Was ist aktive Geräuschunterdrückung?

Die aktive Geräuschunterdrückung ist aus gutem Grund eine sehr gefragte Funktion bei Ohrhörern und Kopfhörern. Dadurch werden viele Außengeräusche aus Ihrem Hörerlebnis entfernt, wodurch das Hören deutlich ruhiger und auch bei geringerer Lautstärke einfacher ist. Allerdings funktioniert die Geräuschunterdrückung bei Kopfhörern wie dem Sennheiser Momentum 4 Wireless und das Sony WH-1000XM5 ist für viele ein Rätsel. Wir haben uns dieses Jahr mit Christian Ern getroffen, einem leitenden Produktmanager für Consumer-Kopfhörer bei Sennheiser IFA 2023 um zu helfen, es aufzulösen.

Schalldämpfung ist der erste Schritt zur Geräuschunterdrückung

Das Wichtigste, was man über die Geräuschunterdrückung verstehen muss, ist zunächst einmal, dass alles mit Frequenzen, Schallwellen und vor allem mit der Physik zu tun hat. Schall breitet sich in Wellen aus, die aus Schwingungen bestehen, die durch die Luft gehen. Je häufiger diese Schwingungen auftreten, desto höher ist die Frequenz (wie der Name schon sagt) und die Höhe der Welle bestimmt im Wesentlichen die Amplitude bzw. Lautstärke.

Bei höherfrequenten Geräuschen ist es für diese schwieriger, Oberflächen zu durchdringen, und diese Eigenschaft gilt für alle Arten von Frequenzen. Während Geräusche in Inhalten, die für den Konsum durch Menschen bestimmt sind, normalerweise nie über 20 kHz hinausgehen (da dies die Grenze des menschlichen Hörbereichs ist), mmWave 5G beispielsweise typischerweise bis zu 40 GHz. Bei 40 GHz hat mmWave Schwierigkeiten, alle Arten von Oberflächen zu durchdringen, weshalb es sich um ein Signalspektrum handelt, das überwiegend im Freien zu finden ist Großstädte.

Angesichts der Schwierigkeit, dass hochfrequente Geräusche Oberflächen durchdringen, ist dies der Grund, warum viele High-End-Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung dicke, weiche Schalen verwenden. Während niederfrequente Töne diese problemlos durchdringen können, werden höherfrequente Töne durch eine dicke Oberfläche wie diese stark gefiltert. Diese Technik wird Schalldämpfung genannt und nicht aktive Geräuschunterdrückung.

Physik der destruktiven Interferenz

Wenn zwei kohärente (vereinfacht gesagt ähnliche) Wellen zusammentreffen, spricht man von Interferenz. Wenn sie zusammenwirken, um die Welle zu verstärken, handelt es sich um konstruktive Interferenz, heben sie sich jedoch gegenseitig auf, spricht man von destruktiver Interferenz. Das Konzept der destruktiven Interferenz ist ein wichtiger Teil des Puzzles der aktiven Geräuschunterdrückung.

Wenn Sie sich das Bild oben ansehen, stellen Sie fest, dass die obere Linie eine Kombination der beiden Wellen darunter ist. Auf der linken Seite sind beide Signale in Phase, verstärken sich also und erzeugen dadurch eine stärkere Welle. Rechts führt eine phasenverschobene Gegenwelle zu destruktiver Interferenz. Im Audiokontext wäre ein Signal eine äußere Schallwelle, und die zu ihrer Zerstörung erzeugte Gegenwelle würde über die Kopfhörer des Musikhörenden abgespielt.

Wenn das der Fall ist, warum hören Sie dann immer noch Audio von außerhalb Ihrer Kopfhörer? Einige Geräusche werden vollständig entfernt, aber es gibt nie den perfekten Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung. Auch hier geht es aus ähnlichen Gründen nur um die Physik. Hier kommen die Mikrofone an der Außenseite Ihrer Kopfhörer ins Spiel, wenn es um die Geräuschunterdrückung und den Unterschied zwischen „Feed-Forward“- und „Feed-Back“-ANC geht.

Feedforward-ANC versus Feedback-ANC

In Kopfhörern werden zwei verschiedene Arten von ANC verwendet, und Ern erzählt mir, dass so gut wie alle Flaggschiff-Kopfhörer eine Kombination aus beiden verwenden. Feedfoward hört Audio außerhalb der Kopfhörer und versucht, es zu unterdrücken, während ANC Feedback hat Mikrofone in den Hörmuscheln und achten Sie auf den Unterschied zwischen dem Inneren der Kopfhörer und dem Klang von was sollen spielen.

