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Nachteile des Onboard-Sounds – Einfluss von Grafikkarte, Kopfhörerempfindlichkeit und Motherboardlayout | igorsLAB

Warum ich den Onboard-Sound auf vielen Motherboards für schlecht oder zumindest nicht optimal halte, will ich in dieser Analyse gern im Detail erklären. Die üblichen Tests (und das Marketing) fokussieren sich meist nur auf den DAC und die Codecs, eiern aber am eigentlichen Problem geschmeidig vorbei. Was haben gute Kopfhörer, eine potente Grafikkarte, ein mittelpreisiges Mainboard, ein Oszillograph, ein sehr gutes Multimeter und ein Satz geschulter Ohren miteinander zu tun? Finden wir's raus!

Kopfhörer-Empfindlichkeit, Verstärkerleistung und Verstärkung (Gain)

Ich erkläre die eingespeisten Signale jetzt mal großzügig zum Idealfall und lasse Dinge, wie die Grafikkarte unter Volllast, noch bewusst außen vor. Das kommt dann später. Zunächst schauen wir nämlich erst einmal, was aus einem normalen, durchschnittlichen Mainboard überhaupt so “rauskommt” und warum unterschiedliche Kopfhörer unter Umständen auch deutlich verschiedene Lautstärkepegel erreichen können.

Genau da rückt eine sehr wichtige Herstellerangabe in den Fokus, die unsere lieben Trötenfabrikanten gern verschweigen. Eines stelle ich deshalb gleich mal voran: die passende Impedanz muss noch lange nicht bedeuten, dass die Kopfhörer (oder das Headset) automatisch gut und laut genug spielen!

Der wichtigste Faktor für die Harmonie zwischen Verstärker und Kopfhörer ist dessen sogenannte Empfindlichkeit. Diese gibt darüber Auskunft, welche Ausgangsleistung ein Verstärker an der Impedanz des betreffenden Kopfhörers mindestens abliefern muss, damit dieser dann einen bestimmten Lautstärkepegel erreicht.

Ein passender Kopfhörerverstärker bietet am Ausgang also sowohl genügend maximale Leistung, als auch genügend Verstärkung, um den gewünschten Leistungspegel mit einer bestimmten Quelle überhaupt zu erreichen, denn auch die Quellen variieren sehr stark in ihrem Pegel, egal ob nun Ingame-Sound oder externe Zuspieler (CD, BR) abgehört werden.

Um es kurz zu machen: eine leise Quelle muss gut genug verstärkt werden können, damit der Kopfhörerverstärker (onboard oder extern) überhaupt bis zur Vollaussteuerung gelangen kann. Diese Vollaussteuerung muss dann jedoch auch noch ausreichend hoch sein, um auch die Kopfhörer auf einen gewünschten Lautstärkepegel zu bekommen. Sonst bleibt es entweder leise, oder es verzerrt bereits, weil der Verstärker übersteuern muss, damit es überhaupt laut wird.

Ich maße mir jetzt an dieser Stelle nicht an, exakte Messungen der Klirrfaktors fürs Mainboard liefern zu wollen, will aber auch deutlich machen und mit Messwerten belegen, wie schön und wie oft Marketing-Blasen ins Leere laufen können. Fehlt nämlich die passende Ausgangsleistung, nützen die tollsten japanischen Goldkondensatoren auch nichts mehr. Und genau um diesen Umstand geht es jetzt

 

Was bedeuten Vrms und wie errechnet man die Ausgangsleistung?

Leistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. Da ich aber hier ausschließlich Spannungen messe und keine Ströme, kann (und muss) man die Formel recht einfach umstellen, weil ich ja bewusst mit (stabilen) ohmschen Lastwiderständen arbeite, die ich kenne. Und keine Angst, dass es jetzt kompliziert wird, denn es ist wirklich simpel! Betrachten wir einfach einmal die Messung am Motherboard, bei der ich die maximale, verzerrungsfreie Ausgangsspannung Vrms dieses Modells bei 1 KHz und 32 Ohm ermittelt habe:

Während die obere Grafik mehrere Wellen des 1-KHz-Sinustones zeigt, habe ich für die untere Grafik mal eine Halbwelle herausgezoomt, auch um zu zeigen, dass die Kurve auch im Scheitel noch einigermaßen sauber abgebildet wird. Hier verzerrt also noch nichts und ich kann den ermittelten Wert für Vrms mit gutem Gewissen verwenden. Wir sehen auf dem Bild auch sehr schön, dass die maximale Spannung eigentlich bei 0,678 Volt liegt.

Da man aber seit Jahren die Effektivspannung Vrms verwendet (root mean square = quadratisches Mittel) und ich vergleichbar bleiben möchte, habe ich diese Berechnung fest eingebaut und beziehe mich ab jetzt nur noch auf diesen Effektivwert. Das Mainboard liefert also maximal 0,4691 Vrms an 32 Ohm. Was aber bedeutet das für die Ausgangsleistung? Wer sich jetzt an das berühmte URI-Dreieck des Ohmschen Gesetzes erinnert, kann die Formel kinderleicht umstellen.

