Alte und neue Träume (von Richard Barnert)

Dabei sollte gerade die Kaufentscheidung eines Kopfhörers gut überlegt sein. Denn ein Kopfhörer ist eines der wenigen akustischen Geräte, das direkt am Körper getragen wird. Ein Kopfhörer ist daher so etwas wie ein Kleidungsstück, mit dem wir uns wohlfühlen wollen, das sich angenehm anfühlen soll, funktionell sein soll und mit dem wir unter Umständen auch schick aussehen wollen. Ach ja, und gut klingen soll er auch noch.

Aber was heißt „gut klingen?“ Gerade professionelle Anwender stellen je nach Einsatzgebiet sehr unterschiedliche akustische Anforderungen, sei es auf der Bühne, im Studio, beim Broadcasting, beim DJ-Mixing, oder schlicht und einfach zuhause im Wohnzimmer - um hier nur einige Beispiele zu nennen. Es kann aus diesem Grund keinen „Universalhörer“ geben.

Die neue Generation professioneller Studio-Kopfhörer von AKG besteht daher aus vier Modellen: K 141 Studio, K 240 Studio, K 171 Studio und K 271 Studio, die auf Basis der bewährten Klassiker K 141 Monitor, K 240 Monitor und K 270 Studio konstruiert wurden.
Somit kann sich jeder für „seine“ Anwendung das passende Modell aussuchen. Doch wo liegen die Unterschiede zwischen den alten und den neuen Hörern? Und welche Kriterien sind für die Auswahl des passenden Hörers wirklich von Bedeutung?

Die Bauweise macht den Klang

Die neuen Studiohörer unterscheiden sich voneinander hauptsächlich in ihrer Bauform, was zu vier unterschiedlichen akustischen Resultaten führt.

Der K 141 Studio ist ein halboffener ohraufliegender Hörer. Der K 240 Studio ist ebenfalls halboffen gebaut, jedoch ohrumschließend. Der K 271 Studio ist als Nachfolger des bekannten K 270 Studio ein geschlossener ohrumschließender Hörer. Der K 171 Studio wiederum ist ein ohraufliegender geschlossener Hörer. Betrachten wir zunächst die grundlegenden Eigenschaften dieser unterschiedlichen Bauformen.

Ohrumschließendende Hörer sind in der Regel bequem zu tragen, da sich der Ohrpolster rund um die Ohrmuschel schließt. Sie besitzen dadurch ein gut definiertes akustisches Verhalten, was sie ideal für analytische Anwendungen macht.

Ohraufliegende Hörer besitzen kleinere Ohrpolster, sie sind daher leicht zu transportieren und sind auch für mobile Anwendungen gut geeignet. Durch ihr kleineres Innenvolumen weisen sie einen höheren Schalldruck auf.

Die Trageposition und damit der Klang können allerdings variabel sein. Es kommt nämlich ganz darauf an, wie man den Hörer aufsetzt. Gerade diese Tatsache macht ohraufliegende Hörer zum Beispiel für Studiomusiker besonders interessant, da man die Mischung des Kopfhörersignals mit dem akustischen Raumklang selbst einstellen kann. Gerade Vokalisten schätzen diese Eigenschaft, da sie den Naturklang ihrer Stimme meist besser kontrollieren können als ein reines Kopfhörersignal.

Neben der Ausführung der Ohrpolster ist auch die akustische Ausführung des Gehäuses ein wichtiges Merkmal. Die halboffene Bauweise besitzt definierte akustische Öffnungen im Gehäuse, durch die der Schall von innen nach außen dringen kann und umgekehrt. Diese Außenöffnungen dienen zur Abstimmung des Frequenzgangs, insbesonders im Bassbereich. Dadurch besitzen halboffene Hörer meist einen ausgeglichenen Klang und werden hauptsächlich für HiFi und analytische Anwendungen eingesetzt.

Das herausragendste Merkmal des geschlossenen Hörers hingegen ist seine gute Außenschalldämmung. Er wird überall dort bevorzugt eingesetzt, wo man sich selbst akustisch vom Umgebungsraum abkoppeln bzw. umgekehrt mit dem Kopfhörersignal nicht seine Umgebung stören will. Jedoch können bei dieser Bauform keine äußeren Öffnungen in die akustische Abstimmung einbezogen werden. Geschlossene Modelle leiden daher oft darunter, dass der Bass entweder zu schwach oder für analytisches Hören zu undefiniert klingt.

