Wie erzeugen Kopf- und Ohrhörer gute Bässe, wenn winzige Lautsprecher niedrige Frequenzen nicht sehr gut erzeugen können?

Es gibt einige Gründe, warum kleine Lautsprecher Probleme haben, Bässe zu erzeugen.

1. Der Bass ist direkt proportional zur Luftmenge, die der Lautsprecher bewegen kann. Sie möchten also einen großen Kegel, der sich über eine große Entfernung bewegen kann. Das ist schwer in einer kleinen Box zu verpacken.
2. Ein herkömmlicher Konuslautsprecher hat eigentlich zwei Schallquellen: Die Vorderseite des Konus erzeugt Überdruck, während gleichzeitig die Rückseite des Konus Unterdruck erzeugt. Diese beiden Drücke müssen getrennt werden, sonst heben sie sich gegenseitig auf. Deshalb packst du einen Basslautsprecher in eine Kiste. Die Box enthält den Druck von der Rückseite des Kegels. Das bedeutet auch, dass der Lautsprecher die Luft in der Box komprimieren muss und die Luft zurückgedrückt wird. Je kleiner das Luftvolumen in der Box ist, desto stärker wird es zurückgedrückt und desto mehr Kraft ist erforderlich, um es zu komprimieren. Interessanterweise verbraucht ein kleiner Lautsprecher einen großen Teil seiner Energie, um die Luft in der Box zu komprimieren, und strahlt keinen Ton nach außen ab (was viel weniger Energie benötigt).
3. Lautsprecher erzeugen eine Kugelwelle, bei der der Schalldruck proportional zur Entfernung abfällt. Sie sind sehr laut, wenn Sie sehr nahe sind, aber der Schalldruck fällt SEHR schnell ab, wenn Sie sich entfernen.

Kopf- und Ohrhörer haben den Vorteil, dass sie sehr nah am Ohr sitzen, man also noch im „SEHR lauten“ Teil der Abstandsabhängigkeit arbeitet.

Das Sitzen auf dem Kopf kehrt das „Box“-Problem um. Sie müssen nur ein sehr geringes Volumen unter Druck setzen, während Sie den vergleichsweise größeren Gegendruck nach außen ablassen können. Da das Volumen so klein ist, ist nur sehr wenig Bewegung erforderlich. Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken: Ein Raumlautsprecher muss den gesamten Raum unter Druck setzen, ein Kopfhörer muss nur das winzig kleine Volumen im Luftkanal unter Druck setzen.

Die Basswiedergabe von Kopfhörern und Ohrhörern ist sehr empfindlich gegenüber der Luftdichtung zwischen der Ohrmuschel oder dem Ohrstöpsel und dem Körper. Jede Leckage führt zu einer gewissen Aufhebung des Vorder- und Gegendrucks. Es gibt Möglichkeiten, dies mit sogenannten "offenen Kopfhörern" zu umgehen, aber das ist wahrscheinlich zu tief für diese Antwort.

Das liegt eigentlich daran, dass Kopfhörer/Ohrhörer in direktem Kontakt mit Ihrem Ohr platziert werden und die Schallwellen daher nicht weit reisen müssen. Die Schallintensität nimmt ab$(\frac 1r)^2$, und nimmt daher ziemlich schnell ab, wenn man sich von der Quelle wegbewegt.

Da Kopfhörer/Ohrhörer nicht im Freien (oder in sehr wenig Luft) betrieben werden, müssen sie nicht so viel Energie erzeugen, um den Ton zu erzeugen, den Sie von entfernten Lautsprechern hören. Kopfhörer sind in engem Kontakt mit Ihrem Trommelfell und mit wenig Luft dazwischen, so dass ein großer Lautsprecherkegel, der vibriert, um Schallwellen mit hoher Amplitude (niedriger Frequenz) zu erzeugen (die wir als Bass hören), nicht benötigt wird, um die gleichen Klangeffekte zu erzeugen Sie erhalten Kopfhörer/Ohrhörer.

Schallwellen sind Druckwellen. Im Freien ist das Luftvolumen, das Sie bewegen müssen, um eine bestimmte Kompression zu erzeugen, proportional zur Wellenlänge. Aber in einem begrenzten Raum, der viel kleiner als eine Wellenlänge ist, muss nur die Luft in diesem begrenzten Raum bewegt werden, sodass Sie die gleiche Kompression für die gleiche Luftbewegung erhalten, unabhängig von der Wellenlänge.

