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Was ist bei Lautsprecherkabel zu beachten?

Peter Strassacker Dr. Peter Strassacker
seit 1977 Lautsprecherbau
Bücher über Materialforschung und Feldtheorie
Boxen wie Lagrange 98, Laplace XT, Pascal, Sub 10-60

eine umfassende physikalische Erklärung aller Eigenschaften.
Dennis Frank befragte dazu
Peter Strassacker (12/2005).
 
 

Dennis:
Peter, welche Kabeleigenschaften sind für eine Lautsprecherkabel wichtig?

Peter:
Man kann die Eigenschaften eines Kabels beliebig ausführlich beschreiben. Nachfolgend ein vereinfachter Überblick, der ein Lautsprecherkabel physikalisch ausreichend genau beschreibt:

Kabel
Bild 1: Kabel-Ersatzschaltbild mit Eingang links und Ausgang rechts.

- die ohmsche Serien-Impedanz Rs
- die Serien-Induktivität Ls
- die ohmsche Parallel-Impedanz Rp
- die Parallel-Kapazität Cp
- die Stromverdrängung bei höheren
    Frequenzen (der Skin-Effekt)
- audiophile Eigenschaften
 

Dennis:
um mit dem Einfachsten anzufangen: die ohmsche Serien-Impedanz. Worauf hat sie Einfluss? Was ist zu beachten?

Die Serien-Impedanz Rs

Peter:
Die ohmsche Serien-Impedanz sorgt für Verluste in der Leitung, es wird somit nicht die volle Leistung an den Lautsprecher abgegeben.
 

Leitungseigenschaften eines Kupferkabels bei 20 Grad C
 
Querschnitt
in mm2
Kabellänge
in m
Widerstand
in Ohm
Leitungsverlust
an 4 / 8 Ohm *)
Minderleistung Lautsprecher
an 4 / 8 Ohm **)
Dämpfung ***)
an 4 / 8 Ohm
0,75 1 0,045 1,1% / 0,56% 2,2% / 1,1% 89 / 179
0,75 2 0,089 2,1% / 1,1% 4,3% / 2,2% 45 / 89
0,75 4 0,179 4,3% / 2,2% 8,4% / 4,3% 22 / 45
1,5 2 0,045 1,1% / 0,56% 2,2% / 1,1% 89 / 179
1,5 4 0,089 2,1% / 1,1% 4,3% / 2,2% 45 / 89
1,5 8 0,179 4,3% / 2,2% 8,4% / 4,3% 22 / 45
2,5 2 0,027 1,33% / 0,67% 0,67% / 0,33% 149 / 299
2,5 4 0,054 2,67% / 1,33% 1,33% / 0,67% 75 / 149
2,5 8 0,108 5,3% / 2,7% 2,7% / 1,3% 37 / 75
4,0 4 0,0336 1,66% / 0,83% 0,83% / 0,42% 119 / 238
4,0 8 0,067 3,2% / 1,67% 1,67% / 0,84% 60 / 119

*)     Anteil der Leistung, die im Kabel verloren geht.
**)   Minderleistung im Lautsprecher bei eingeprägter Spannung
        setzt sich aus Leitungsverlust und Minderleistung wegen geringerem Strom zusammen.
***) Dämpfung = Kabelwiderstand/Lautsprecherwiderstand,
        Gesamtdämpfung = 1 / (1 / Kabeldämpfung + 1 / Verst-Dämpfung)

Noch detaillierter kann man es mit unserem Kabelrechner ausrechnen.

Dennis:
was sagen uns nun diese Zahlen; der Leistungsverlust ist ja sicher kein Problem?