Die beiden geschlossenen Kopfhörer AKG K 171 Studio und AKG K 271 Studio bilden diesbezüglich allerdings eine Ausnahme, da hier eine besonders ausgeklügelte Konstruktion zum Einsatz kommt, die diesen beiden Modellen sowohl den ausgeglichenen Klang eines halboffenen Hörers als auch die gute Außenschallisolation eines geschlossenen Hörers ermöglicht – doch dazu später.

Das Herzstück ist der Wandler

Der Schallwandler ist jener Teil des Kopfhörers, in dem das elektrische Quellsignal in Schallwellen umgewandelt wird. Neben den elektrostatischen Wandlern, die am Markt eine eher untergeordnete Rolle spielen, haben sich in den letzten Jahrzehnten vor allem elektrodynamische Wandler durchgesetzt. Bei diesem Prinzip ist die schallerzeugende Membran fest mit einer Spule aus gewickeltem Draht verbunden. Diese Spule wiederum befindet sich innerhalb eines Dauermagnetfeldes. Durch das Induktionsgesetz wird die Spule daher auf und ab bewegt, sobald sie von Strom durchflossen wird. Das klingt sehr einfach, kann im Detail jedoch sehr tückisch sein – und es braucht in der Tat viel Erfahrung, um dieses Prinzip auch serienreif umsetzen zu können.

AKG ist schon seit langem einer der weltweit führenden Hersteller hochklassiger Wandler, ist diese Firma doch eines der innovativsten Unternehmen in der Audiogeschichte überhaupt. Über 1400 erteilte Patente in mehr als 50 Jahren Firmengeschichte sprechen hier für sich. Für die neue Kopfhörer-Generation musste natürlich auch eine neue Generation von Wandlern entwickelt werden - der XXL Wandler war geboren! Es darf natürlich nicht verwundern, dass auch hier einige hauseigene Innovationen zum Einsatz kommen.

Bei der Membran kommt zum Beispiel das bekannte Varimotion-Verfahren zum Einsatz. Hier wir die Lautsprechermembrane in einem speziellen Tiefziehverfahren so bearbeitet, dass sie in der Mitte dicker bleibt als in den Randbereichen. Dadurch wird gewährleistet, dass hohe Frequenzen über die harte Kuppe übertragen werden, während tiefe Frequenzen den weichen Randbereich nutzen können. Außerdem wird für das Material der Membran eine besondere Kunststoff-Mischung verwendet, dessen mechanische Impedanz so optimiert wurde, dass unerwünschte Schwingungsformen vermieden werden.

Zu solchen unerwünschten Schwingungsformen gehört zum Beispiel das Taumeln der Membran. Sobald sich die Schwingspule der Membran anders als kolbenförmig im Magnetfeld hin- und herbewegt, besteht die Gefahr, dass die Spule an den Magneten anschlägt und somit unerwünschte Verzerrungen erzeugt. Durch die Optimierung der mechanischen Impedanz kann dies selbst für größte Auslenkungen des Wandlers sicher vermieden werden. Dadurch ergibt sich wiederum ein geringerer Klirrfaktor, ein erweiterter Bassbereich sowie eine höhere Maximallautstärke.

Überhaupt wurde bei der Entwicklung des XXL-Wandlers die neueste Computertechnologie eingesetzt. Der Verlauf der magnetischen Feldlinien wurde mit einem selbstentwickelten Programm berechnet und optimiert. Auch die Formgebung der Membrane spielt eine wesentliche Rolle in der Gestaltung der akustischen Eigenschaften. Um das Schwingungsverhalten des Wandlers zu studieren, wurden Computerprogramme eingesetzt, die ansonsten bevorzugt in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden.

Dabei handelt es sich um sogenannte FEM/BEM-Simulationen, bei denen die Membran rechnerisch in kleinste Teilbereiche unterteilt wird, um so das dynamische Verhalten besser berechnen zu können. FEM/BEM bedeutet übrigens „Finite Element Method / Boundary Element Method“. Natürlich kann es auch vorkommen, dass sich ein Computer verrechnet oder die Eingaben nicht ausreichend für eine schlüssige Berechnung sind.

Daher wird in der AKG ein weiteres Hightech Werkzeug eingesetzt, um die Simulationsergebnisse in der Praxis verifizieren zu können. Hier kommt ein sogenanntes Laservibrometer zum Einsatz, das die Schwingungen des Wandlers berührungslos abtastet und für eine weitere Analyse im Computer aufbereitet. Gemeinsam mit den Abhörtests an realen Testpersonen ist die Laservibrometrie das wichtigste Kontrollwerkzeug bei der Entwicklung von elektrodynamischen Wandlern. Für eine ausführliche Beschreibung dieser Werkzeuge siehe [M. Opitz/R. Barnert – „Modern Development Tools for Dynamic Transducers“, Proc. 111th AES Convention, 2001 Sept 21-24, New York, NY, USA].

