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Der technisch interessierte und einigermaßen abgeklärte Leser mag sich kopfschüttelnd die Frage stellen, wie denn im hochtechnologischen Digitalzeitalter ein so relativ einfach überschaubarer Zusammenhang wie ein simples Kabel noch unergründete Geheimnisse bergen und darüber erhitzte Diskussionen auslösen kann?

Recht hat er (mit dem Kopfschütteln) ! In der Tat ist hier nicht den Gelehrten ein Versäumnis vorzuwerfen. Es gibt auch auf diesem Gebiet schwerlich etwas, worüber sich nicht schon jemand Gedanken gemacht und diese auch zu Papier gebracht hat, längst vor der Zeit, als die meisten, die dies lesen, geboren wurden.
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• Anmerkung : Und selbstverständlich trägt der Autor H.K. hier seine Meinung und seine Erkenntnisse vor, die durchaus skeptisch betrachtet werden dürfen. Auf späteren Grafiken (in Teil 3) werden z. B. 2 dB Pegelabfall bei 20.000 Hz "pro Kilometer" grafisch dargestellt. Bei 2x10 m Kabeln sind das fast nicht mehr messbare Differenzen und absolut nicht mehr hörbare Unterschiede. Darum sehe ich hier einige Aussagen als sehr weit hergeholt an. GR in 2022)

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Wenn man weiß, daß z.B. die in der jüngeren HiFi-Geschichte von der Audio-Vermarktungsindustrie als vollständig neue Konzepte vorgestellten „Innovationen" mit Namen „Moving Coil Prinzip" (*1) oder „Reineisen-Magnetaufzeichnung" (*2) in den Jahren 1898 bzw. 1899 !! patentiert wurden oder daß die Grundlagen zur korrekten Tonarmgeometrie (*3) bereits 1941 umfassend erarbeitet wurden und bis heute - teilweise auch bei renommierten Herstellern - noch nicht allgemeinen Eingang in die Fertigung gefunden haben, dann ist es auch gut vorstellbar, daß in diesen Tagen das Kabel mehrfach neu „erfunden" wird.

*1 Prof. Lodge: British Patent 9712 / 1898
*2 Poulsen : British Patent 8661  /1899
*3 H.G.Bearwald: Analytic Treatment of Tracking Error (JSMPE, 1941)

Vielleicht hat es in grober Unterschätzung der Kabeleinflüsse noch niemand für notwendig erachtet, die gesicherten Erkenntnisse aus der Leitungstheorie auf den uns interessierenden Audio-Bereich zu übertragen?

Oder die Erkenntnisse sind mancherorts vorhanden und werden als Quasi-Geheimnisse gehütet und kultiviert? Wahrscheinlich ist dies jedoch vielmehr ein Musterbeispiel für die Bedeutung des vielzitierten „Transfers" (dabei bewußt den Co-Ausdruck „Technologie" vermeidend).

In unserem Falle ist es der Mangel an Erkenntnis-Transfer zwischen isoliert voneinander operierenden Fachbereichen. Den mit den höheren Weihen der Elektro- oder Nachrichtentechnik Versehenen mag das Kabelthema im HiFi-Bereich zu lapidar und nebensächlich, als hochstilisierte Spinnerei einiger Ausgeflippter vorkommen.

Ein Elektroingenieur fragte mich beim Anblick eines 2 x 2,5mm2 Lautsprecherkabels lächelnd, ob ich denn da 10A drüber schicken wolle? Ich solle mir doch einmal die Schwingspulendrähte betrachten.

Vor wenigen Jahren „bewies" ein Professor der Elektrotechnik mittels einer Aneinanderreihung von unangebrachten Vereinfachungen, daß unter normalen Raumbedingungen die Kabel immer zu kurz ausfielen, um irgendwelche negativen Auswirkungen im Audio-Frequenzbereich haben zu können, daß es darüber hinaus barer Unsinn sei, für Entfernungen unter 30m stärkeres als etwa 2,5mm2 Lautsprecherkabel zu verwenden.