Man multipliziert jetzt einfach nur Vrms (U) mit sich selbst und teilt dies dann durch den Widerstand (R), um die Leistung (P = U x I) zu erhalten. Ich rechne also (0,4691 Vrms)² / 32 Ohm = 6,8 mW RMS. Der Verstärker leistet an 32 Ohm also knapp 7 mW RMS, was wiederum reichlich lächerlich ist. Zumal die reine Sinusleistung mit (0,678 V)² / 32 Ohm = 14 mW Sinus zwar auf den ersten Blick nach mehr aussieht, aber am Ende bei komplexen Klängen an Aussagekraft verliert.

Jetzt wissen wir zumindest auch, warum die Wattangaben in RMS auf den Lautsprechern und Verstärkern Verwendung finden. Noch vor ca. 20 Jahren und früher wurden Ausgangsleistungen nämlich in Watt Sinus-Dauertonleistung an 1 KHz angegeben. Doch da sich fast alle mittlerweile dem Diktat mit dem RMS gebeugt haben und damit das Chaos für den Laien perfekt ist, bleibe ich auch bei den Vrms und Watt RMS, auch wenn es etwas komplizierter ausschaut.

Doch was passiert eigentlich mit hochohmigen Wandlern? Auch hier lässt sich das einfach berechnen, denn für Vrms messe ich verzerrungsfrei bis zu 1.2559 Vrms. Die maximale Ausgangsleistung bei 1 KHz an 500 Ohm beträgt also (1,2559 Vrms)² / 500 Ohm = 3.15 mW RMS! Das ist nur noch die Hälfte dessen, was ich an 32 Ohm messen konnte!

Da die Hersteller die Leistung oft nur noch in Watt angeben und das Kürzel RMS geflissentlich weglassen, werde ich dies im nun noch folgenden Text auch so handhaben, damit uns die zitierten Herstellerangaben und die Kurven nicht verwirren. Richtiger wird es dadurch allerdings auch nicht.

Gute Verstärker haben deshalb einen sogenannten “Gain”-Schalter, der durch einen resultierenden, höheren Verstärkungsfaktor sicherstellt, die Spannung am Ausgang zu erhöhen. Damit einher geht dann auch automatisch eine erhöhte Ausgangsleistung, die man für höhere Lautstärkepegel ja benötigt. Der Gain-Schalter ist aber primär für eine Spannungserhöhung gedacht, um bei höheren Impedanzen auch noch die maximale Ausgangsleistung zu erreichen.

 

Ausgangsleistung und Schallpegel

Mit Ausgangsleistungen von unter 10 mW erreicht man in den seltensten Fällen noch den gewünschten Lautstärkepegel und wer hochohmige Kopfhörer nutzen möchte, ist mit dem Onboard-Sound geradezu abgestraft. Das klingt dünn und falsch und verzerrt zudem beim kleinsten Nieser! Kauft man Kopfhörer, ist die sogenannte Empfindlichkeit also ein ganz wichtiger Indikator, wie laut er am Ende überhaupt betreiben werden kann, d.h. welchen Schalldruckpegel SPL (Sound Pressure Level) er bei welcher Verstärkerleistung noch sauber erreichen kann.

Nur erzeugt man einen bestimmten Schalldruck ja nicht immer in der selben Ausprägung. Da hängt sehr viel vom eingespielten Material ab. Wer also einen durchschnittlichen, gut verträglichen Pegel (SPL) von z.B. 85 dB anstrebt (kindersicher und auf Dauer auch nicht schädigend), sollte z.B. bei klassischer Musik und deren hohem Dynamikumfang (Wide Dynamic Range) für die Spitzenwerte noch 25 bis 30 dB aufschlagen. Das gilt auch für gute Spiele mit 12 bis 18 dB. Pop-Musik liegt hingegen meist bei “nur” 8 bis 12 dB Aufschlag als Faustformel.

Dummerweise geben die Hersteller für einen bestimmten SPL-Wert entweder Milliwatt (mW) oder benötigte die Effektivspannung (Vrms) an. Oder gleich gar nichts. Und nun wissen wir auch, warum ich im vorigen Abschnitt mit Euch so rechnen musste, denn jetzt können Euch die unterschiedlichen Angaben ja egal sein, solange überhaupt etwas angegeben wurde! Wir können es nun selbst umrechnen.