Ein wesentlicher Designfaktor des XXL-Wandlers ist natürlich auch seine ohmsche Impedanz. Während die klassischen AKG Monitor-Kopfhörer noch eine Impedanz von 600 Ohm aufwiesen, wurde diese bei der neuen Studio-Generation auf 55 Ohm gesenkt. Die deutliche Konsequenz dieser Maßnahme ist eine Steigerung der Empfindlichkeit um mehr als 12 Dezibel. Während diese Tatsache für potente Kopfhörerverstärker keine dramatische Veränderung bedeutet, ist sie für den Betrieb an mobilem Equipment sehr wohl von großer Bedeutung. Tragbare Mischpulte oder Minidisc-Player, aber auch die Kopfhörerausgänge üblicher HiFi-Verstärker benötigen in der Regel niederohmige Lasten, um ihren maximalen Wirkungsgrad liefern zu können. Dieser Tatsache kommt der neue XXL-Wandler mit seiner verringerten Impedanz entgegen.

Technische Besonderheiten geschlossener Hörer

Wie bereits erwähnt besitzen geschlossene Hörer keine akustischen Außenöffnungen, wodurch sich das Klangdesign im Vergleich zu halboffenen Hörern wesentlich aufwändiger gestaltet. Bei der Entwicklung der geschlossenen Referenzhörer K 171  Studio und K 271 Studio griff der AKG-Produktentwickler Thomas Stubics daher auf spezielles Know-how zurück.

Betrachten wir zunächst den mechanischen Aufbau der Hörerhälfte eines K 171 Studio: Der XXL-Wandler (1) sitzt in der Mitte einer Trägerplatte (2), die außerdem noch akustische Reibungselemente (3) enthält, die in das Rückvolumen (4) führen. Die Wandlerrückseite und das Kardanvolumen (5) sind über ein Rohr (6) miteinander verbunden. Wie im Weiteren noch erläutert wird, spielt auch die Konstruktion des Polsters (7) eine wichtige akustische Rolle, wie auch die Außenschale des Gehäuses (8). Letztere ist nicht nur wichtig für eine gute Außenschalldämmung und sollte daher möglichst dicht sein - auch ihre Eigenresonanzen haben einen wesentlichen Einfluss auf den Klang und müssen in der Konstruktion berücksichtigt werden. Um unerwünschte Resonanzen zu erkennen und wirkungsvoll bekämpfen zu können, haben sich auch hier FEM-Computersimulationen und laservibrometrische Messungen als äußerst hilfreich erwiesen.

Die besondere Kunst des Entwicklers besteht hauptsächlich darin, die verschiedenen Volumina im Inneren des Hörers über akustische Impedanzen und Leitungen so aufeinander abzustimmen, dass der optimale Klang erzielt wird. Das Know-how besteht aber nicht nur darin, die richtigen konstruktiven Maßnahmen zu setzen - auch die passenden Materialien und Rohstoffe müssen erst gefunden werden. So bestehen die Reibungselemente in der Trägerplatte aller hochwertigen Studiohörer aus besonders eng tolerierten Kunststoffgeweben, deren Impedanz sowohl im Real- als auch Imaginäranteil streng definiert wurde. Im Gegensatz zum relativ leicht messbaren Realteil solcher Impedanzen ist der frequenzabhängige Imaginärteil nur mit beträchtlichem Aufwand messtechnisch zugänglich.

Durch den engen Toleranzbereich der verwendeten Gewebe können die kritischen Einflüsse des Imaginäranteils hervorragend kontrolliert werden, was den akustischen Eigenschaften natürlich zugute kommt. Mit diesen Reibungselementen in der Trägerplatte wird nämlich jener Mittenbereich abgestimmt, in dem das menschliche Ohr am sensibelsten reagiert. Hier dürfen bei hochklassigen Kopfhörern keine Kompromisse gemacht werden, denn dieser Frequenzbereich ist entscheidend für analytische Anwender, die besonderen Wert auf Klangtreue legen.

Ein besonderer Wurf ist mit der Konstruktion des Rohres (6) gelungen. Akustisch gesehen stellt es einen gedämpften Wellenleiter dar, der die Rückseite des XXL-Wandlers direkt mit dem Volumen des Kardangehäuses verbindet. Im elektroakustischen Ersatzschaltbild kann dieses Rohr als Serienschaltung eines reellen Widerstandes mit einer Induktivität dargestellt werden. Trotz dieser einfach anmutenden Konstruktion ist damit eine ganze Fülle akustischer Leckerbissen verbunden.

