Vad är aktiv brusreducering?

Active Noise Cancellation är en mycket eftertraktad funktion på hörlurar och hörlurar, och av goda skäl. Den tar bort mycket externt brus från din lyssningsupplevelse, vilket gör det både betydligt lugnare och lättare att lyssna på lägre volymer. Men hur brusreducerande fungerar på hörlurar som Sennheiser Momentum 4 trådlös och den Sony WH-1000XM5 är lite av ett mysterium för många. Vi satte oss ner med Christian Ern, en huvudproduktchef för konsumenthörlurar på Sennheiser, på årets IFA 2023 för att hjälpa till att bryta ner det.

Ljuddämpning är det första steget till brusreducering

Först och främst är det viktigaste att förstå om brusreducering att allt har att göra med frekvenser, ljudvågor och framför allt fysik. Ljud färdas i vågor, som består av vibrationer som passerar genom luften. Ju vanligare dessa vibrationer är, desto högre är frekvensen (som namnet antyder), och höjden på vågen bestämmer i huvudsak amplituden eller ljudstyrkan.

När man har att göra med högfrekventa ljud har dessa svårare att tränga igenom ytor, och denna egenskap är likadan för alla typer av frekvenser. Medan ljud i innehåll som är inriktat på konsumtion av människor vanligtvis aldrig kommer att överstiga 20 kHz (eftersom det är gränsen för mänsklig hörselräckvidd), mmWave 5G, till exempel, går vanligtvis så högt som 40GHz. Vid 40GHz har mmWave problem med att penetrera alla typer av ytor, varför det är ett signalspektrum som huvudsakligen finns utomhus i storstäder.

Med den förståelsen för svårigheten med högfrekventa ljud på penetrerande ytor, är det därför många avancerade hörlurar med aktiv brusreducering använder tjocka, mjuka kupor. Medan lågfrekventa ljud lätt kan penetrera dessa, kommer högfrekventa ljud att filtreras kraftigt av en tjock yta som dessa. Denna teknik kallas ljuddämpning och inte aktiv brusreducering.

Fysik av destruktiv interferens

När två koherenta (för att uttrycka det enkelt, liknande) vågor kombineras kallas detta interferens. Om de kombineras för att förstärka vågen är detta konstruktiv interferens, men om de tar bort varandra kallas detta destruktiv interferens. Konceptet med destruktiv störning är en stor del av det aktiva brusreducerande pusslet.

Ta en titt på bilden ovan och notera att den översta linjen är en kombination av de två vågorna under den. Till vänster är båda signalerna i fas, så de förstärks och skapar en starkare våg som ett resultat. Till höger resulterar en utfasad antivåg i destruktiv störning. I ett ljudsammanhang skulle en signal vara en extern ljudvåg, och den antivåg som genererades för att förstöra den skulle spelas upp genom hörlurarna till bäraren som lyssnar på musik.

Om så är fallet, varför hör du fortfarande ljud från utsidan av dina hörlurar? Vissa ljud tas bort helt, men det finns aldrig ett perfekt par brusreducerande hörlurar. Återigen, av liknande skäl, handlar det bara om fysik. Det är här mikrofonerna på utsidan av dina hörlurar kommer in i bilden när det kommer till brusreducering och skillnaden mellan "feed-forward" och "feed-back" ANC.

Feedforward ANC kontra feedback ANC

Det finns två olika typer av ANC som används i hörlurar, och Ern säger till mig att i stort sett alla flaggskeppshörlurar kommer att använda en kombination av båda dessa. Feedfoward kommer att lyssna på ljud utanför hörlurarna och försöka ta bort det, medan feedback ANC kommer att ha mikrofoner inuti kopparna och lyssna efter skillnaden mellan insidan av hörlurarna och ljudet av vad skall spela.

Feedforward ANC är särskilt intressant, eftersom det visar det specialiserade arbetet som går till att skapa brusreducerande hörlurar. I huvudsak kommer en ljudvåg som kommer in i öronkåpan att komma in i en av mikrofonerna, och inom de millisekunder som det tar för det ljudet våg för att nå ditt öra (eftersom mikrofonen är några centimeter bort), kommer den att försöka bearbeta den ljudvågen och generera en anti-våg. För ljud som är vända mot mikrofonen fungerar den bra på bara millisekunder, men för ljud över och under den inte, eftersom de inte kommer direkt in i mikrofonen och kan nå örat innan de kan avbrytas ut. Det är därför feedback ANC kan täppa till luckorna.

Med feedback ANC använder den mikrofoner på insidan av öronkåpan för att mäta skillnaden mellan vad som ska spelas och vad som faktiskt kan höras inuti öronkåpan. När ljudet utifrån når den här mikrofonen hörs det redan av lyssnaren, men det kan användas för att ta bort konstanta ljud, som brum från ett flygplan eller andra saker. Det kan dock inte hjälpa vid plötsliga ljud, varför en kombination av feedforward kontra feedback är bäst.

Som en sidoanteckning, har du någonsin gnuggat fingrarna på utsidan av dina hörlurar och hört ett högt ljud? Feedforward ANC är exakt varför det händer, och high-end äkta trådlösa hörlurar med ANC är i huvudsak samma inställningar som högklassiga hörlurar, bara i mindre skala.

Att få ihop allt

När vi kombinerar feedforward och feedback aktiv brusreducering får vi en kraftfull kombination som kan ta bort lågfrekventa ljud med stor konsistens. Det är också därför aktiva brusreducerande hörlurar är fantastiska på att filtrera bort ljudet av saker som offentliga transport och andra konstanta ljud eftersom de är förutsägbara ljud som feedback ANC framgångsrikt kan förutsäga och avlägsna. Att kombinera det med de ljuddämpande egenskaperna hos tjockare öronkåpor som fungerar bra på högre frekvenser, och du har all teknik som utgör den stora majoriteten av aktiv brusreducering i dag.

Där detta fortfarande faller samman är att filtrera bort tal, och varför aktiv brusreducering kan kämpa. Området 1kHz till 3kHz är där det mesta mänskliga talet finns, och detta är precis tillräckligt högt för att vara svårare för feedback ANC att ta bort men för riktat för att fungera bra med feedforward ANC. Att kombinera dem introducerar en hel del komplexitet (vilket är anledningen till att hörlurar i mellan-till-low-end vanligtvis bara använder en av dessa tekniker och inte båda), och kan också påverka ljudkvaliteten.

I det här fallet säger Ern till mig att hörlurar eller hörlurar kan prioriteras för ljudkvalitet eller ANC, men inte alltid båda. Ljudet måste ställas in för när ANC är på, men om du tar bort frekvenser som kan höras utifrån riskerar du att ta bort frekvenser i din faktiska musik också. Det är därför brusreducering är en så komplicerad ingenjörskonst, men det bästa ANC-hörlurar alla klarar det väldigt bra.