Peter:
So ist es; sogar 8% Minderleistung beim 4 Meter Langen Kabel mit 0,75 mm2 Querschnitt an 4 Ohm Boxen wären klanglich kein Problem; 8% entspricht gerade mal 0,7 dB Pegelabfall. Das Problem ist die Kontrolle der Bewegung der Lautsprecher, für die man oft das Maß Dämpfung angibt. Hierzu gab es ja auch bereits ein Interview: "Wie hoch soll der Dämpfungsfaktor des Verstärkers sein", bei dem die Aussage gemacht wurde, dass das Kabel für 8 Ohm Boxen nicht mehr als 0,1 Ohm Serienwiderstand haben sollte (bei 4 Ohm sollte der Widerstand dann 0,05 Ohm betragen).

Dabei ist die Leistung, die das Kabel übertragen kann, in der Regel auch kein Problem, was unsere Auto-HiFi Seiten belegen; ein 1,5 mm2-Kabel, kann (nach DIN VDE 0298, Teil 2) 20 Ampere leiten, es kann somit bei einem 8 Ohm Lautsprecher mit einem Sinus-Signal eine Leistung P = I*I*R = 3200 Watt übertragen.

Dennis:
Zusammengefasst soll das Kabel also weniger als 0,1 Ohm bei 8 Ohm Lautsprechern aufweisen. Das bedeutet:
- ein 0,75 mm2-Kabel eignet sich bis 2 Meter Länge
- ein 1,5 mm2-Kabel eignet sich bis 4 Meter Länge
- ein 2,5 mm2-Kabel eignet sich bis 7 Meter Länge
- ein 4,0 mm2-Kabel eignet sich bis 12 Meter Länge

Serien-Induktivität Ls

Peter:
Ja, so simpel es klingt, so ist es. Nun zur Serien-Induktivität Ls. Diese ist konstruktionsbedingt und lässt sich durch die Geometrie leicht beeinflussen.

Ein Leiter mit 2 mm Durchmesser und seinem Rückleiter in 5 mm Entfernung (Achsabstand) hat pro Meter eine Induktivität L von 0,6045 uH; einer mit 10 mm Achsabstand eine Induktivität L von 0,929 uH (berechnet nach Formeln aus /1/). Der Scheinwiderstand Z des Kabels mit 10 mm Achsabstand pro Meter ist somit
Z = jωL = 0,116 Ohm
Sein Querschnitt ist 3,14 mm2, es hat somit einen ohmschen Widerstand von 0,0066 Ohm, der also Faktor 18 geringer ist, als der induktive Blindwiderstand bei 20 kHz

Geflochtenes Kabel, wobei mehrere Adern das gleiche Signal tragen, haben demgegenüber eine geringere Induktivität L:

2x 4-adriges Kimber Kabel 4 VS hat beispielsweise pro Meter eine Induktivität von L = 0,24 uH (bei 20 kHz), woraus sich bei 20 kHz ein Scheinwiderstand von Z = jωL = 0,03 Ohm ergibt. Dies ist mehr als doppelt so hoch wie der ohmsche Widerstand von 0,013 Ohm.

2x 8-adriges Kimber Kabel 8 VS hat beispielsweise pro Meter eine Induktivität von L = 0,15 uH (bei 20 kHz), woraus sich bei 20 kHz ein Scheinwiderstand von Z = jωL = 0,019 Ohm ergibt. Dies ist doppelt so hoch wie der ohmsche Widerstand von 0,008 Ohm.

Zusammengefasst:
Bei 20 kHz leiten die Kabel nicht mehr so gut, wie im unteren oder mittleren Frequenzbereich. Je nach Kabelgeometrie ist die Leitfähigkeit durch die Serieninduktivität bei 20 kHz um ca. Faktor 10-20 (normales Kabel) bis zu Faktor 2 - 2,5 (Kimber-Kabel) schlechter als bei tiefen Frequenzen.

Dennis:
Das klingt erst mal schlimm; aber da beim Hochtöner ja oft Vorwiderstände von einigen wenigen Ohm vorgeschaltet sind, kommt dann ein zusätzlicher Widerstand von vielleicht 1,0 bis 2,0 Ohm bezüglich Dämpfung nicht so stark zum Tragen. Jedoch werden die Höhen bei 20 kHz mit normalem Kabel durchaus um 0,5 bis 1,5 dB geschwächt.

