Hvad er aktiv støjreduktion?

Aktiv støjreduktion er en meget efterspurgt funktion på høretelefoner og hovedtelefoner, og det er der god grund til. Det fjerner meget udefrakommende støj fra din lytteoplevelse, hvilket gør det både betydeligt mere fredfyldt og lettere at lytte ved lavere lydstyrker. Men hvordan virker støjreducerende på hovedtelefoner som Sennheiser Momentum 4 trådløs og Sony WH-1000XM5 er lidt af et mysterium for mange. Vi sad sammen med Christian Ern, en hovedproduktchef for Consumer Headphones hos Sennheiser, til dette års IFA 2023 for at hjælpe med at nedbryde det.

Lyddæmpning er det første skridt til støjreduktion

Først og fremmest er det vigtigste at forstå ved støjreduktion, at det hele har at gøre med frekvenser, lydbølger og mest af alt fysik. Lyde bevæger sig i bølger, som er opbygget af vibrationer, der passerer gennem luften. Jo hyppigere disse vibrationer er, jo højere er frekvensen (som navnet antyder), og bølgens højde bestemmer i det væsentlige amplituden eller lydstyrken.

Når man har med højerefrekvente lyde at gøre, har disse sværere ved at trænge ind i overflader, og denne egenskab er den samme for alle typer frekvenser. Mens lyde i indhold rettet mod forbrug af mennesker typisk aldrig vil overstige 20kHz (da det er grænsen for menneskelig hørerækkevidde), mmWave 5G, f.eks. går typisk så højt som 40GHz. Ved 40GHz har mmWave problemer med at trænge igennem alle slags overflader, hvorfor det er et signalspektrum, der overvejende findes udendørs i store byer.

Med denne forståelse af vanskeligheden ved højfrekvente lyde på gennemtrængende overflader, er det derfor, mange avancerede hovedtelefoner med aktiv støjreduktion bruger tykke, bløde kopper. Mens lavfrekvente lyde nemt kan trænge ind i disse, vil højfrekvente lyde i høj grad blive filtreret af en tyk overflade som disse. Denne teknik kaldes lyddæmpning og ikke aktiv støjreduktion.

Fysik af destruktiv interferens

Når to sammenhængende (for at sige det enkelt, lignende) bølger kombineres, kaldes dette interferens. Hvis de kombineres for at forstærke bølgen, så er dette konstruktiv interferens, men hvis de ophæver hinanden, så kaldes dette destruktiv interferens. Konceptet med destruktiv interferens er en stor brik i det aktive støjreducerende puslespil.

Tag et kig på ovenstående billede, bemærk, at den øverste linje er en kombination af de to bølger under den. Til venstre er begge signaler i fase, så de forstærker og skaber en stærkere bølge som resultat. Til højre resulterer en udfaset antibølge i destruktiv interferens. I en lydsammenhæng ville det ene signal være en ekstern lydbølge, og den anti-bølge, der blev genereret for at ødelægge den, ville blive afspillet gennem hovedtelefonerne på den, der lytter til musik.

Hvis det er tilfældet, hvorfor hører du så stadig lyd uden for dine hovedtelefoner? Nogle lyde fjernes helt, men der er aldrig et par perfekte støjreducerende hovedtelefoner. Igen, af lignende årsager, handler det kun om fysik. Det er her mikrofonerne på ydersiden af ​​dine høretelefoner kommer i spil, når det kommer til støjreduktion og forskellen mellem "feed-forward" og "feed-back" ANC.

Feedforward ANC versus feedback ANC

Der er to forskellige slags ANC i brug i hovedtelefoner, og Ern fortæller mig, at stort set alle flagskibshovedtelefoner vil bruge en kombination af begge disse. Feedfoward vil lytte til lyd uden for hovedtelefonerne og forsøge at annullere den, mens feedback ANC vil have mikrofoner inde i kopperne og lyt efter forskellen mellem indersiden af ​​høretelefonerne og lyden af ​​hvad bør spille.

Feedforward ANC er særligt interessant, da det viser det specialiserede arbejde, der ligger i at skabe støjreducerende hovedtelefoner. I det væsentlige vil en lydbølge, der kommer ind i ørekoppen, komme ind i en af ​​mikrofonerne, og i løbet af de millisekunder, det tager for den lyd bølge for at nå dit øre (da mikrofonen er et par centimeter væk), vil den forsøge at behandle den lydbølge og generere en anti-bølge. For lyde, der vender mod mikrofonen, fungerer det godt på bare millisekunder, men for lyde over og under det ikke, da de ikke kommer direkte ind i mikrofonen og kan nå øret, før de kan annulleres ud. Det er derfor feedback ANC kan lukke hullerne.

Med feedback ANC bruger den mikrofoner på indersiden af ​​ørekoppen til at måle forskellen mellem, hvad der skal spilles i forhold til, hvad der rent faktisk kan høres inde i ørekoppen. Når lyden udefra når denne mikrofon, bliver den allerede hørt af lytteren, men den kan bruges til at fjerne konstante lyde, såsom brummen fra et fly eller andre ting. Det kan dog ikke hjælpe ved pludselige lyde, hvorfor en kombination af feedforward versus feedback er bedst.

Som en sidebemærkning, har du nogensinde gnedet dine fingre på ydersiden af ​​dine høretelefoner eller høretelefoner og hørt en høj lyd? Feedforward ANC er præcis hvorfor det sker, og high-end ægte trådløse høretelefoner med ANC er stort set samme opsætning som avancerede hovedtelefoner, bare i mindre skala.

At bringe det hele sammen

Når vi kombinerer feedforward og feedback aktiv støjreduktion, får vi en kraftfuld kombination, der er i stand til at annullere lavere frekvens lyde med stor konsistens. Det er også derfor, aktive støjreducerende hovedtelefoner er gode til at filtrere lyden fra ting som offentlige transport og andre konstante lyde, fordi de er forudsigelige lyde, som feedback ANC med succes kan forudsige og fjerne. Kombinerer det med de lyddæmpende egenskaber fra tykkere ørekopper, der fungerer godt på højere frekvenser, og du har al den teknologi, der udgør langt størstedelen af ​​aktiv støjreduktion i dag.

Hvor dette stadig falder fra hinanden, er at filtrere tale fra, og hvorfor aktiv støjreduktion kan kæmpe. Området fra 1kHz til 3kHz er det sted, hvor det meste af menneskelig tale er, og det er lige højt nok til at være sværere for feedback ANC at annullere, men for retningsbestemt til at fungere godt med feedforward ANC. Kombinationen af ​​dem introducerer en masse kompleksitet (hvilket er grunden til, at hovedtelefoner typisk kun bruger en af ​​disse teknikker og ikke begge), og det kan også påvirke lydkvaliteten.

I dette tilfælde fortæller Ern mig, at hovedtelefoner eller øretelefoner kan prioriteres til lydkvalitet eller ANC, men ikke altid begge dele. Lyden skal tunes til, når ANC er tændt, men hvis du fjerner frekvenser, der kan høres udefra, risikerer du også at fjerne frekvenser i din egentlige musik. Det er derfor, at støjreduktion er en så kompliceret ingeniørkunst, men det bedste ANC hovedtelefoner alle gør det meget godt.