Hva er aktiv støyreduksjon?

Aktiv støyreduksjon er en svært ettertraktet funksjon på øretelefoner og hodetelefoner, og det er med god grunn. Den fjerner mye ekstern støy fra lytteopplevelsen din, noe som gjør det både betydelig mer fredelig og lettere å lytte på lavere volum. Men hvordan støyreduksjon fungerer på hodetelefoner som Sennheiser Momentum 4 trådløs og Sony WH-1000XM5 er litt av et mysterium for mange. Vi satte oss ned med Christian Ern, en hovedproduktsjef for Consumer Headphones hos Sennheiser, på årets IFA 2023 for å hjelpe til med å bryte det ned.

Lyddemping er det første trinnet til støydemping

Først og fremst er det viktigste å forstå om støyreduksjon at alt har å gjøre med frekvenser, lydbølger og mest av alt fysikk. Lyder beveger seg i bølger, som består av vibrasjoner som passerer gjennom luften. Jo hyppigere disse vibrasjonene er, desto høyere er frekvensen (som navnet antyder), og høyden på bølgen bestemmer i hovedsak amplituden eller lydstyrken.

Når man har å gjøre med høyfrekvente lyder, har disse vanskeligere for å trenge gjennom overflater, og denne egenskapen er den samme for alle typer frekvenser. Mens lyder i innhold rettet mot forbruk av mennesker vanligvis aldri vil gå forbi 20kHz (da det er grensen for menneskelig hørselsrekkevidde), mmWave 5G, for eksempel, går vanligvis så høyt som 40GHz. Ved 40GHz har mmWave problemer med å trenge gjennom alle typer overflater, og det er derfor det er et signalspekter som hovedsakelig finnes utendørs i store byer.

Med denne forståelsen av vanskeligheten med høyfrekvente lyder på penetrerende overflater, er dette grunnen til at mange avanserte hodetelefoner med aktiv støydemping bruker tykke, myke kopper. Mens lavfrekvente lyder kan trenge gjennom disse med letthet, vil høyerefrekvente lyder i stor grad filtreres av en tykk overflate som disse. Denne teknikken kalles lyddemping, og ikke aktiv støydemping.

Fysikk av destruktiv interferens

Når to koherente (for å si det enkelt, lignende) bølger kombineres, kalles dette interferens. Hvis de kombineres for å forsterke bølgen, er dette konstruktiv interferens, men hvis de kansellerer hverandre, kalles dette destruktiv interferens. Konseptet med destruktiv interferens er en stor del av det aktive støyreduserende puslespillet.

Ta en titt på bildet ovenfor, merk at den øverste linjen er en kombinasjon av de to bølgene under den. Til venstre er begge signalene i fase, så de forsterker og skaper en sterkere bølge som et resultat. Til høyre resulterer en utfaset antibølge i ødeleggende interferens. I en lydsammenheng vil ett signal være en ekstern lydbølge, og antibølgen som genereres for å ødelegge den, vil spilles av gjennom hodetelefonene til brukeren som lytter til musikk.

Hvis det er tilfelle, hvorfor hører du fortsatt lyd fra utsiden av hodetelefonene dine? Noen lyder fjernes helt, men det er aldri et perfekt par støyreduserende hodetelefoner. Igjen, av lignende grunner, handler det bare om fysikk. Det er her mikrofonene på utsiden av hodetelefonene dine spiller inn når det kommer til støyreduksjon og forskjellen mellom «feed-forward» og «feed-back» ANC.

Feedforward ANC versus feedback ANC

Det er to forskjellige typer ANC i bruk i hodetelefoner, og Ern forteller meg at stort sett alle flaggskiphodetelefoner vil bruke en kombinasjon av begge disse. Feedfoward vil lytte til lyd utenfor hodetelefonene og prøve å kansellere den, mens tilbakemelding ANC vil ha mikrofoner inne i koppene og lytt etter forskjellen mellom innsiden av hodetelefonene og lyden av hva bør spille.

Feedforward ANC er spesielt interessant, siden det viser det spesialiserte arbeidet som ligger i å lage støyreduserende hodetelefoner. I hovedsak vil en lydbølge som kommer inn i ørekoppen gå inn i en av mikrofonene, og i løpet av millisekundene det tar for den lyden bølge for å nå øret ditt (ettersom mikrofonen er noen få centimeter unna), vil den prøve å behandle den lydbølgen og generere en anti-bølge. For lyder som vender mot mikrofonen fungerer den bra på bare millisekunder, men for lyder over og under den ikke, siden de ikke kommer direkte inn i mikrofonen og kan nå øret før de kan kanselleres ute. Det er derfor tilbakemelding ANC kan tette hullene.

Med feedback ANC bruker den mikrofoner på innsiden av øreklokken for å måle forskjellen mellom det som skal spilles og det som faktisk kan høres inne i øreklokken. Når lyden utenfra når denne mikrofonen, blir den allerede hørt av lytteren, men den kan brukes til å fjerne konstante lyder, som summingen fra et fly eller andre ting. Det kan imidlertid ikke hjelpe med plutselige lyder, og derfor er en kombinasjon av feedforward versus feedback best.

Som en sidenotat, har du noen gang gnidd fingrene på utsiden av øretelefonene eller hodetelefonene og hørt en høy lyd? Feedforward ANC er nøyaktig hvorfor det skjer, og high-end ekte trådløse øretelefoner med ANC er i hovedsak det samme oppsettet som high-end hodetelefoner, bare i mindre skala.

Å bringe det hele sammen

Når vi kombinerer feedforward og feedback aktiv støydemping, får vi en kraftig kombinasjon som er i stand til å kansellere lavfrekvente lyder med stor konsistens. Det er også grunnen til at aktive støyreduserende hodetelefoner er gode til å filtrere ut lyden av ting som offentlige transport og andre konstante lyder fordi de er forutsigbare lyder som feedback ANC kan forutsi og fjerne. Kombinerer det med de lyddempende egenskapene til tykkere øreklokker som fungerer bra på høyere frekvenser, og du har all teknologien som utgjør det store flertallet av aktiv støydemping i dag.

Der dette fortsatt faller fra hverandre er å filtrere ut tale, og hvorfor aktiv støydemping kan slite. Området fra 1kHz til 3kHz er der det meste av menneskelig tale er, og dette er akkurat høyt nok til å være vanskeligere for tilbakemeldings-ANC å kansellere, men for retningsbestemt til å fungere godt med feedforward ANC. Å kombinere dem introduserer mye kompleksitet (det er grunnen til at hodetelefoner vanligvis bare bruker én av disse teknikkene og ikke begge), og kan også påvirke lydkvaliteten.

I dette tilfellet forteller Ern meg at hodetelefoner eller øretelefoner kan prioriteres for lydkvalitet eller ANC, men ikke alltid begge deler. Lyden må stilles inn for når ANC er på, men hvis du fjerner frekvenser som kan høres utenfra, risikerer du også å fjerne frekvenser i den faktiske musikken din. Det er derfor støyreduksjon er en så komplisert ingeniørkunst, men det beste ANC-hodetelefoner alle gjør det veldig bra.