Sie bewerten ein Paar In-Ear-Ohrhörer. Dabei kann Ihnen auffallen, dass das Einschalten von ANC (aktiver Geräuschunterdrückung) das tiefe Brummen einer Klimaanlage deutlich leiser macht, während eine Person in der Nähe weiterhin zu hören ist. Woher kommt dieser Unterschied? Wer ihn versteht, kann genauer einschätzen, was die Geräuschunterdrückung tatsächlich verändert.
Bei Yinshidon betrachten wir die Geräuschunterdrückung aus der Perspektive der Entwicklung und Fertigung vollständiger Kopfhörer als Teil des Gesamtsystems. Mikrofone erfassen den Schall, ein Prozessor berechnet ein Kompensationssignal und der Lautsprecher wandelt dieses Signal in Schall um. Auch der Sitz des Ohrpassstücks beeinflusst, wie Schall in den Gehörgang gelangt. ANC arbeitet unter den akustischen Bedingungen, die all diese Teile gemeinsam schaffen.
Wie ANC Geräusche im Ohr reduziert
ANC lässt den Ohrhörer einen kompensierenden Schall, häufig Gegenschall genannt, erzeugen, um Umgebungsgeräusche im Ohr zu verringern. Entscheidend ist die Überlagerung der Schalldrücke: Bei der Schallausbreitung steigt und fällt der Luftdruck um seinen Gleichgewichtswert. Treffen zwei Schallwellen gleichzeitig am selben Punkt ein, addieren sich ihre Druckänderungen.
Die Frequenz gibt die Anzahl der Druckschwingungen pro Sekunde an. Betrachten wir einen Ton mit einer einzigen Frequenz: Erhöht das Geräusch den Druck an einem Punkt, senkt ihn der Gegenschall; senkt das Geräusch den Druck, erhöht ihn der Gegenschall. Bei gleicher Amplitude und entgegengesetzten Druckänderungen können sie sich an diesem Punkt auslöschen. Diese Beziehung heißt Gegenphasigkeit. Die beiden Kurven im Diagramm haben gleich viele Schwingungen, doch die Wellenberge der einen fallen mit den Wellentälern der anderen zusammen.
Bei einem realen Ohrhörer soll diese Auslöschung im Ohr möglichst wirksam erfolgen. Das Mikrofon wandelt den erfassten Schall in ein elektrisches Signal um. Der Regler verarbeitet dieses Signal und steuert den Lautsprecher an, der den Gegenschall erzeugt. Während sich der Schall durch Ohrhörer und Gehörgang ausbreitet, ändern sich seine Amplitude und seine Ankunftszeit. Der Regler muss diese Änderungen berücksichtigen, damit der Gegenschall beim Eintreffen im Ohr möglichst genau zum Störschall passt.
ANC macht also mehr, als das Mikrofonsignal einfach umzukehren und wiederzugeben. Hat der Gegenschall die falsche Amplitude oder trifft er zum falschen Zeitpunkt ein, bleibt nach der Überlagerung ein Restgeräusch. Die untere Hälfte des Diagramms zeigt diesen verbleibenden Schalldruck. Reale Umgebungen enthalten viele Frequenzen, und sowohl die Schallquellen als auch der Sitz der Ohrhörer können sich ändern. Eine dauerhaft wirksame Auslöschung ist daher wesentlich komplexer als das hier gezeigte Beispiel mit nur einer Frequenz.
Feedforward-, Feedback- und Hybrid-ANC: Was die Mikrofone erfassen
Um Gegenschall zu berechnen, benötigt das System zunächst Informationen über den Störschall. Zur Anpassung des Ergebnisses kann es zusätzlich den Schall im Ohr überwachen. Feedforward-, Feedback- und Hybrid-ANC unterscheiden sich hauptsächlich darin, welche Mikrofonsignale sie nutzen.
| ANC-Verfahren | Wo das Mikrofon den Schall erfasst | Wofür die Informationen genutzt werden |
|---|---|---|
| Feedforward (FF) | An der nach außen gerichteten Seite des Ohrhörers | Liefert frühzeitig eine Referenz des Umgebungsschalls zur Erzeugung von Gegenschall |
| Feedback (FB) | An der zum Gehörgang gerichteten Seite des Ohrhörers | Führt den tatsächlichen Schall am Ohr zum Regler zurück, um Gegenschall zu erzeugen |
| Hybrid | Nutzt Informationen sowohl von der Außen- als auch von der Ohrseite | Kombiniert die äußere Referenz mit der Rückmeldung vom Ohr, um beide Verfahren aufeinander abzustimmen |
Feedforward-ANC kann Außenschall früher erfassen. Das Signal am äußeren Mikrofon ist jedoch nicht identisch mit dem Schall, der nach dem Durchlaufen des Ohrhörers im Ohr ankommt. Änderungen des Sitzes oder der Richtung des Störschalls können die vorhandene Kompensation ungenauer machen.