Feedforward ANC ist besonders interessant, da es die spezielle Arbeit zeigt, die in die Entwicklung von Kopfhörern mit Geräuschunterdrückung gesteckt wird. Im Wesentlichen gelangt eine Schallwelle, die in die Ohrmuschel eindringt, in eines der Mikrofone, und zwar in den Millisekunden, die für diesen Ton benötigt werden Wenn die Schallwelle Ihr Ohr erreicht (da das Mikrofon nur wenige Zentimeter entfernt ist), wird versucht, diese Schallwelle zu verarbeiten und eine Schallwelle zu erzeugen Anti-Welle. Bei Tönen, die auf das Mikrofon gerichtet sind, funktioniert es in wenigen Millisekunden gut, bei Tönen darüber und darunter hingegen Dies ist jedoch nicht der Fall, da sie nicht direkt in das Mikrofon gelangen und möglicherweise das Ohr erreichen, bevor sie gelöscht werden können aus. Deshalb kann Feedback ANC die Lücken schließen.

Beim Feedback-ANC werden Mikrofone an der Innenseite der Hörmuschel verwendet, um den Unterschied zwischen dem, was abgespielt werden sollte, und dem, was tatsächlich in der Hörmuschel zu hören ist, zu messen. Wenn der Schall von außen dieses Mikrofon erreicht, ist er für den Zuhörer bereits hörbar, kann aber dazu verwendet werden, ständige Geräusche wie das Brummen eines Flugzeugs oder andere Dinge zu entfernen. Bei plötzlichen Geräuschen kann es jedoch nicht helfen, weshalb eine Kombination aus Feedforward versus Feedback am besten ist.

Nebenbei bemerkt: Haben Sie jemals Ihre Finger an der Außenseite Ihres Ohrhörers oder Kopfhörers gerieben und ein hohes Geräusch gehört? Feedforward ANC ist genau der Grund, warum das passiert, und zwar im High-End-Bereich echte kabellose Kopfhörer mit ANC sind im Wesentlichen das gleiche Setup wie High-End-Kopfhörer, nur in kleinerem Maßstab.

Alles zusammenbringen

Wenn wir die aktive Geräuschunterdrückung mit Feedforward und Feedback kombinieren, erhalten wir eine leistungsstarke Kombination, die in der Lage ist, niederfrequente Geräusche mit großer Konsistenz zu unterdrücken. Aus diesem Grund eignen sich Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung auch hervorragend zum Herausfiltern von Geräuschen in der Öffentlichkeit Transport- und andere ständige Geräusche, da es sich um vorhersehbare Geräusche handelt, die Feedback ANC erfolgreich vorhersagen kann entfernen. Kombiniert wird dies mit den schalldämpfenden Eigenschaften dickerer Ohrmuscheln, die auch in höheren Lagen gut funktionieren Frequenzen, und Sie verfügen über die gesamte Technologie, die den Großteil der aktiven Geräuschunterdrückung ausmacht Heute.

Wo dies immer noch scheitert, ist das Herausfiltern von Sprache und warum die aktive Geräuschunterdrückung Probleme bereiten kann. Der Bereich von 1 kHz bis 3 kHz ist der Bereich, in dem sich die meiste menschliche Sprache befindet, und dieser ist gerade hoch genug, um für Feedback-ANC schwieriger auszulöschen, aber zu gerichtet, um gut mit Feedforward-ANC zu funktionieren. Ihre Kombination bringt eine Menge Komplexität mit sich (weshalb bei Kopfhörern der mittleren bis unteren Preisklasse typischerweise nur eine dieser Techniken und nicht beide verwendet werden) und kann auch die Klangqualität beeinflussen.

In diesem Fall sagt mir Ern, dass Kopf- oder Ohrhörer hinsichtlich der Klangqualität oder ANC priorisiert werden können, aber nicht immer beides. Der Ton muss für den Fall angepasst werden, dass ANC aktiviert ist. Wenn Sie jedoch Frequenzen entfernen, die von außen hörbar sind, besteht die Gefahr, dass auch Frequenzen in Ihrer eigentlichen Musik entfernt werden. Deshalb ist die Geräuschunterdrückung eine so komplizierte technische Leistung, aber die beste ANC-Kopfhörer alle machen das sehr gut.