• Anmerkung : Hier werden zwei völlig verschiedene Themen negativ miteinander verknüpft und diese Meinung kann ich gar nicht teilen. Beim ersten Thema der "Auswirkungen im Audio-Frequenzbereich" hat der fiktive Professor recht, da hat der Autor seine eigenen Formeln nicht korrekt interpretiert. Bei der zweiten Aussage bezüglich der Querschnitte hat man ihm vermutlich etwas in den Mund gelegt, das nur teilweise unrichtig ist.

An Kabeln kürzer als 10m seien auch mit den besten Meßmethoden kaum noch Unterschiede meßbar, und es seien absolut keine hörbaren Klangunterschiede festzustellen. Ganz „normale" Kabel seien schlichtweg perfekt im Vergleich zu den anderen Gliedern der Wiedergabekette.
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• Anmerkung : ... wenn der Querschnitt stimmt.

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Diesem Professor fehlten (Anmerkung: möglicherweise) die vielgestaltigen Erfahrungen eines akribisch nach Klangverbesserung strebenden HiFi-Puristen. Er hätte seinen eigenen Worten (und Ohren) nicht geglaubt. Derartige Äußerungen von Fachleuten führten allerdings dazu, daß die Beschäftigung mit dem Thema „Kabel" für sich seriös haltende Entwickler lange Zeit tabu war.

Dagegen sind es im Audio-Bereich meist gerade Nichttechniker, die sich, ohne Scheuklappen und wenig um Konventionen kümmernd, auf von anderen ignorierten und belächelten Randgebieten bemühen, den widrigen Umständen ein Quäntchen mehr Klangqualität zu entreißen.

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Dieser Beitrag will aufzeigen, was an vorhandenen Erkenntnissen aus der Leitungstheorie konsequenterweise auf den uns interessierenden NF-Bereich angewandt werden sollte. Weil das Interesse am Kabel derzeit besonders groß ist, beschäftigen sich viele mit diesem Thema, wobei jedoch oft allzu schnell meist werbeträchtige Behauptungen aufgestellt werden, die sich nicht oder vielleicht noch nicht beweisen lassen.

Um etwaigen falschen Erwartungen vorzubeugen, sei betont, daß solchen Vermutungen in diesem Beitrag bewußt nicht nachgegangen wird, mit Ausnahme derer, die widerlegbar sind.

Literatur:
Barry Fox: Nice Timing: The Secret of Successful Invention (AES, 1980)
Richard A. Greiner: Amplifier Loudspeaker Interfacing (AES, 1979)

Die Umkehrung unserer Kardinalfrage nach dem (Un-)-Wesen eines Kabels macht unser Problem leichter zugänglich, wenn man andersherum fragt:

Wie muß ein ideales Kabel beschaffen sein?

Die Antwort darauf fällt leichter und ist trivial einsichtig:

Das ideale Kabel soll ein elektrisches Signal, das ihm am Eingang übergeben wurde, am Ausgang in unveränderter Form wieder abliefern. Der Zusatz „und Größe", der einem aus dem täglichen Sprachgebrauch sofort auf der Zunge liegt, wirft jedoch bereits die erste Einschränkung auf.

Ein Kabel als passives Element (ausgenommen Supraleiter) wird physikalischen Grundgesetzen zufolge niemals ein Signal an seinem Ausgang mit gleicher Größe wie am Eingang präsentieren können. Man sagt, es ist verlustbehaftet.

• Anmerkung : Diese obige pauschale Aussage ist unbedingt zu ínterpretieren. Es gib da Scheinverluste, die fast nicht zu messen sind und schon gar nicht zu hören sind. Die messbaren Verluste, die der Autor meint, sind ganz extrem von der Stromstärke des zu übertragenden Signals (in der Audio-Technik) bzw. von der am Ende der Leitung geforderten Leistung (z.B. beim Wasserkocher) abhängig.

