Wat is actieve ruisonderdrukking?

Actieve ruisonderdrukking is een zeer gewilde functie op oortelefoons en hoofdtelefoons, en met goede reden. Het verwijdert veel omgevingsgeluid uit uw luisterervaring, waardoor het aanzienlijk rustiger wordt en gemakkelijker te luisteren is bij lagere volumes. Hoe ruisonderdrukking werkt op hoofdtelefoons zoals de Sennheiser Momentum 4 Draadloos en de Sony WH-1000XM5 is voor velen een beetje een mysterie. We spraken dit jaar met Christian Ern, Principal Product Manager Consumer Headphones bij Sennheiser IFA 2023 om het te helpen afbreken.

Geluidsdemping is de eerste stap naar ruisonderdrukking

Eerst en vooral is het belangrijkste dat je moet begrijpen over ruisonderdrukking dat het allemaal te maken heeft met frequenties, geluidsgolven en vooral met natuurkunde. Geluiden reizen in golven, die bestaan ​​uit trillingen die door de lucht gaan. Hoe frequenter deze trillingen zijn, hoe hoger de frequentie is (zoals de naam al doet vermoeden), en de hoogte van de golf bepaalt in wezen de amplitude of luidheid.

Als je te maken hebt met geluiden met een hogere frequentie, kunnen deze moeilijker door oppervlakken dringen, en deze eigenschap geldt voor alle soorten frequenties. Hoewel geluiden in inhoud die op consumptie door mensen is gericht doorgaans nooit voorbij de 20 kHz zullen gaan (aangezien dat de limiet is van het menselijke gehoorbereik), kan mmWave 5G bijvoorbeeld gaat doorgaans tot 40 GHz. Op 40 GHz heeft mmWave moeite met het doordringen van allerlei soorten oppervlakken. Daarom is het een signaalspectrum dat voornamelijk buitenshuis wordt aangetroffen. grote steden.

Als we uitgaan van de moeilijkheid van hoogfrequente geluiden in doordringende oppervlakken, is dit de reden waarom veel hoogwaardige hoofdtelefoons met actieve ruisonderdrukking dikke, zachte cups gebruiken. Terwijl geluiden met een lagere frequentie hier gemakkelijk doorheen kunnen dringen, zullen geluiden met een hogere frequentie grotendeels worden gefilterd door een dik oppervlak zoals deze. Deze techniek wordt geluidsdemping genoemd en niet actieve ruisonderdrukking.

Fysica van destructieve interferentie

Wanneer twee coherente (om het simpel te zeggen, soortgelijke) golven samenkomen, wordt dit interferentie genoemd. Als ze samenwerken om de golf te versterken, is er sprake van constructieve interferentie, maar als ze elkaar opheffen, wordt dit destructieve interferentie genoemd. Het concept van destructieve interferentie is een groot deel van de actieve ruisonderdrukkingspuzzel.

Kijk naar de bovenstaande afbeelding en merk op dat de bovenste lijn een combinatie is van de twee golven eronder. Aan de linkerkant zijn beide signalen in fase, waardoor ze versterken en daardoor een sterkere golf ontstaan. Aan de rechterkant resulteert een uit fase zijnde antigolf in destructieve interferentie. In een audiocontext zou één signaal een geluidsgolf van buitenaf zijn, en de antigolf die wordt gegenereerd om deze te vernietigen, zou worden afgespeeld via de hoofdtelefoon van de drager die naar muziek luistert.

Als dat het geval is, waarom hoor je dan nog steeds audio van buiten je hoofdtelefoon? Sommige geluiden worden volledig verwijderd, maar er bestaat nooit een perfecte hoofdtelefoon met ruisonderdrukking. Nogmaals, om vergelijkbare redenen draait het allemaal alleen maar om natuurkunde. Dit is waar de microfoons aan de buitenkant van je hoofdtelefoon een rol spelen als het gaat om ruisonderdrukking en het verschil tussen "feed-forward" en "feed-back" ANC.

