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Disadvantages of onboard sound – Influence of graphics card, headphone sensitivity and motherboard layout | Update 2022

Disclaimer: The following article is machine translated from the original German, and has not been edited or checked for errors. Thank you for understanding!

There is a newer version of this article! Please continue reading here:

Onboard sound disadvantages, problems, workarounds, external and internal solutions, headphone guide and basics

Old review:

Headphone sensitivity, amplifier power and amplification (gain)

I now generously declare the fed signals to be the ideal case and deliberately leave things like the graphics card under full load out of it. That will come later. First, we’ll take a look at what actually “comes out” of a normal, average motherboard and why different headphones can reach significantly different volume levels under certain circumstances.

This is exactly where a very important manufacturer’s specification comes into focus, which our dear horn manufacturers like to keep quiet about. One thing I’ll say first: the right impedance does not necessarily mean that the headphones (or the headset) will automatically play well and loud enough!

The most important factor for the harmony between amplifier and headphones is its so-called sensitivity. This provides information about the minimum output power that an amplifier must deliver at the impedance of the headphones in question in order for them to reach a certain volume level.

A suitable headphone amplifier therefore offers enough maximum power at the output, as well as enough gain to reach the desired power level with a certain source at all, because the sources also vary greatly in their level, regardless of whether in-game sound or external feeds (CD, BR) are listened to.

To make a long story short: a quiet source must be able to be amplified well enough for the headphone amplifier (onboard or external) to reach full output at all. However, this full level must then also be sufficiently high to also get the headphones to a desired volume level. Otherwise, it will either remain quiet, or it will already distort because the amplifier has to overdrive to make it loud at all.

I don’t presume to provide exact measurements of the distortion factor for the motherboard at this point, but I also want to make it clear and prove with measurements how beautiful and how often marketing bubbles can miss the mark. If the appropriate output power is missing, even the best Japanese gold capacitors are of no use. And it is precisely this circumstance that is now at issue

What do Vrms mean and how do you calculate the output power?

Power is the product of voltage and current. But since I only measure voltages here and no currents, the formula can (and must) be rearranged quite easily, because I deliberately work with (stable) ohmic load resistances that I know. And don’t worry that it’s going to be complicated now, because it’s really simple! Let’s just look at the motherboard measurement, where I determined the maximum distortion-free output voltage Vrms of this model at 1 KHz and 32 ohms:

While the upper graph shows several waves of the 1 kHz sine wave, I have zoomed out a half wave for the lower graph, also to show that the curve is still displayed reasonably cleanly even at the peak. So nothing distorts here yet and I can use the determined value for Vrms with a clear conscience. We can also see very nicely in the picture that the maximum voltage is actually 0.678 volts.

However, since the effective voltage Vrms has been used for years (root mean square) and I want to remain comparable, I have fixed this calculation and from now on refer only to this effective value. So the mainboard delivers a maximum of 0.4691 Vrms at 32 ohms. But what does this mean for the output power? If you now remember the famous URI triangle of Ohm’s law, you can rearrange the formula very easily.

Now just multiply Vrms (U) by itself and then divide this by the resistance (R) to get the power (P = U x I). So I calculate (0.4691 Vrms)² / 32 ohms = 6.8 mW RMS. The amplifier produces just under 7 mW RMS at 32 ohms, which is again quite ridiculous. Especially since the pure sine power with (0.678 V)² / 32 ohms = 14 mW sine looks like more at first glance, but in the end it loses significance with complex sounds.

Now we at least also know why the wattage specifications in RMS are used on the speakers and amplifiers. About 20 years ago and earlier, output power was specified in watts of continuous sine wave power at 1 KHz. But since almost everyone has now bowed to the dictates with the RMS and thus the chaos is perfect for the layman, I also stick to the Vrms and Watt RMS, even if it looks a bit more complicated.

But what actually happens to high-impedance transducers? Again, this is easy to calculate, because for Vrms I measure without distortion up to 1.2559 Vrms. So the maximum output power at 1 KHz into 500 ohms is (1.2559 Vrms)² / 500 ohms = 3.15 mW RMS! This is only half of what I could measure at 32 ohms!