Diese Art von Verlust ist bei unseren kurzen Kabellängen im Wohnzimmer im Vergleich zu Überland - Fernmeldeeinrichtungen doch recht klein und würde uns zunächst nicht so wahnsinnig stören, da wir wissen, daß es Verstärker gibt.

Doch eben weil es Verstärker gibt, müssen uns die Verluste stören, denn eine weitere Aufgabe eines Kabels ist es häufig, eine elektrische Größe an den Klemmen eines Gerätes an die Klemmen eines anderen quasi räumlich zu „transportieren", weil sie dort zur korrekten Funktion gebraucht wird.

Dies ist beispielsweise die Niederohmigkeit eines Endstufenausganges, die zur Bedämpfung der exzessiven Membranbewegung eines Lautsprechers benötigt wird (siehe Abb. 1), oder die Kapazität eines Phonoeinganges, die zur Resonanzabstimmung eines Tonabnehmers beiträgt.

Im Falle des Lautsprechers findet bei Vorhandensein eines größeren Leitungswiderstandes eine Bewertung der Klemmenspannung durch die Lautsprecherimpedanz statt, gemäß der Beziehung:

die Formel kommt noch
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Da Verstärker üblicherweise für eine konstante (korrigiert bzw. besser : stabile ...) Ausgangsspannung konzipiert sind, muß sich folglich die Spannung an den Klemmen der Lautsprecherbox und damit auch deren Amplitudenfrequenzgang ändern (siehe Abb. 2).

Mit gutem Leitermaterial und großem Querschnitt, so weiß es heute jedes Kind, lassen sich die Verluste hinreichend niedrig halten. Falsch! - Man darf nicht vergessen, daß wir es mit Signalen im Tonfrequenzbereich zu tun haben, dessen untere und obere Grenzfrequenz sich immerhin um den Faktor 1000 unterscheiden (20 bis 20.000 Hz).
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• Anmerkung : Das ist physikalisch zwar korrekt, doch es es geht hier um die Verhältnismäßgkeit der Verluste. Leitungsverluste berechnen sich immer in Abhängigkeit der übertragenen Frequenz. Das betrifft auch den Skin Effekt und der setzt mit verwertbaren Ergebnissen bei 50 oder 80 oder erst bei 100 KiloHertz ein. Darunter ist er im wahrsten Sinne des Wortes vernachlässigbar.

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Leider, leider behandeln die erwähnten unvermeidlichen Verluste unsere hochgeschätzten Frequenzen nicht alle mit derselben Meßlatte.

Der Amplitudenfrequenzgang wird unlinear, sagt der Meßtechniker. Und was passiert in diesem Fall mit unserem Eingangssignal, das im Extremfall aus sämtlichen Frequenzen gleichzeitig besteht? Die Signalform am Ausgang muß sich zwangsläufig von der am Eingang unterscheiden, da sich die Form durch Überlagerung aller beinhalteten Sinusfrequenzen ergibt.

Nun, wenn wir schon einen Verstärker haben, dann werden sich doch diese läppischen "nullkommaetwas" dB mit dem Klangsteller ... Irrtum!

Der frequenzabhängige Verlust - sprechen wir in der Folge lieber von Dämpfung - hat nach den Gesetzen der Elektrotechnik leider eine untrennbare und unliebsame Zwillingsschwester: die Phasenverschiebung (siehe auch: Grundlagen der HiFi-Technik V).

Sie stellt sich als relative Verschiebung der beteiligten einzelnen Sinusfrequenzen in ihrer zeitlichen gegenseitigen Zuordnung dar, und zwar wiederum frequenzabhängig.

Und schon haben wir einen zweiten Grund, uns Sorgen über unsere Signalform zu machen, denn durch die Überlagerung der zeitlich verschobenen Frequenzanteile wird die ursprüngliche Signalform um ein weiteres Maß verfälscht.