Peter:
Ja, ich muss auch gestehen, dass dieser Effekt stärker ist, als ich ihn mir selbst vorgestellt hätte. Hier hat Kimber-Kabel qualitativ deutliche Vorteile.

die ohmsche Parallel-Impedanz Rp

Dennis:
Gute Kabel haben Leckwiderstände die über 100 000 000 Ohm liegen; dies spielt beim Lautsprecher doch überhaupt keine Rolle?

Peter:
So ist es - auch wenn der Leckwiderstand nur 10 000 Ohm wäre, spielt dies keine Rolle.

die Parallel-Kapazität Cp

Dennis:
Parallel-Kapazitäten belasten den Verstärker, sollten aber ansonsten nicht viel ausrichten?

Peter:
So ist es; normale Kabel haben 10-200 pF pro Meter, die überhaupt keine Rolle spielen. Jedoch gibt es hier auch Exoten: Das Kabel MIT EXP 2 hat nach Messungen von stereoplay 1/2006 eine Kapazität von über 10 000 pF (durch intern zugeschaltete parallele Kondensatoren). Es gibt auch Terminals, deren Aufgabe es ist, mittels geheimen Schaltungen (= paralleler Kondensator) die Lebendigkeit der Wiedergabe zu steigern.

Dennis:
also mit Terminals oder Kabel, jeweils mit eingebauten Kondensatoren, die Lebendigkeit steigern? Wie funktioniert dies?

Peter:
In beiden Fällen ist dann letztendlich ein Kondensator parallel zum Verstärker-Ausgang, der den Verstärker kapazitiv belastet. Dies ist generell problematisch, da die Gegenkopplung des Verstärkers, die den Frequenzgang, den niederen Ausgangswiderstand und die geringen Verluste kontrolliert, in Ihrer Arbeitsfähigkeit beeinträchtigt wird.

Die kapazitive Last sorgt dafür, dass der Verstärker etwas an Stabilität verliert und dafür hohe Frequenzen übertreibt und auch mehr hochfrequentes Rauschen einfängt.

Dadurch klingt die Aufnahme frischer und authentischer. Ich verurteile dies aber auf das Heftigste, denn:
a) verliert der Verstärker an Stabilität
b) hätte dies auch bereits im Hörstudio mit einem Exciter beigemischt werden können
      (das Problem ist die richtige Menge, bei zu viel klingt es nur noch scheußlich)
c) kann mancher Verstärker dabei sogar instabil werden und die Hochtöner überhitzen.

Dennis:
Manchmal liest man etwas über Stromverdrängung und Skin-Effekt. Was ist das?

Stromverdrängung (Skin-Effekt)

Peter:
Die Stromverdrängung (auch Skineffekt genannt) tritt bei Wechselströmen mit zunehmender Frequenz auf. Dabei erzeugt der Strom durch einen Leiter magnetische Felder, die im Innern des Leiters höhere Gegenspannungen erzeugen, so dass das Innere des Leiters weniger zum Stromfluss beiträgt, als der Rand.

Dieser Effekt ist frequenzabhängig; der Randbereich der noch Strom trägt lässt sich ausrechnen (siehe /1/).