Since the manufacturers often only specify the power in watts and deliberately omit the abbreviation RMS, I will also handle this in the following text so that the quoted manufacturer specifications and the curves do not confuse us. However, this does not make it any more correct.

Good amplifiers therefore have a so-called “gain” switch, which ensures that the voltage at the output is increased by a resulting higher amplification factor. This is automatically accompanied by an increased output power, which is needed for higher volume levels. However, the gain switch is primarily intended for a voltage increase in order to still achieve the maximum output power at higher impedances.

Output power and sound level

With an output power of less than 10 mW, the desired volume level is rarely reached, and those who want to use high-impedance headphones are virtually punished with the onboard sound. This sounds thin and false and also distorts at the slightest sneeze! If you buy headphones, the so-called sensitivity is therefore a very important indicator of how loud it can be operated at all in the end, i.e. what sound pressure level (SPL) it can still cleanly achieve at what amplifier power.

The only thing is that a certain sound pressure is not always generated in the same way. A lot depends on the material being played, so if you’re aiming for an average, well-tolerated level (SPL) of, say, 85 dB (safe for children and not damaging in the long run), you should add another 25 to 30 dB for the peaks of, say, classical music and its high dynamic range (Wide Dynamic Range). This also applies to good games with 12 to 18 dB. Pop music, on the other hand, is usually “only” 8 to 12 dB markup as a rule of thumb.

Stupidly, manufacturers specify either milliwatts (mW) or required rms voltage (Vrms) for a given SPL value. Or nothing at all. And now we also know why I had to reckon with you in the previous section, because now you can care about the different specifications, as long as something was specified at all! We can now convert it ourselves.

My Beyerdynamic Amiron Home, for example, is rated at 102 dB / 1 mW, which would theoretically even come close with the 3.15 mW of the motherboard at 500 ohms, because the impedance of the headphones is 250 ohms, which is still significantly lower. But – and here comes the nasty but: we also need the peak SPL for a good dynamic reproduction without distortions! For example, to achieve 115 dB (85 dB average + 30 dB peak boost), I would need almost 20 mW, which the onboard sound can’t deliver at all.

Depending on the headphone quality and the resulting sensitivity, up to 1 watt output power at the required impedance was needed for the 115 dB SPL as the assumed peak value! Onboard sound (with a few exceptions) can never deliver something like this! And now we also know why the dynamics on the motherboard don’t work and why some things just sound horrible, even have to sound horrible. The better (and more sensitive) the headphones, the better it still harmonizes with the motherboards. But good is almost always not, just less bad.

For the lazy ones I have prepared something… The first table shows us rather poor headphones with a sensitivity of 85 dB/mW up to 94 dB/mW and what amplifier power must be applied to achieve between 90 and 115 dB maximum sound pressure level. Whether the parts can withstand and survive this at all is, of course, another matter.

Here I would still have the slightly better headphones, where it is limited with the output power.

 

Interim summary

This should also make the purpose of a good headphone amplifier clear: it always provides a sufficiently high output power or Vrms to be able to play back pieces with a high dynamic range without distortion and limitation. Sound at children’s room volume or not, this is about pushing the technology to the limit. This is exactly why the approach of some blind tests to use the highest possible quality and most expensive headphones for such tests on the motherboard is completely misleading.

Because these very high-priced specimens are extremely sensitive and require much lower output power than the usual suspects with under 100 dB / mW. What is just fine with the noble headphones on the motherboard, as long as you listen to music in idle, is a big mess with the normal headphones. And usually these are not even to blame for the dilemma! That’s why I always measure headphones on a high-quality end device to rule out exactly this problem from the start.

The more insensitive the headphones are, the better the headphone amplifier must deliver. And this is exactly where the inexpensive onboard solutions almost always reach their limits. By the way, this also affects many headphones with a built-in USB sound card, because the provider does not consider what his headphones really need. But that would really be the point where the industry would play along again and offer things that you can use with a clear conscience.