Noch deutlicher wird der schädliche Einfluß der Phasenverschiebung, wenn man von der stationären Betrachtungsweise überwechselt zur Impulsbetrachtung. Da eine Phasenverschiebung identisch mit einer zeitlichen Verschiebung ist, bedeutet dies auch, daß Signale verschiedener Frequenzen unterschiedliche Laufzeit vom Eingang des Kabels bis zum Ausgang haben und bei einem typischen 2 x 2,5mm2 Kabel die hohen Frequenzen bis zu l0mal schneller sind als die tiefen (siehe Abb. 3).

Das zeitliche Muster jedoch, wie aus den Beiträgen zur Hörphysiologie bekannt, hat für das Ohr einen ganz wesentlichen Informationsgehalt. Diese zeitliche „Verschmierung" (Dispersion) verursacht eine Verformung bei gleichzeitiger Verbreiterung von Rechtecksignalen, wodurch auch die Digitaltechnik nicht gegen Kabeleinflüsse immun bleibt (siehe Abb. 4).

Ebenfalls wegen der Laufzeit sollen die beiden Kabel für Rechts und Links einer Stereoanlage gleiche Länge aufweisen, um Fehler bei der räumlichen Wiedergabe zu vermeiden. Unser Verstärker, als Amplituden-Frequenzgang-Kompensator eingesetzt, wäre unter Umständen noch in der Lage, die frequenzabhängige Dämpfung zu korrigieren, falls sich zufällig der reziproke Verlauf einstellen ließe, doch anstatt die Phasenverschiebung exakt rückgängig zu machen, würde er weitere Phasenverschiebungen hinzufügen.

An dieser Stelle höre ich die Einwände: Was das Ganze wohl soll? Die "nullkommaetwas" dB an Dämpfung und "nullkommaetwas" Grad an Phasenverschiebung seien bekanntermaßen sowieso nicht hörbar.

Genau diese Art von Einwänden mag mit dazu beigetragen haben, daß erstaunlich wenig über Kabeleinflüsse im HiFi-Bereich exakt untersucht wurde. Ein einziges Gegenbeispiel - und davon gibt es mittlerweile etliche - sollte genügen, um diesen unsäglichen Kleinigkeiten die ihnen zustehende Aufmerksamkeit zu widmen.

Nach dem bisher Überlegten kann man die Forderung an ein Kabel mit den Worten des Nachrichtentechnikers neu formulieren:

Das ideale Kabel ist gekennzeichnet durch linearen Dämpfungsverlauf und konstante Laufzeit für alle Frequenzen des Übertragungsbereichs; es besitzt Allpaßcharakteristik (es läßt alle Frequenzen ungehindert passieren) und wird „verzerrungsfrei" genannt.

Kabel können für manche spezifischen Einsatzzwecke so hergestellt werden, daß sie diese Forderungen annähernd ganz ordentlich erfüllen. Aus ihrer Bezeichnung soll dann der optimale Einsatzzweck zu erkennen sein, z. B. HF-(Hochfrequenz-)Kabel.

Sucht man nun unter diesem Gesichtspunkt nach NF (-Niederfrequenz-) Kabeln, so stellt man mit allergrößtem Erstaunen fest, daß die sogenannten NF-Kabel gar keine solchen sind. Betrachtet man sie genauer, dann entpuppen diese sich vielmehr als astreine HF-Kabel, so z. B. alle RG-Typen. (Anmerkung: RG Typen sind überwiegend Coaxiale Kabel.)

Ein Beweis hierfür ist auch, daß es Kabelanbieter gibt, die dasselbe Kabel für Audio und Video gleichermaßen anbieten; es unterscheidet sich höchstens noch durch den Aufdruck, die Farbe, die Stecker und den Preis. Die Ursache liegt wohl darin, daß fälschlicherweise angenommen wird, die Anforderungen an HF-Kabel seien schwieriger zu erfüllen und diese würden dadurch automatisch auch für NF-Zwecke gut sein.

Tatsache ist jedoch, daß sich Probleme - und dies läßt sich an ähnlichen Beispielen der Physik oder Elektrotechnik wiederholen - eher an den Bereichsgrenzen gravierend bemerkbar machen, siehe z. B. die Problematik (Baß- und Hochtonbereich) bei Tonabnehmersystemen, Mikrofonen und Lautsprecherboxen. Für Kabel sind diese Bereichs-Enden im UHF- und im NF-Bereich zu finden.