Also, ich bin kein Experte, aber ich habe vor einigen Jahren in einem faszinierenden Buch mit dem Titel How Music Works (nicht von David Byrne) darüber gelesen , und es erklärte, wie Klänge einer bestimmten Grundfrequenz (ihrer ersten Harmonischen, der Frequenz, die wir verwenden würden eine bestimmte Note zu identifizieren), wird von unserem Gehirn als Grundfrequenz erkannt, auch wenn nur die anderen Harmonischen vorhanden sind, während die erste fehlt, was es kleinen Lautsprechern mit schlechter Fähigkeit zur Wiedergabe niedriger Frequenzen ermöglichen kann, einen tiefen Ton wiederzugeben Note, ohne die Grundfrequenz tatsächlich reproduzieren zu müssen.

Das Buch verwendet A ₂ als Beispiel, weil seine Grundfrequenz 110 Hz beträgt und es eine schöne einfache Zahl ist. Das macht seine zweite Harmonische zu 220 Hz und seine dritte zu 330 Hz usw. Und in einer normalen Note hören wir alle diese Harmonischen auf einmal, aber auf eine Weise, die sich bei 110 Hz wiederholt, sodass wir sie immer als diese Grundfrequenz identifizieren können.

Lassen Sie mich einige davon zitieren, bevor ich die Erklärung vollständig verstümmele:

Alle diese Schwingungen (mit vielen anderen) geschehen gleichzeitig als komplexer Tanz, der einen ganzen Zyklus mit der niedrigsten beteiligten Frequenz wiederholt – 110 Hz.

Einiges davon wird auch auf Wikipedia erklärt

Gestimmte Musikinstrumente basieren häufig auf einem akustischen Resonator wie einer Saite oder einer Luftsäule, die gleichzeitig in zahlreichen Moden schwingt. Bei den Frequenzen jedes Schwingungsmodus breiten sich Wellen in beide Richtungen entlang der Saite oder Luftsäule aus und verstärken und löschen sich gegenseitig, um stehende Wellen zu bilden. Die Wechselwirkung mit der Umgebungsluft verursacht hörbare Schallwellen, die sich vom Instrument weg ausbreiten. Aufgrund der typischen Abstände der Resonanzen beschränken sich diese Frequenzen meist auf ganzzahlige Vielfache oder Harmonische der tiefsten Frequenz, und solche Vielfachen bilden die harmonische Reihe.

Die Tonhöhe einer Note wird normalerweise als die niedrigste partielle Gegenwart (die Grundfrequenz) wahrgenommen, die durch Vibration über die gesamte Länge der Saite oder Luftsäule erzeugt werden kann, oder eine vom Spieler gewählte höhere Harmonische.

Also mehr aus dem Buch, wie sich das auf die vorliegende Frage bezieht:

Sehen Sie sich diese Sammlung von Frequenzen an. Zusammen bilden sie unseren alten Freund, den Ton A2, der eine Grundfrequenz von 110 Hz hat:

110 Hz, 220 Hz, 330 Hz, 440 Hz, 550 Hz, 660 Hz, 770 Hz usw.

Wie Sie wissen, setzt sich die Klangfarbe eines Instruments aus den unterschiedlichen Lautstärken dieser Zutaten innerhalb der Wellenform zusammen. Unabhängig von der Mischung der Zutaten erkennt unser Gehirn dies als einen Ton mit einer Gesamtfrequenz von 110 Hz. Selbst wenn die lauteste und stärkste Komponente 330 Hz wäre, würde das Gesamtmuster seinen Tanz nur 110 Mal pro Sekunde vollenden – die Grundfrequenz beträgt also 110 Hz.

Weiter:

Anstatt nur einen kleinen Beitrag zum Klang zu leisten, ist es möglich, dass eine der Harmonischen völlig stumm ist. Wenn beispielsweise die 770-Hz-Frequenz vollständig fehlt, würden wir die verbleibenden Obertöne immer noch als Teil einer Note hören, die eine Grundfrequenz von 110 Hz hat. Dies liegt daran, dass nur 110 Hz das Oberhaupt einer Familie sein kann, die 110 Hz, 220 Hz, 330 Hz usw. umfasst. Wir könnten mehrere der Harmonischen stumm schalten – und die Grundfrequenz wäre immer noch 110 Hz.