That’s why I think the usual tests of motherboards with a few OC benchmarks are a bit incomplete and I can only advise the colleagues to also measure the output power and Vrms. Because exactly this information is essential and yet never found in the motherboards’ data sheets.

In our motherboard tests, which will soon be included in the program again, I will therefore deliberately also measure and evaluate the audio area completely in addition to the individual partial voltages and their detailed performance recordings. The unboxing and visually very marketable admiration may then take over the young gentlemen with the camera in the tube.

 

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Case39

Urgestein

2,503 Kommentare 930 Likes

Erstmal frohes Fest allen im Forum. Wie verhält es sich mit Stereolautsprechern und Onboard Sound (und wo wir grad dabei sind, welche kannst du empfehlen?)

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Igor Wallossek

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10,201 Kommentare 18,826 Likes

Aus der Sicht der Transienten und Intermodulation würde ich gar nichts analog Angeschlossenes empfehlen.

Wer es clever anstellen will: einfach einen Satz Aktivlautsprecher mit eigenen Wandlern bestellen (USB oder SPDIF). Klingt hörbar besser und ist frei vom üblichen DSP-Gedöns der Treiber. Für den Desktop (Geld vorausgesetzt) ein Paar Nubert nuPro A100 oder A200 und ggf. einen Sub dazu. Ansonsten Wavemaster, Edifier oder gleich einen Satz Aktivmonitore aus der Studiotechnik. Die gibt es schon recht günstig:

https://www.thomann.de/de/aktive_nahfeldmonitore.html?ref=search_prv_0

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Deridex

Urgestein

2,213 Kommentare 846 Likes

Schöne Analyse Igor.

Aus Entwicklungs- und Layouttechnischer Sicht, wäre es meiner Meinung sogar möglich, die Störungen und das Überkoppeln zu reduzieren.
1. Jeden PCIe-Slot mit mehrstufigen Block-Kondensatoren ausstatten. Ist leider mit einem einzigen Kondensator nicht getan, da man ja einen größeren Frequenzbereich abdecken will
2. Konsequente Trennung von Analog und Digitalteil auf dem Layout. Hier muss durchaus etwas Abstand zwischen den Leiterbahnen gehalten werden, da die digitalen Flanken sonst kapazitiv überkoppeln
3. Saubere Trennung der Massen.

So oder so ist das mit Aufwand und Kosten verbunden. Zusätzlich verschlimmert eine dimmbare RGB-Beleuchtungen die Thematik noch weiter.

Edit: Wünsche euch allen schöne, ruhige und entspannten Feiertage! Und Tippfehler korrigiert.

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Dezor

Veteran

492 Kommentare 215 Likes

Zunächst mal danke für diesen (wiedermal) umfangreichen Test.

Als ich mir vor ~2 meinen Beyerdynamic Kopfhörer gegönnt habe, musste ich mir auch ein neues externes Soundinterface zulegen, der Unterschied war mehr als deutlich zu hören, selbst bei meinen "Holzohren". Inzwischen hängt das Mischpult am MacBook und der PC Sound wird beim Zocken von der internen Soundkarte durchgeschleift. Ja, man hört die Störgeräusche leider mehr als deutlich. Aber da ich über das MacBook Videos gucke, Musik höre und Teamspeak benutze, ist mir das so wichtiger. Die meiste Zeit ist der Sound vom PC sowieso aus.

Zum Test: Ein kleiner Fehler ist mir auf Seite 2 aufgefallen. Die Sinusleistung liegt bei 14 mW, nicht bei 1,4 mW (oder ich finde meinen Denkfehler nicht). Zudem könntest du wenn du Langeweile hast mal gucken, ob du die Störgeräusche durch Fouriertransformation oder Abziehen eines Sinus von den gemessenen Werten noch deutlicher machen kannst.

Ansonsten: schöne Feiertage.