Mein Beyerdynamic Amiron Home ist z.B. mit 102 dB / 1 mW angegeben, was mit den 3,15 mW des Motherboards bei 500 Ohm theoretisch sogar noch hinkommen würde, denn die Impedanz des Kopfhörers liegt bei 250 Ohm, also noch deutlich darunter.  Aber – und jetzt kommt das böse Aber: wir brauchen ja auch die Peak-SPL für eine gute Dynamikwiedergabe ohne Verzerrungen! Um z.B. die 115 dB (85 dB Durchschnitt + 30 dB Peak-Aufschlag) hinzubekommen, bräuchte ich schon fast um die 20 mW, die der Onboard-Sound gar nicht liefern kann.

Je nach Kopfhörer-Qualität und der damit bedingten Empfindlichkeit benötigte man für die 115 dB SPL als angenommenen Spitzenwert also bis zu 1 Watt Ausgangsleistung an der benötigten Impedanz! So etwas kann Onboard-Sound (bis auf wenige Ausnahmen) nie und nimmer liefern! Und nun wissen wir auch, warum das mit der Dynamik am Motherboard nicht funktioniert und warum so Manches einfach nur grausam klingt, ja geradezu klingen muss. Je besser (und empfindlicher) die Kopfhörer, um so besser harmoniert es noch mit den Motherboards. Aber gut ist das fast immer nicht, nur eben weniger schlecht.

Für die ganz Rechenfaulen habe ich da mal was vorbereitet… Die erste Tabelle zeigt uns eher schlechte Kopfhörer mit einer Empfindlichkeit von 85 dB/mW bis hin zu 94 dB/mW und welche Verstärkerleistungen man ansetzen muss, um zwischen 90 und 115 dB maximalen Schalldruckpegel erreichen zu können. Ob das die Teile dann überhaupt aushalten und überleben, steht natürlich auf einem anderen Blatt.

Hier hätte ich dann noch die etwas besseren Kopfhörer, bei denen es sich mit der Ausgangsleistung in Grenzen hält.

 

Zwischenfazit

Womit auch der Sinn eines guten Kopfhörerverstärkers deutlich erkenntlich geworden sein dürfte: er liefert immer eine genügend hohe Ausgangsleistung bzw. Vrms, um Stücke mit hohem Dynamikumfang auch verzerrungs- und begrenzungsfrei wiedergeben zu können. Klang bei Kinderzimmerlautstärke hin oder her, hier geht es nun mal um das Ausreizen der Technik. Genau deshalb ist auch der Lösungsansatz so mancher Blindtests, einen möglichst hochwertigen und teuren Kopfhörer für solche Tests am Mainboard zu nutzen, komplett irreführend.

Denn diese sehr hochpreisigen Exemplare sind äußerst empfindlich und benötigen deutlich geringere Ausgangsleistungen als die üblichen Verdächtigen mit unter 100 dB / mW. Was mit dem Edelhörer am Motherboard gerade noch so gut geht, solange man Musik im Idle hört, geht mit den Normalkopfhörern grandios in die Hose. Und meist sind diese noch nicht einmal am Dilemma schuld! Deshalb messe ich Kopfhörer immer an einem hochwertigen Endgerät, um genau diese Problematik von vornherein auszuschließen.

Je unempfindlicher die Kopfhörer sind, umso besser muss der Kopfhörerverstärker liefern. Und genau an dieser Stelle geraten die günstigen Onboard-Lösungen fast immer an ihre Grenzen. Das betrifft übrigens auch viele Kopfhörer mit eingebauter USB-Soundkarte, weil der Anbieter nicht bedenkt, was seine Kopfhörer wirklich benötigen. Dort wäre aber wirklich einmal der Punkt erreicht, dass auch die Industrie wieder mitspielt und Dinge anbietet, die man auch guten Gewissens benutzen kann.

Deshalb halte ich die üblichen Tests von Motherboards mit ein paar OC-Benchmarks auch für etwas arg unvollständig und ich kann den Kollegen nur raten, auch einmal die Ausgangsleistung und Vrms mit zu messen. Denn exakt diese Informationen sind essentiell und trotzdem nie in den Datenblättern der Motherboards zu finden.

Bei unseren bald wieder mit ins Programm genommenen Motherboard-Tests werde ich neben den einzelnen Teilspannungen und deren detaillierte Leistungsaufnahmen deshalb bewusst auch den Audio-Bereich komplett mit messen und bewerten. Das Unboxing und visuell sehr gut verkäufliche Bewundern dürfen dann die die jungen Herren mit der Kamera in der Röhre übernehmen.

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About the author

Igor Wallossek

Chefredakteur und Namensgeber von igor'sLAB als inhaltlichem Nachfolger von Tom's Hardware Deutschland, deren Lizenz im Juni 2019 zurückgegeben wurde, um den qualitativen Ansprüchen der Webinhalte und Herausforderungen der neuen Medien wie z.B. YouTube mit einem eigenen Kanal besser gerecht werden zu können.

Computer-Nerd seit 1983, Audio-Freak seit 1979 und seit über 50 Jahren so ziemlich offen für alles, was einen Stecker oder einen Akku hat.

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