Das Feedback-Mikrofon erfasst fortlaufend den Schall nahe dem Gehörgang, einschließlich des nach der Unterdrückung verbleibenden Geräuschs und der vom Lautsprecher wiedergegebenen Musik. Dieses Signal gelangt zum Regler zurück und wirkt an der Erzeugung des nächsten Gegenschallsignals mit. So entsteht ein Regelkreis. Der Regler muss das Zusammenspiel von Musik und Geräuschunterdrückung steuern und den Kreis stabil halten, damit kein Rückkopplungspfeifen entsteht. Hybrid-ANC ermöglicht das Zusammenwirken beider Verfahren; das Ergebnis hängt aber weiterhin von der konkreten akustischen Konstruktion und Abstimmung ab.
Warum tieffrequentes Brummen leiser wird, Stimmen aber hörbar bleiben
ANC kann meist die anhaltenden tieffrequenten Anteile von Geräuschen wie Motoren oder Klimaanlagen besser verringern. Eine tieffrequente Schallwelle benötigt mehr Zeit für eine vollständige Schwingung. Dadurch kann das System leichter die passende Phasenbeziehung zwischen Gegenschall und Störschall aufrechterhalten.
Mit steigender Frequenz werden die Schalldruckschwingungen schneller. Dieselbe Verarbeitungsverzögerung beansprucht dann einen größeren Anteil jeder Schwingungsperiode, wodurch sich Gegenschall und Störschall schwieriger aufeinander ausrichten lassen. Auch Änderungen des akustischen Übertragungsverhaltens im Ohr bei höheren Frequenzen erschweren die Regelung. Deshalb muss die aktive Kompensation in realen Ohrhörern oft mit der passiven Schalldämmung durch Ohrpassstücke und Gehäuse zusammenarbeiten.
Sprache enthält viele Frequenzen, und Lautstärke sowie Aussprache ändern sich ständig. ANC kann einige dieser Anteile reduzieren, doch es kann genügend Schall übrig bleiben, damit Sprache hörbar ist. Weniger tieffrequentes Brummen und weiterhin hörbare Stimmen sind daher kein Widerspruch. Das bedeutet nicht, dass sich Sprache grundsätzlich überhaupt nicht reduzieren lässt.
Ein einzelner maximaler Geräuschreduktionswert bedeutet ebenfalls nicht, dass alle Geräusche im gleichen Maß leiser werden. Was der Hörer tatsächlich wahrnimmt, hängt von der Dämpfung bei den verschiedenen Frequenzen, der Geräuschumgebung und dem Sitz der Ohrhörer ab.
Der Sitz der Ohrpassstücke gehört zur Geräuschunterdrückung
Liegt ein Ohrpassstück am Gehörgang an, hält es einen Teil des Außenschalls ab. Das ist passive Schalldämmung. Sie benötigt keine Berechnungen durch einen Regler und kann gleichzeitig mit ANC wirken.
Ein Spalt lässt mehr Umgebungsschall ins Ohr gelangen. Zugleich verändert er das akustische Übertragungsverhalten des vom Lautsprecher im Ohr erzeugten Schalls, insbesondere bei tiefen Frequenzen. Damit sind sowohl Störschall als auch Gegenschall betroffen, sodass dieselben ANC-Einstellungen unterschiedliche Ergebnisse liefern können.
Das erklärt, warum passende Ohrpassstücke oder eine veränderte Trageposition die wahrgenommene Geräuschunterdrückung verändern können. Ein geeigneter Sitz sollte bequem und stabil sein und gut abdichten; die Ohrhörer immer tiefer einzusetzen, ist keine Lösung. Beim Vergleich zweier Kopfhörerpaare oder zweier Abstimmungen sollten Ohrpassstücke, Trageposition, ANC-Modus und Geräuschbedingungen möglichst gleich bleiben. Andernfalls lässt sich schwer erkennen, ob eine Änderung von der Abstimmung oder von Schallleckagen stammt.
ANC und Geräuschreduzierung bei Anrufen verbessern unterschiedliche Signalwege
ANC verringert vor allem den Umgebungsschall in den Ohren des Trägers und sorgt dort für ein ruhigeres Hörerlebnis. Die Geräuschreduzierung bei Anrufen verarbeitet dagegen das Mikrofonsignal, das an den Gesprächspartner gesendet wird. Sie vermindert Hintergrundstörungen in diesem Signal, damit die andere Person den Sprecher deutlicher versteht.
Beide Funktionen können in demselben Kopfhörerpaar zusammenwirken, verarbeiten aber unterschiedliche Schallsignale und leiten die Ergebnisse an verschiedene Empfänger weiter. Wenn jemand Ihre Stimme klar hört, belegt das keine starke ANC-Wirkung in Ihrem Ohr. Umgekehrt beweist ein ruhiges Hörerlebnis allein nicht, dass die Mikrofone Sprache für Anrufe klar aufnehmen. Klären Sie bei einer Geräuschreduzierungsfunktion zunächst, wessen Schall verbessert wird, und betrachten Sie dann ihre Wirkung unter den tatsächlichen Umgebungs- und Tragebedingungen.