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Bas3s3to

Mitglied

30 Kommentare 5 Likes

Vielen Dank Igor für diesen Test. Wäre es möglich für die Zukunft auch den Mikrofoneingang zu messen? Ein Freund von mir hat mit seiner internen Soundkarte massive Probleme mit dem Mikrofoneingang, wenn seine Grafikkarte auf volle Leistung in Spielen getrieben wird. Im Teamspeak klingt seine Audioübertragung dann so, als ob er in einem Hubschrauber sitzt. Man kann sehr gut das Taktverhalten der Grafikkarte hören, die dann in den Mikrofonkanal Störgeräusche einstrahlt. Das ist ihm zuerst aufgefallen, als er sich ein ModMic für seine Beyerdynamic Kopfhörer geholt hat. Zuerst hat er sich mit dem Onboard Mikrofoneingang beholfen, nutzt nun aber ein USB-Audiointerface (Yamaha AG03). Das ModMic wurde mittlerweile von einem Kondensatormikrofon (Rode NT-1A) abgelöst.

Kann es sein, dass bei der Rechnung (0,678 V)² / 32 Ohm = 1,4 mW Sinus ein kleiner Fehler drin ist? Wenn ich das ausrechne, komme ich auf 14,37 mW. Dann wäre bei einem reinen Sinus Signal die Leistung doppelt so hoch wie beim Vrms Wert. Das würde dann auch den abfallenden Lautstärke Effekt erklären, den viele Personen bei komplexeren Signalen empfinden. Bei einfachen Signalen ist die Lautstärke ausreichend und bricht dann bei komplexeren Signalen ein.

Ich wünsche allen fröhliche Weihnachten

Edit: War grade am schreiben, als Dezor den gleichen Gedanken wie ich mit der Rechnung auf Seite 2 geposted hat.

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Igor Wallossek

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10,201 Kommentare 18,826 Likes

Klar. Kommastelle und so. Danke fürs Finden :)

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Bas3s3to

Mitglied

30 Kommentare 5 Likes

Passiert mir auch immer wieder ;) Gerade bei kleinen Werten passiert das ganz schnell. War nur etwas stutzig geworden, da das Ergebnis der Rechnung mit dem größeren Wert ein kleineres Ergebnis ergab. Deswegen hatte ich das nochmal nachgerechnet.

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Igor Wallossek

1

10,201 Kommentare 18,826 Likes

Ich hatte unlängst eine längere Diskussion mit einem Audiotechniker und -Entwickler, was die RMS-Angaben betrifft. Früher gab es Sinusleistung und Musikleistung, mache schrieben von Impulsleistung und dem, was ein "weiches" Netzteil mit möglichst großen Kondensatoren ausmacht. Auch diese Dinge waren nicht zwingend pauschal zu verstehen und zu verallgemeinern. :D

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g
ge0815

Neuling

8 Kommentare 5 Likes

Erstmal: Frohe Weihnachten auch an Dich und Dein Team!
Wunderbarer Artikel mal wieder. Um ehrlich zu sein, haben mich Lautsprecher- und Kopfhörertests nie so brennend interessiert, aber das hier ist wirklich erste Sahne und weckt das Interesse für die anderen Artikel.
Ich sehe es schon kommen, dass in nicht mal einem Jahr einige Motherboard-Herstelle auch angesprochene Werte angeben und wieder mehr Wert darauf legen.
Igor setzt eben Maßstäbe :)

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Bas3s3to

Mitglied

30 Kommentare 5 Likes

Ich kann mich auch noch an diese abstrusen PMPO Angaben erinnern, wo einfache Boxen auf einmal 1000 W haben sollten. Das es sich dabei nur um kurzzeitige Impuls Werte gehandelt hat, haben die Marketingabteilungen von so manchem Discounter nicht interessiert.