Feedforward-ANC versus feedback-ANC

Er worden twee verschillende soorten ANC gebruikt in hoofdtelefoons, en Ern vertelt me ​​dat vrijwel alle vlaggenschiphoofdtelefoons een combinatie van beide zullen gebruiken. Feedfoward luistert naar audio buiten de hoofdtelefoon en probeert deze te onderdrukken, terwijl ANC feedback zal krijgen microfoons in de cups en luister naar het verschil tussen de binnenkant van de hoofdtelefoon en het geluid van wat zou moeten spelen.

Feedforward ANC is bijzonder interessant, omdat het het gespecialiseerde werk laat zien dat gepaard gaat met het maken van ruisonderdrukkende hoofdtelefoons. In wezen zal een geluidsgolf die de oorschelp binnendringt, een van de microfoons binnendringen, en in de milliseconden die nodig zijn voor dat geluid golf uw oor bereikt (aangezien de microfoon zich op een paar centimeter afstand bevindt), zal hij proberen die geluidsgolf te verwerken en een geluidsgolf te genereren anti-golf. Voor geluiden die naar de microfoon gericht zijn, werkt het in slechts milliseconden goed, maar voor geluiden erboven en eronder niet, omdat ze niet rechtstreeks in de microfoon terechtkomen en het oor kunnen bereiken voordat ze kunnen worden geannuleerd uit. Daarom kan feedback ANC de gaten dichten.

Met feedback-ANC gebruikt het microfoons aan de binnenkant van de oorschelp om het verschil te meten tussen wat er zou moeten spelen en wat er daadwerkelijk in de oorschelp te horen is. Wanneer het geluid van buitenaf deze microfoon bereikt, is het al hoorbaar voor de luisteraar, maar het kan worden gebruikt om constante geluiden te verwijderen, zoals het gezoem van een vliegtuig of andere dingen. Bij plotselinge geluiden helpt het echter niet, daarom is een combinatie van feedforward versus feedback het beste.

Even terzijde: heb je ooit met je vingers over de buitenkant van je oortelefoon of koptelefoon gewreven en een hoog geluid gehoord? Feedforward ANC is precies waarom dat gebeurt, en high-end echte draadloze oortelefoons met ANC zijn in wezen dezelfde opzet als hoogwaardige hoofdtelefoon, alleen op kleinere schaal.

Het allemaal samenbrengen

Wanneer we actieve ruisonderdrukking met feedforward en feedback combineren, krijgen we een krachtige combinatie die in staat is om geluiden met een lagere frequentie met grote consistentie te onderdrukken. Dat is ook de reden waarom hoofdtelefoons met actieve ruisonderdrukking geweldig zijn in het filteren van het geluid van bijvoorbeeld openbare geluiden transport- en andere constante geluiden omdat het voorspelbare geluiden zijn die feedback ANC met succes kan voorspellen en verwijderen. Dat combineer ik met de geluiddempende eigenschappen van dikkere oorschelpen die goed werken op hogere oorschelpen frequenties, en je beschikt over alle technologie die de overgrote meerderheid van actieve ruisonderdrukking vormt Vandaag.

Waar dit nog steeds niet lukt, is het filteren van spraak, en waarom actieve ruisonderdrukking moeite kan hebben. Het bereik van 1 kHz tot 3 kHz is waar de meeste menselijke spraak zich bevindt, en dit is net hoog genoeg om het moeilijker te maken voor feedback-ANC om te neutraliseren, maar te directioneel om goed te werken met feedforward-ANC. Het combineren ervan brengt veel complexiteit met zich mee (wat de reden is dat hoofdtelefoons uit het midden- tot lage segment slechts één van deze technieken gebruiken en niet beide), en kan ook de geluidskwaliteit beïnvloeden.

In dit geval vertelt Ern me dat koptelefoons of oortelefoons voorrang kunnen krijgen op het gebied van geluidskwaliteit of ANC, maar niet altijd allebei. Het geluid moet worden afgestemd als ANC is ingeschakeld, maar als je frequenties verwijdert die van buitenaf hoorbaar zijn, loop je het risico dat je ook frequenties in je eigenlijke muziek verwijdert. Daarom is noise-cancelling zo’n ingewikkeld technisch staaltje, maar de beste ANC-hoofdtelefoon doen het allemaal heel goed.