Das auffälligste Merkmal ist mit Sicherheit die Tatsache, dass es durch die besondere Abstimmung aller beteiligten Komponenten gelungen ist, den Wellenleiter als Ersatz für die Außenöffnungen eines halboffenen Hörers zu benutzen. Das Volumen des Kardangehäuses simuliert dabei in gewisser Weise das Außenvolumen. Der gravierendste Nachteil geschlossener Hörer – nämlich die unbefriedigende Abstimmbarkeit im Bassbereich – wurde mittels dieser Konstruktion also elegant umgangen, ohne dass die guten Isolationseigenschaften des Hörers beeinträchtigt wurden.

Doch damit nicht genug - quasi als „Nebeneffekt“ wurden noch einige andere Eigenschaften entscheidend verbessert. So konnte auch der bei geschlossenen Hörern normalerweise unvermeidbare Occlusion-Effekt minimiert werden. Damit bezeichnet man den Höreindruck, wenn das Ohr dicht abgeschlossen wird und entstehende Druckdifferenzen dadurch nirgends mehr entweichen können. Das Resultat ist einfach nachzuvollziehen, indem man sich die Ohren zuhält und mit den Zähnen knirscht. Mit zugehaltenen Ohren nimmt man den über die eigenen Knochen geleiteten Körperschall bis zu Frequenzen von 2 kHz wesentlich stärker wahr.

Dieser Effekt tritt natürlich nicht nur bei zugehaltenen Ohren auf, sondern auch dann, wenn man sich geschlossene Hörer aufsetzt - denn auch hier wird das Ohr druckdicht abgeschlossen. Trotzdem ist dieser unerwünschte Effekt beim K 171 Studio und K 271 Studio viel schwächer ausgeprägt, denn das Rohr sorgt dafür, dass niederfrequente Druckschwankungen so ausgeglichen werden, als würde es sich um einen halboffenen Hörer handeln.

Bei der Konstruktion der beiden geschlossenen Studio-Kopfhörer wurde auch noch auf einen weiteren wichtigen Parameter Wert gelegt. So gelang es, den maximalen Schalldruck der Hörer nochmals zu verbessern, indem die Abstimmung auf minimalen Klirrfaktor optimiert wurde. Gerade der sprunghafte Anstieg des Klirrfaktors bei hoher Auslenkung von tiefen Frequenzen ist ein limitierender Faktor bei der Konstruktion von Wandlern und Kopfhörern. Auch hier konnte durch spezielle Abstimmung eine große Verbesserung erzielt werden. Tiefe Frequenzen werden im wesentlichen durch das Rohr (6) geführt, statt in das Rückvolumen (4) zu gelangen.

Dadurch wird die akustische Kopplung zwischen der Vorder- und Rückseite des Wandlers minimiert, was eine teilweise Auslöschung bei tiefen Frequenzen zur Folge gehabt hätte. Im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen benötigt der  Wandler dadurch viel weniger Hub um den gleichen Schalldruck zu erzeugen, was wiederum dem Klirrfaktor zugute kommt. Schlussendlich kann mit dem Laservibrometer leicht nachgewiesen werden, dass der Einsatz des Rohres die mechanischen Schwingungen der Gehäuseteile verringert und so einen weiteren Beitrag für einen ausgeglicheneren Frequenzgang leistet.

Kommen wir zu einem weiteren akustisch wichtigen Bauteil, nämlich dem Polster. Ein geschlossener Hörer soll idealer Weise gut am Ohr abdichten, ansonsten dürfte man ihn wohl kaum geschlossen nennen. Dadurch ergibt sich die Forderung an den Polster, dass auch er seinen Beitrag zur Schallisolation leisten muss, also akustisch möglichst gute Dämmwerte aufweisen soll. Dies wird durch eine kunstlederummantelte Schaumstofffüllung gewährleistet.

Aber wie sieht es im Inneren des eingeschlossenen Volumens aus? In einem abgeschlossenen Volumen können Reflexionen und damit auch Stehwellen auftreten. Letztere entstehen bei jenen Frequenzen, deren halbe Wellenlänge einem Vielfachen des Polster-Innendurchmessers entspricht und verursachen daher periodische Unregelmäßigkeiten im Frequenzgang des Hörers. Um dies zu verhindern, wird beim K 171 Studio das Material auf der nach innen zeigenden Seite des Polsters aus durchlässigem Stoff gefertigt. Damit  wirkt der Schaumstoff als sogenannter Wellensumpf, in dem sich einlaufende Schallwellen selbst dämpfen statt zu reflektieren. Reflexionen und Stehwellen werden auf diese Weise wirkungsvoll verhindert, bei gleichbleibend guter Außenschallisolation.