Bei Instrumentenverstärkern ist das auch ähnlich. Als ich damals mit dem E-Bass angefangen habe, wurde immer empfohlen, einen Verstärker mit der drei- bis fünffachen Leistung des Verstärkers des Gitarristen zu nehmen. Ich habe mir aber bewusst einen kleineren Übungsverstärker mit 150 W besorgt, den ich über die Anschlüsse auch ins Mischpult und die PA-Anlage speisen kann. Auch waren die Tipps zum Soundmischen aus dem Bereich Homerecording sehr hilfreich. Durch die Tipps haben wir die Instrumente von den Frequenzen her etwas entzerrt, um Interferenzen zu verhindern. Das hat aus einem muffig klingenden Sound einen recht knackigen Sound gemacht. Man muss halt immer über den Tellerrand schauen und sich nicht mit den allgemeinen Tipps zufrieden geben :D

Und um wieder zurück zum Thema zu kommen ;):

Wie könnte man auf einem Mainboard den Audioteil gut vor Störsignalen der Grafikkarte abschirmen? Da auf dem Mainboard alles so eng zusammenliegt, könnte ich mir das durchaus als schwierige, wenn nicht sogar als unmögliche Aufgabe vorstellen. Wobei ich vermute, dass vor allem die Eingangsseite (Mikrofon) am schwierigsten abzuschirmen ist.

Das die Empfehlung zu einer vollkommenen elektrischen Trennung von Computer und Audioverstärker mittels optischer Signalübertragung der beste Weg ist, steht außer Frage. Nicht umsonst haben viele professionelle Audiogeräte optische Ein- und Ausgänge.

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Deridex

Urgestein

2,213 Kommentare 846 Likes

Bei kleinen Mainboards dürfte das wirklich schwierig werden. Allerdings erscheint es mir durchaus machbar bei einem AM4 oder LGA1151 Board im ATX-Format, das Layout so anzupassen, das der Audioteil weniger gestört wird.

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K
KalleWirsch

Veteran

186 Kommentare 91 Likes

Sehr gut und verständlich geschrieben. Daher ein dickes Lob.

Allerdings wird hier immer vom Szenario Kopfhörer an Soundkarte ausgegangen. Wie kann man die Erkenntnisse denn auf die Situation übertragen, wenn man mit dem analogen Audio Signal erst mal in einen Verstärker geht und dort den Kopfhörer anschließt?

Im Grunde braucht man doch eh immer einen externen Verstärker, den für mich ist ein Kopfhörer irgendwie immer erst mal ein Komfort-Problem, welches das Hör-Erlebnis erheblich beeinträchtigt.

Ich vermute das Problem mit den Störsignalen ist da genauso hoch? Oder größer oder niedriger?
Das Problem mit der zu niedrigen Ausgangspannung für Kopfhörer dürfte ja je nach Verstärker eher ausgeschlossen sein.

Wenn schon Kopfhörer am PC, dann doch am liebsten einen Mittelklasse HIFI-Verträrker in der Tastatur oder am Monitor, so das man das Problemlos ein und austecken kann.

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D
Dezor

Veteran

492 Kommentare 215 Likes

Grundsätzlich schon. Dann müsste die GPU wahrscheinlich möglichst weit unten sitzen und der Audio-Chip dort, wo normalerweise der erste Slot für Erweiterungskarten ist. Ansonsten müsste man auf dem Weg zu den Klinkenbuchsen wieder an der GPU vorbei.

Das Problem ist, dass du das gestörte Signal verstärkst und damit auch die Störungen. Allerdings könnte es tatsächlich etwas besser sein, wenn du in Windows den maximalen Pegel wählst und dann beim Verstärker die Lautstärke dann regelst. Aber das hängt davon ab, wo die Störungen eingekoppelt werden.

Da kommt es dann drauf an, wo der DA-Wandler sitzt. Weit entfernt von der GPU ist schonmal gut, aber ich vermute mal stark, dass in Tastaturen und Monitoren keine wirklich hochwertige Hardware zum Einsatz kommt. Die Soundqualität dürfte damit deutlich schlechter sein als bei hochwertigen externen Soundkarten. Aber die Störgeräusche, um die es in diesem Artikel primär geht, sollten dadurch weitgehend verhindert werden.

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Igor Wallossek

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10,201 Kommentare 18,826 Likes

Steht alles im Artikel. Seite 3.

