektrostatisch mini|Funktionsprinzip eines elektrostatischen Gegentakt-Schallwandlers, Ansteuerung mit Step-Up-Übertrager