Weitere nützliche Eigenschaften

Neben all diesen technischen Neuerungen wurden auch viele der bewährten Eigenschaften von der Vorgängerfamilie übernommen oder im Detail verbessert. Ein oftmals unterschätztes Merkmal ist zum Beispiel das selbstjustierende Bügelband, das automatisch für optimale Sitzhöhe sorgt, ohne dass man manuell die Höhe justieren muss. Auch die bereits legendäre Flexibilität des Bügels wurde beibehalten und in ihrer Robustheit sogar noch verbessert. Dadurch lassen sich die Hörerhälften ohne Kraftaufwand gegeneinander verdrehen, wodurch sich beinahe jede beliebige Trageposition realisieren lässt. Auch einseitiges Abhören wird damit auf simple Weise ermöglicht, was für alle Anwender wichtig ist, die „immer ein Ohr frei haben müssen“.
 
Ein ebenso bereits beinahe legendäres Merkmal hochwertiger AKG-Hörer ist die unverändert gebliebene Kardanaufhängung. Sie sorgt automatisch für die optimale Position der Polster an der Ohrmuschel. Bei den Modellen K 141 Studio und K240 Studio befindet sie sich im Inneren der Gehäuse, beim K 171 Studio und K 271 Studio sitzt das Kardangehäuse frei sichtbar oberhalb des Kapselgehäuses.

Viel Lob hörte man in der AKG auch immer wieder über die Beschaffenheit der Ohrpolster. Nicht zu unrecht, denn gerade professionelle Anwender wissen die Eigenschaften des verwendeten Kunstleders seit langem zu schätzen. Neben den positiven akustischen Eigenschaften und dem guten Tragekomfort erfüllen die Polster auch höchste hygienische Ansprüche, da sie sich einfach reinigen lassen. Sollte eines Tages ein Austausch der Polster notwendig sein, so kann dies vom Besitzer selbst mit wenigen Handgriffen durchgeführt werden.

Ein ebenfalls wichtiger Austauschteil ist das Kabel. Verschiedene Anwendungen verlangen nach verschiedenen Kabeln, seien es nun spezielle Längen, besonders robuste Ausführungen oder die Variante als Spiralkabel. Diesem Wunsch professioneller Anwender kommt die AKG bei den neuen Studiohörern entgegen, indem das Kabel am Hörer steckbar ausgeführt wurde.
Als Kontakt wird ein hochwertiger miniaturisierter XLR-Stecker verwendet, der in der Studiotechnik seit langer Zeit Standard ist. Der Austausch von Kabeln wird damit zum Kinderspiel. Eine Auswahl von Originalkabeln in verschiedenen Ausführungen und Längen wird von AKG als Zubehör angeboten.

Alte und neue Träume

Mit den neuen professionellen Studio-Kopfhörern ist es AKG gelungen, innovative Technologien mit den bewährten Eigenschaften der bisherigen Modelle zu kombinieren. Für mich war diese Kombination ein wichtiges Anliegen, als ich mit der Projektleitung der neuen Kopfhörer-Generation beauftragt wurde. Denn immerhin war vor 20 Jahren ein AKG K141 Monitor mein erster eigener Kopfhörer, der mich durch viele Jahre meines Lebens begleitete und der mir in dieser Zeit dementsprechend ans Herz gewachsen ist.

In meinem Entwicklungsteam konnte ich auf die Erfahrung von Mitarbeitern vertrauen, die bereits an der Entwicklung des klassischen K 240 Monitor vor mehr als 24 Jahren beteiligt waren. Dass ich nach dieser langen Zeit bei der Entwicklung der nächsten Generation an vorderster Front selbst mitwirken durfte ist beinahe wie die Erfüllung eines geheimen Wunsches - als wären alte und neue Träume wahr geworden.

Dr. Richard Barnert
http://www.richardbarnert.com/

Der Autor

Dipl.-Ing. Mag.art. Dr.techn. Richard Barnert absolvierte ein Doppelstudium Kontrabass und Tontechnik, 1998 Promotion mit Auszeichnung auf dem Gebiet der digitalen Audiotechnik, Tätigkeit als Musiker, Toningenieur und Forscher, derzeit als Projektmanager bei AKG Acoustics GmbH tätig.