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Corro Dedd

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1,815 Kommentare 674 Likes

Digitale Aus- bzw. Eingänge haben aber anscheinend auch ihre Tücken. Habe meinem Kumpel die Edifier Studio R2000DB empfohlen, diese sollte er über Toslink anklemmen, hat soweit auch funktioniert, nur hat er zwei Probleme:

Zum einen ist seine Steckerleiste und der PC auf der linken Seite vom Tisch, zudem auch die optische Leitung nicht lang genug, also sind die Seiten vertauscht. Ohne Drittanbietersoftware war es (auch im Treibermenü) nicht möglich unter Windows 10 die Kanäle zu tauschen. Also doch analog angeschlossen mit dem beigelegten Klinke-Cinch Kabel war es dann auch ganz einfach physikalisch möglich die Kanäle zu tauschen.

Gut, man könnte jetzt halt ein Verlängerungskabel kaufen, ein längeres Toslink und das Problem wäre gegessen, aber dann bleibt noch ein weiteres Problem mit dem Digitaleingang: Er hatte ein Knacksen in den Lautsprechern, auch wenn keine Audioquelle ein Signal ausgab. Viele Meinungen besagen, das sind Störungen, eingestreut durch Kühlschrank, Backofen, whatever, oder eine fehlerhafte Auto-Mute Funktion der Lautsprecher, wenn kein Signal anliegt, mein Tablet macht so ähnliche Geräusche beim Abspielen von YouTube Videos im Browser zum Beispiel.

Man kann bei den Edifiern wohl die Firmware updaten, das Auto-Mute Problem ist schon länger bekannt. Aber ich weiß nicht, ob der das schon gemacht hat. Dafür hat er weiter recherchiert und nun scheint es eine Kombination aus NVidia Grafikkarte, Z370 Chipsatz, ALC 1220 Chip und Digital-out zu sein, wobei die Ursache wohl im Nvidia Treiber liegen soll. Andererseits hat er ein Board mit Z390.

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Igor Wallossek

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10,201 Kommentare 18,826 Likes

Z390 ist quasi Z370. Hochgelabelt ;)

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FfFCMAD

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670 Kommentare 174 Likes

Schoener Artikel, Igor

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arcDaniel

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1,603 Kommentare 870 Likes

Ich habe den Artikel spannend gelesen und noch einen weiteren Fall wo ich deine @Igor Wallossek Einschätzung lesen möchte.

Wenn ich nun meine aktiven Lautspecher am Bildschirm anschliesse und welcher wiederum den "digitalen sound" übers DisplayPort oder HDMI bekommt, in welcher Katergorie würden wir uns denn bewegen? Externe Soundkarte? MB Intern im Idle? Kann der Monitor stärkere Stögeräusche als das Innenleben eines PCs verursachen? oder vielleicht weniger?

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g
guggi

Mitglied

27 Kommentare 17 Likes

Hab mich jetzt auch endlich angemeldet, super Artikel seit der Umstrukturierung!
Die "Macht" einer Grafikkarte musste ich auch erst vor kurzem erleben, hatte seit Ewigkeiten Probleme mit dem WLAN und war kurz vorm verzweifeln. Ein Slot mehr Abstand zur Graka und schon war das Problem deutlich gelindert, dafür hörte man jede mausbewegung in den Lautsprechern, da sich jetzt die Soundkarte zur Graka kuscheln durfe. Also wurde es eben eine externe Lösung fürs Netzwerk.
Aber zurück zum Thema: Wie schlägt sich denn eine vor Jahren gern empfohlene Budget-Headset-Lösung gegen aktuelle (onboard)-Hardware? Konkret handelt es sich dabei um einen umgelabelten Superlux-kopfhörer, den Presonus HD7 in Kombination mit einer Xonar DGX. Die Soundkarte musste sein, da die onboard des billig-am3+ bretts einfach grausam war. Naja Schülerbudget zu der Zeit eben.
Mittlerweile leg ich doch etwas mehr Wert auf Klangqualität und frage mich, ob es Empfehlungen gibt, die mich nicht mein letztes Hemd kosten?

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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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