Tabelle zum Skin-Effekt: Die Tabelle gibt an, bis zu welcher Tiefe der Leiter den Strom trägt.
Frequenz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 20 kHz 40 kHz 100 kHz
Eindringtiefe 6,0 mm 2,0 mm 0,6 mm 0,4 mm 0,3 mm 0,2 mm

Hat man nun ein Kabel mit 1,8 mm Durchmesser (2,5 mm2), so leitet hier der Draht bei 20 kHz nur zu einer Tiefe bis 0,4 mm. Es leiten somit mit Radius r=0,9 mm:
insgesamt eine Leiter-Fläche von π*r*r = 2,54 mm2
davon leiten schlecht (Inneres): π*(r-0,4 mm)*(r-0,4 mm) = 0,79 mm2
also leiten gut 2,54 mm2 - 0,79 mm2 = 1,75 mm2.
Die Impedanz wird also nur um einige zig Prozent erhöht, was nicht wesentlich ist (zur Erinnerung: bei der Induktivität hatten wir eine Verschlechterung um Faktor 15-18). Bei dickeren Drähten wird die Auswirkung jedoch stärker sein.

Auch hier haben die geflochtenen Drähte von Kimber Vorteile, da der Einzeldraht nicht mehr als 0,4 mm Radius hat - der Skin-Effekt tritt hier erst bei Frequenzen über 20 kHz auf.

audiophile Eigenschaften

Dennis:
Nun ist die Frage: Was bleibt an nicht erklärten Eigenschaften, die einem Kabel besondere Eigenschaften verleihen?

Peter:
Nun, wir haben nicht über OPC-Kabel gesprochen, nicht über monokristallines Kabel, nicht über den Unterschied zwischen Litze und massivem Leiter. Sehr häufig gibt es das Argument, dass der Klang sich in Litze mit vielen Adern verläuft.

Aus physikalischer Sicht ist dies nicht nachvollziehbar, denn der Strom fließt gemäß dem elektrischen Feld sehr zielstrebig (er verläuft sich also keinesfalls). Auch die Argumentation, dass der Strom bei Litze durch manche Litzen weiter läuft, ist nicht stichhaltig: Wir haben bei Strom - der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausbreitet - zu den hörbaren Frequenzen (20 Hz - 20 kHz) Wellenlängen λ um 15 000 000 bis 15 000 m . Damit der Strom sich somit in einer Litze so verläuft, dass es zu Auslöschung einzelner Frequenzen kommt, müsste beispielsweise im kritischsten Fall bei 20 kHz, eine Teillitze ohne Kontakt zum Nachbarn um λ/2, also 7500 m länger sein, als ihre Nachbarlitze. Normalerweise ist eine isolierte Litze vielleicht gerade mal 1/1000 000 davon verlängert.

Dennis:
Sind dann die Eigenschaften, die viele Kunden hören eingebildet?

Peter:
Ja, das ist schwierig zu beantworten. Hier sollte jeder selbst sorgfältig prüfen,
- was Einbildung ist (im Zweifel klärt dies ein Blindtest)
- was Betrug ist (mir ist ein Fall bekannt, wo Klangunterschiede mit unterschiedlichen
  Kabelrichtungen vorgeführt wurden und dabei per Fernsteuerung die Klangqualität
  beeinträchtigt wurde.)

Was sicher Sinn macht ist ein Kabel mit sinnvoller Geometrie (beispielsweise geflochten, wie Kimber), aus reinen Leitern (hochreines Kupfer).

Im Zweifel sollte man selbst die Initiative ergreifen und zuhause mit einem Freund zusammen testen; am allerbesten im Blindtest.

Zusammengefasst,
- sollte man ein Kabel verwenden, das bei 8 Ohm-Boxen weniger als 0,1 Ohm hat und
- dessen zwei Leiter nicht zu weit voneinander entfernt sind (wegen der Induktivität, die Höhenverlust bedeutet).
Sehr gut ist ein Geflecht, wie es die Kimber Kabel aufweisen. Wenn der Leiter nicht zu stark verunreinigt ist (Gitterstörungen), hat dies sicher auch Vorteile. Alles weitere geht etwas ins Subjektive.

Literaturverweise:

/1/  G. Strassacker: Rotation, Divergenz und das Drumherum, Eine Einführung in die
      Elektromagnetische Feldtheorie, 4. Auflage, B.G. Teubner, 1999, S. 130 ff.

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