Übrigens sind Lautsprecherkabel selbstverständlich auch NF-Kabel, was sonst? Eine Unterscheidung in NF- und LS-Kabel ist insofern begrifflich inkorrekt. Praktikabler wäre dagegen der Vorschlag, zwischen Kleinsignal-Kabel (KS-Kabel) und Großsignal-Kabel (GS-Kabel) für Niederfrequenz zu unterscheiden.

Nach der vorangegangenen, ernüchternden Feststellung, daß am Markt keine nach den Regeln der Kunst der Elektrotechnik speziellen NF-Kabel angeboten werden, fragt man sich, falls man den inneren Drang zur Resignation überwunden hat, ob die schlechten Eigenschaften der Kabel schicksalhaft in Kauf genommen werden müssen oder ob es nicht doch Ansatzmöglichkeiten zu ihrer Eliminierung gibt.

Dazu gilt es zunächst zu untersuchen, in welchen physikalisch-elektrischen Sachverhalten diese Unzulänglichkeiten begründet sind, woher also die Frequenzabhängigkeit rührt.

Daß der spezifische Widerstand des Leitermaterials eines Kabels zu einer Dämpfung führt, ist trivial einleuchtend. Nach Lehrbuch ist dieser spezifische Widerstand frequenzunabhängig und nur material- und temperaturbedingt. Der am Kabel gemessene elektrische Widerstand hängt darüber hinaus von der Länge und vom Querschnitt ab. - Und von der Frequenz! Nachdem eben der Widerstand schön frequenzunabhängig war, taucht hier plötzlich, scheinbar unmotiviert, die Frequenz auf. Bei solchen Anlässen spricht man gern von Phänomenen, von denen nach ihrer Erklärung nur noch Effekte bleiben.

Das hier vermutete Phänomen ist erklärt, also nur noch Effekt, genauer gesagt:

Der Skin-Effekt, auch bekannt als Heaviside-Effekt, ist nichts Neues. Doch stritt man ihm - in weiten Kreisen bis heute noch - leichtfertig und ungeprüft jegliche Bedeutung im NF-Bereich ab.

Die Zusammenhänge sind seit langem ergründet und beschrieben: Innerhalb eines Leiters treten Stromkomponenten abweichend von der Hauptflußrichtung auf, sogenannte Wirbelströme, die sich dem Leiterstrom überlagern.

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Diese Wirbelströme sind die Ursache für eine resultierende Abnahme der Stromdichte zum Zentrum des Leiters hin, mit „Stromverdrängung" bezeichnet.

Weil die Wirbelströme durch Induktion hervorgerufen sind, ist dieses Verhalten zusätzlich noch frequenzabhängig, indem die Stromverdrängung mit zunehmender Frequenz stärker in Erscheinung tritt. Große Querschnitte erleichtern die Entstehung von Wirbelströmen. Daher ist es begreiflich, daß der Grad der Stromverdrängung vom Leiterquerschnitt abhängt.

Diese Gesamterscheinung der Stromverdrängung bei zunehmendem Leiterquerschnitt und zunehmender Frequenz wird „Skin-Effekt" genannt (von engl. Haut, Hülle, Oberfläche, da der Stromfluß quasi nur noch in einem gewissen Bereich dicht unter der Oberfläche konzentriert ist) und äußert sich in einer Widerstandszunahme, wie sie einer effektiven Querschnittsverminderung entspricht. Das Verhältnis R(f)/R0 mit R(f) = frequenzabhängiger Widerstand und R0 = Gleichstromwiderstand) wird als Skinfaktor bezeichnet.

In Abb. 5 ist der Verlauf des Skinfaktors bei verschiedenen Kabelquerschnitten dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, daß sich der Skin-Effekt bereits im Hörbereich auswirkt. Beim 2 x 10mm2 Kabel steigt der Widerstand bei 20kHz auf das Doppelte!

