[Guide] Ausgangsimpedanz / Dämpfungsfaktor

CatweazleX

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Kann man das so stehen lassen?
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Dyn. Schallwandler

Ein dynamischer Schallwandler besteht aus der Membran, der Spule die an der Membran befestigt ist und einem Festmagneten. Die Spule bewegt sich innerhalb eines Luftschlitzes des Festmagneten.

Die Spule und die Membran ergeben ein Federsystem. Wenn ein Impuls angelegt wird, schwingt die Spule und die Membran danach aus.
Um unerwünschtes Schwingverhalten in den Griff zu bekommen, kann eine steife Membran verwendet und/oder die Spule leichter gemacht werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit die Spule auf elektromagnetischem Wege als Stoßdämpfer zu nutzen.

Schauen wir uns an, was bei der aufsteigenden Flanke eines Rechtecksignals passiert.
Die Membran die sich in der Ruheposition befindet, soll schlagartig zu dem Punkt bewegt werden, wie vom Signal vorgegeben.
Die Spule bekommt nun die Spannung und muss sich zunächst erst einmal aufladen. Wie ein Kondensator ist die Spule auch ein Energiespeicher. Während des Aufladevorgangs baut die Spule das magnetische Feld auf. Wenn die magnetische Kraft groß genug ist, für das Gewicht von Spule und Membran, beginnt sich das System zu bewegen. Durch den Ladevorgang und Trägheit der Maße entsteht hier schon einen Verzögerung gegenüber dem Signal. Ist die Spule nun an dem Punkt angekommen, an der sie eigentlich zu stehen kommen soll, muss wieder Kraft aufgewendet werden um das beschleunigte System zu bremsen. Da die Membran stets in der Ruheposition verharren möchte, sorgt sie für diesen Bremsvorgang. Dennoch schießt das System übers Ziel hinaus. Auf dem Weg zurück zum gewünschten Punkt, wird Spannung induziert die der angelegten Spannung entgegen wirkt. Sie fließt zunächst zum Verstärker, über die Ausgangsimpedanz und dann zurück zu Spule. Das bedeutet, die in der Spule gespeicherte/induzierte Spannung kann für den Bremsvorgang genutzt werden. Das System schwingt sich auf die vom Signal vorgegeben Position ein.

Eine steife Membran hat den Vorteil, das sie einfach hohe Luftdruckveränderungen erzeugen kann, und das Federsystem besser dämpft. Allerdings hat sie Probleme höhere Frequenzen wiederzugeben, weil sie sich nicht schnell genug bewegen kann.. Es ist auch mehr magnetische Kraft nötig um sie in Bewegung zu setzen.
Je mehr magnetische Kraft zu Verfügung steht, um so besser läßt sich das System kontrollieren. Um die magnetische Kraft zu erhöhen, muss die Spule nur mehr Windungen haben. Es wird als mehr Draht benötigt, wodurch das Gewicht steigt, und das System wieder mehr zum Schwingen neigt.
Um Gewicht zu sparen kann man dünnen Draht verwenden, und die Impedanz steigt. Bei einem stärkerem Festmagneten kann die Spule auch was schwächer ausfallen.

Wenn ein System zu stark bedämpft wird, kann es kurzen Impulsen in der Musik nicht richtig folgen, oder bügelt sie einfach weg. Das was dann noch dargestellt wird, ist allerdings sehr klar. Auf der anderen Seite würde es etwas krätzig klingen, da Töne nicht richtig ausgespielt werden (Das System kommt zu schnell wieder zur Ruhe). Systeme die eher nicht gedämpft sind, geben Impulse zu laut wieder und Schwingen dann noch nach. Das bedeutet, das sie matchig klingen, und eigentlich nur gößere Lautstärkeänderungen darstellen können. Das klingt fetzig, aber Auflösungsvermögen und räumliche Darstellung gehen verloren.

Die Aufgabe besteht darin, das richtige Gewicht zwischen Empfindlichkeit und Dämpfung zu finden.
Da gibt es zum Beispiel kritisch abgestimmte. Das bedeutet, das sie zugunsten der Impulstreue etwas stärker gedämpft sind. Andere möchten kraftvoll klingen, und werden weniger gedämpft.