Nun das Merkwürdige: Wir können sogar die erste Harmonische entfernen, den Grundton – 110 Hz – und die Grundtonhöhe der Note, die wir hören, wäre immer noch 110 Hz. Das klingt ein wenig verrückt, aber es ist vollkommen wahr. Wenn Sie die folgende Sammlung von Frequenzen hören: 220 Hz, 330 Hz, 440 Hz, 550 Hz, 660 Hz, 770 Hz usw., hören Sie sie als Note mit einer Grundfrequenz von 110 Hz, obwohl der Ton diese Frequenz nicht enthält .

Und bringt es zusammen:

Heutzutage ist es möglich, aus kleinen Lautsprechern lächerlich tiefe Frequenzen herauszuholen, indem man sich die Idee des „fehlenden Fundamentals“ zunutze macht. _{Nehmen wir an, Ihr Lautsprecher wird bei Frequenzen unter 90 Hz nicht viel ausrichten, aber Sie möchten den Ton A 1} deutlich hören – und er hat eine Frequenz von 55 Hz. Wenn Sie Ihrem Lautsprecher die Harmonischen von 55 Hz ohne den Grundton (dh 110 Hz, 165 Hz, 220 Hz, 275 Hz) zuführen, hören Sie 55 Hz laut und klar, obwohl die niedrigste Frequenz, bei der sich Ihr Lautsprecher bewegt, 110 Hz beträgt.

Ich vermute, dass hier Nahfeldeffekte eine wichtige Sache sind.

Ein Teil des Problems für die Bassemission von kleinen Lautsprechern ist der Effekt des akustischen Kurzschlusses . Wenn sich die Membran bewegt, bewegt sich die Luft um die Membran herum und hebt die Emission im Fernfeld auf.

(Bassreflexboxen sind eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu mildern).

Kopfhörer mildern dies ab, indem sie Dämpfungsmaterial im Weg des akustischen Kurzschlusses haben. (Wie das Ohr bei In-Ear-Lautsprechern oder die Muffe bei normalen Kopfhörern.) Außerdem ist der Abstand zwischen Ohr und Lautsprecher auf der Skala der Membrangröße und auf diesen kurzen Distanzen das Nahfeld Komponenten des akustischen Feldes (die mit höheren Leistungen abfallen als$1/r^2$). Das ist die Partikelbewegung, die den akustischen Kurzschluss verursacht – sie fällt mit zunehmender Entfernung schnell ab, trägt aber zum membrannahen Druck bei.

Die Längenskala, auf der die Nahfeldeffekte relevant sind, hängt von der Wellenlänge ab – also sind die Längenskalen, auf denen die Nahfeldeffekte relevant sind, für den hochfrequenten und den niederfrequenten Anteil unterschiedlich.

Ich stelle Ihre Prämisse in Frage, dass kleine / winzige Lautsprecher niedrige Frequenzen nicht sehr gut erzeugen können.
Sie können das vollkommen gut, nur nicht in der Lautstärke, die Sie in freistehenden Lautsprechern benötigen.

Über oder im Ohr getragen braucht man nicht viel Lautstärke und das ist der einfache Grund dafür, dass Kopf- und Ohrhörer einen guten Bass erzeugen.

Um zu versuchen, zusammenzufassen, was andere gesagt haben:

Bei hohen Frequenzen muss ein Lautsprecher schnell kleine Luftmengen unter Druck setzen. Niedrige Frequenzen erfordern, dass ein Lautsprecher viel Luft langsamer unter Druck setzt. Ein Kopfhörerlautsprecher übernimmt beide Aufgaben für das kleine Luftvolumen in Ihrem Gehörgang. In einem großen Raum müssen Sie jedoch viel mehr Luft bewegen, was bedeutet, dass Sie größere Lautsprecher für tiefe Töne benötigen. Aber diese Lautsprecher sind nicht gut darin, sich schnell zu bewegen, also brauchen Sie auch kleine Lautsprecher für die hohen Töne.

Der Abfall über die Entfernung ist in beiden Szenarien nicht besonders relevant.

Stellen Sie sich vor, Sie wären eine kleine Person, die vor der Hörmuschel steht. Es erzeugt sowohl Bassklänge als auch Hochfrequenzklänge. Wenn Sie sich ganz nah an das Stück stellen, werden die Bassklänge wie ein großformatiger Lautsprecher in der Welt der Erwachsenen im Magen zu spüren sein. Aber wegen der relativ großen Bewegungen, die mit dem Bassklang verbunden sind, zerstreut er seine Energie schnell in der Luft. Deshalb hört man den Bass nicht, wenn man den Hörer weit vom Ohr entfernt hält. Genauso wie die Bässe weg sind oder abgeschwächt werden, wenn man normal große Spieluhren aus der Ferne hört.