Eine extreme Steigerung des Querschnitts (es sind Anwendungen von bis zu 2 x 180mm2 und mehr bekannt), wie sie von HiFi-Absolutisten in guter Absicht vorgenommen wird, schießt über das Ziel hinaus und schlägt ins Gegenteil um, wenn nicht spezielle Maßnahmen gegen den Skin-Effekt ergriffen werden. Die Grenzen des Sinnvollen liegen meines Erachtens bei etwa 2 x 6mm2 Kabeln üblichen Aufbaus, was auch durch Klangerfahrungen bestätigt wird.

Zur Reduzierung des Skin-Effekts bieten sich zweierlei gehbare Wege an. Zum einen die Querschnittsverminderung im Baßbereich: Das Zentrum des Leiters, in dem bei hohen Frequenzen Stromverdrängung eintritt, wird einfach weggelassen, um gleiche Querschnittsbedingung auch für den Baß zu erzwingen. Es entsteht ein Leiter in Form eines „elektrisch hohlen" Rohres. Das in Abb. 5 mit „Rohrleiter 2 x 9mm2" bezeichnete Kabel ist ein solcher Anwendungsfall.

Die Verwendung des Begriffs „Hohlleiter" ist in diesem Zusammenhang jedoch Schlamperei, da im Tonfrequenzbereich nicht im Hohlen geleitet wird, im Gegensatz zur Mikrowellenleitung, bei der der Begriff Hohlleiter definiert ist. Für die vorliegende Leiterform kann man vielmehr in der Fachliteratur die Ausdrücke „Oberflächen-", „Hohlzylinder-" oder „Rohrleiter" finden.

Der zweite mögliche Weg zur Verminderung des Skin-Effekts besteht darin, die Oberfläche zu vergrößern. Das alleinige Erhöhen der Drahtanzahl innerhalb einer Litze hat allerdings keinen Einfluß auf die elektrisch wirksame Oberfläche, obwohl in Prospekten gelegentlich das Gegenteil behauptet wird, was weder meßtechnisch beweisbar noch physikalisch einsichtig ist.

• Anmerkung : Diese Hypothese ist nach wie vor umstritten.

Erst durch Isolierung, z. B. mit einer Lackschicht, werden die für den Skin-Effekt ursächlichen Wirbelströme am Überqueren der Drähte gehindert. Ähnlich positiv (!) kann sich jedoch auch bereits eine Oberflächen-Oxydation der Drähte auswirken, die nicht nur bei Kontakt mit Sauerstoff aus der Luft, sondern auch durch Reaktion mit der Säure im Isoliermaterial im Laufe der Zeit eintreten kann.
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Neben dem Skin-Effekt gibt es den Proximity-Effekt. Der Proximity-Effekt wird auch "Nähewirkung" genannt. Dieser ist wohl den meisten aus einem einfachen Experiment im Physikunterricht bekannt: Eine lose herabhängende Drahtschleife öffnet sich bei Durchfließen von Strom. Parallele Leiter mit entgegengesetzt gerichteten Strömen stoßen sich ab. Im festvergossenen Kabel können sich die Leiter nicht wesentlich auseinander bewegen, also wird der Stromfluß innerhalb der Leiter zur äußeren Seite gedrängt, was sich ähnlich wie beim Skin-Effekt wie eine Querschnittsverminderung bzw. Widerstandserhöhung auswirkt. Es hat den Anschein, als ob damit konsequenterweise die Verwendung von im Abstand laufenden Leitungen, sogenannten Stegleitungen, auf der Hand läge. Doch wie bald gezeigt wird, wäre mit einem geringfügigen Vorteil ein schwerer wiegender Nachteil für die Kabeleigenschaften erkauft.

Literatur: H. Schunk: Stromverdrängung (Hüthig Verlag, 1974)

In der nächsten Technikbeilage: Die Fingerabdrücke des Kabels - Übertragungsfunktion - Verzerrungsfreie Leitung
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