Die Ausgangsimpedanz

Bei älteren Verstärkern wurde das Signal von Endstufen (für die Lautsprecher) einfach nach vorne auf die Kopfhörerbuchse gelegt. Da die Spannung dann zu hoch ist für einen Kopfhörer, wurde dann ein Widerstand in Reihe geschaltet. Diese einfache Idee hatte dann noch weitere Vorteile. Beim Einstecken des Klinkersteckers werden kurzzeitig Signal und Minus kurzgeschlossen, was die Endstufen zerstören kann. Der Widerstand begrenzt nebenbei den maximalen Stromfluß und die Schaltung ist geschützt. Die Ausgangsimpedanz und die Kopfhörerimpedanz ergeben zusammen einen Spannungsteiler. Bei niederohmigen Kopfhörern fällt mehr Spannung an der Ausgangsimpedanz ab, als am Kopfhörer selber. Bei höherohmigen Kopfhörern fällt weniger Spannung an der Ausgangsimpedanz ab. Das Ergebnis ist, das im Idealfall der Regelbereich für die Lautstärke gleich groß ist, unabhängig von der Kopfhörerimpedanz.
Der Nachteil ist, das die Kopfhörerimpedanz nicht bei jeder Frequenz gleich groß ist, was dazu führt das der Spannungsteiler frequenzabhängig wird. Und der Frequenzgang des Kopfhörers sich verändert. Diese Änderung kann aber durchaus vom Kopfhörerhersteller berücksichtigt werden.

Wie weiter oben geschrieben, fließt die gespeicherte/induzierte Spannung der Spule über die Ausgangsimpedanz des Verstärkers. Je höher diese Ausgangsimpedanz ist, desto langsamer kann sich die Spule entladen, und die Entladespannung ist auch geringer. Normalerweise ist sie genauso hoch wie die Spannung mit der die Spule geladen wurde. Das führt dazu das die Schwingung des Spule/Membran System weniger gedämpft wird. Die Marketingabteilung hat sich hier den Begriff Dämpfungsfaktor (und auch die Formel) ausgedacht. Sie wird berechnet indem man die Kopfhörerimpedanz durch die Ausgangsimpedanz teilt. Das ergibt schöne verkaufsträchtige große Zahlen.

Bei einem kritisch abgestimmten System, ist es allerdings gewünscht das es nicht so stark bedämpft wird. Hier wurde eine Ausgangsimpedanz berücksichtigt. Zum Beispiel klingt ein Beyer T1 an einer 100 Ohm Ausgangsimpedanz weicher und angenehmer.
Bei einem System das auf „Kraftvoll“ getrimmt ist, ist es allerdings wünschenswert es so gut wie möglich zu dämpfen. Da ist eine 0 Ohm Ausgangsimpedanz klangfördernt.

Es ist also nicht richtig zu sagen, nur an 0-Ohm Ausgangsimpedanz klingt der Kopfhörer wie er soll. Er klingt nur dann wie er soll, wenn an dem System hängt, welches auch der Entwickler benutzt hat.
Leider gibt es keine Angabe ob der Kopfhörer auf einen bestimmte Ausgangsimpedanz hin entwickelt wurde. Es gibt einen Standard an dem sich niemand halten muss von 120 Ohm. Es gibt auch keine Angabe ob einer Kopfhörer eher kritisch abgestimmt ist oder nicht.
Wenn er krätzig klingt, wäre es ein Versuch wert ihn mit einer Quelle mit höherer Ausgangsimpedanz zu verbinden. Wenn er matchig / butterweich klingt, wäre es einen Versuch wert ihn mit einer Quelle niedriger Ausgangsimpedanz zu verbinden.
Generell sollte man auf Kopfhörer verzichten die nur an 0-Ohm gut klingen, da es nur weniger Verstärker gibt die wirklich einen 0-Ohm Ausgang haben.

Höherohmige Kopfhörer reagieren auch weniger auf die Ausgangsimpedanz. Sind allerdings für den mobilen Gebrauch eher ungeeignet.

Um die Änderung beim Frequenzverlauf vorher zu ermitteln, kann man den Impedanzverlauf zu Hilfe nehmen. Wenn die Impedanz höher wird, fällt auch mehr Spannung am Kopfhörer ab, und es wird in dem Bereich lauter. Meistens betrifft es die oberen Bass / unteren Mitten. Und eine Erhöhung bei den Höhen. Ist der Impedanzverlauf linear , ändert sich der Frequenzverlauf des Kopfhörers auch nicht.
 
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