Wie die Geräuschunterdrückung bei Kopfhörern funktioniert und warum sie nicht vor allen externen Geräuschen schützt

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 03:51

Die rücksichtslose Physik verhindert, dass Geräuschunterdrückungssysteme perfekte Stille erzeugen.

Im Jahr 2020 brauchten viele Menschen aufgrund des Übergangs zur Telearbeit Kopfhörer, um in Online-Konferenzen mit Kollegen zu kommunizieren und sich von Haushaltsmitgliedern zu distanzieren. Besonders beliebt sind Gadgets mit Geräuschunterdrückung: Sie helfen, sich besser auf die Arbeit zu konzentrieren, da sie den Außengeräuschpegel reduzieren.

Doch solche Modelle gibt es schon lange: Bereits 1989 kamen erstmals Haushaltskopfhörer mit einem Noise-Cancelling-System auf den Markt. In jüngerer Zeit hat Apple mit der Veröffentlichung der AirPods Pro und dann der AirPods Max auf diese Funktion aufmerksam gemacht.

Viele erwarten, dass Noise-Cancelling-Kopfhörer Umgebungsgeräusche vollständig "ausschalten", und sind enttäuscht, wenn dies nicht der Fall ist. Um zu verstehen, warum die Technologie die Stummschalttaste nicht nachahmt, müssen Sie verstehen, wie sie funktioniert.

So funktioniert aktive Geräuschunterdrückung

Die Technologie der aktiven Geräuschunterdrückung wanderte vom Militär in die Haushaltsgeräte: Bereits Mitte des 20. 1957 wurden die ersten On-Ear-Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung für Hubschrauber entwickelt.

Für den Heimgebrauch wurde die Technologie von Bose adaptiert – seine Kopfhörer wurden 1989 zum Noise-Cancelling-Pionier auf dem Markt der Unterhaltungselektronik.

Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Das Mikrofonsystem erfasst den Geräuschpegel um den Kopfhörer herum und dann wird ein Signal mit gleicher Amplitude, jedoch gegenphasig, in den Lautsprechern wiedergegeben. Als Ergebnis unterdrücken sich die Rauschwellen und die Antirauschwellen gegenseitig. Damit eine gegenphasige Welle erzeugt werden kann, müssen die Kopfhörer natürlich an eine Art Stromquelle angeschlossen sein, weshalb ein solches System als aktiv bezeichnet wird.

Die Umsetzung in die Praxis ist nicht so einfach, wie es scheint. Es geht um die Natur des Klangs. Die Erzeugung eines gegenphasigen Signals ist eine schwierige Aufgabe: Sie muss schnell und genau ausgeführt werden. Schnell, denn das Geräusch kann sich zum Beispiel in einem Café ändern, entweder klopfen Tassen auf Untertassen oder jemand wird zum Geburtstag gratuliert, also eine unbeständige Geräuschkulisse und man muss sich darauf einstellen. Genau, denn die Abweichung zwischen Phase und Gegenphase kann zu unangenehmen Verzerrungen führen.

Deshalb eignet sich Active Noise Cancellation am besten für den Umgang mit monotonen tieffrequenten Geräuschen wie dem Brummen von Flugzeugtriebwerken oder der Belüftung. Sie haben eine mehr oder weniger konstante Amplitude, und die Wellenlänge bei niedrigen Frequenzen ist ziemlich groß und verzeiht eine gewisse Signalabweichung in Phase und Gegenphase. Im Falle eines Cafés bilden mittel- und hochfrequente Töne die Grundlage des Rauschens, bei denen die Wellenlänge viel kürzer ist und sich die Amplitude stärker ändert - sie stellen höhere Anforderungen an ein gegenphasiges Signal.

Moderne aktive Geräuschunterdrückungssysteme haben noch nicht genug Rechenleistung, um die Gespräche von Fremden und das plötzliche Grollen zum Schweigen zu bringen. Aber sie vertragen monotone Hintergrundgeräusche gut.

So funktioniert die passive Geräuschunterdrückung

Neben der aktiven Geräuschunterdrückung gibt es auch eine passive Geräuschunterdrückung. Das kann man als Schallschutz bezeichnen: Man setzt Kopfhörer auf – und alles drumherum wird dumpf. Es benötigt keinen Strom und hängt nur davon ab, wie eng das Gerät an Ohren und Kopf anliegt. Wenn eine Lücke vorhanden ist, ist das Geräusch zu hören.

Aus diesem Grund werden In-Ear-Kopfhörer mit mehreren Paar Ohrstücken unterschiedlicher Größe geliefert: Jedes Ohr ist anders, und manchmal ist es nicht einfach, die perfekten Ohrpolster zu finden. Wenn sie nicht sehr fest sitzen, bietet das Gerät nicht die richtige Schalldämmung.

Aber perfekt aufeinander abgestimmte Düsen dämpfen genau die Geräusche effektiv, die die aktive Geräuschunterdrückung nicht bewältigen kann: mittlere und hohe Frequenzen, scharfe, plötzliche Geräusche. Denn diese Schaltung verlässt sich nicht auf die Geschwindigkeit der Elektronik, sondern dämpft einfach alles herum, wenn auch nicht zu völliger Stille.

Auch bei Full-Size-Kopfhörern mit großen Schalen spielt die passive Geräuschunterdrückung eine große Rolle. Je fester die Ohrpolster an Ihren Kopf gedrückt werden, desto weniger Geräusche hören Sie und desto weniger Personen in der Nähe erfahren von Ihrer Musik. Wenn man aber ungeeignete Aufsätze für In-Ear-Kopfhörer wechseln kann, dann ist mit vollwertigen, die nicht gut auf dem Kopf sitzen, nichts zu machen.

Und trotzdem kann mit einem solchen Gerät keine perfekte Stille erreicht werden. Der Grund liegt wiederum in der Natur des Klangs und in den Materialien. Schall breitet sich überall dort aus, wo ein Medium vorhanden ist. Physische Hindernisse können ihn daran hindern, also kannst du deine Ohren einfach mit den Händen bedecken und die Welt um dich herum übertönen.

Um jedoch eine vollständige Schalldämmung zu erreichen, müssen spezielle schallabsorbierende Materialien verwendet werden.

Erinnern Sie sich an die großen Konstruktionskopfhörer, die zum Schutz vor harten Geräuschen wie einem Presslufthammer getragen werden? Sie enthalten keine elektronische Füllung - sie bedecken einfach die Ohren, schaffen eine physische Barriere gegen Lärm und machen Ihre Hände frei. Gleichzeitig sorgen sie immer noch nicht für völlige Stille: Der Presslufthammer ist hörbar, wenn auch dumpf.

Um eine maximale Schallisolierung in diesen Kopfhörern zu erzielen, müssen Sie mehr absorbierendes Material hinzufügen, wodurch sie spürbar schwerer und voluminöser werden. Stellen Sie sich nun vor, Sie müssen die gesamte erforderliche Elektronik an die bereits an Gewicht gewinnenden Kopfhörer anschließen. Das Modell wird sehr schwer.

Natürlich verbessern die Hersteller sowohl die Materialien, aus denen die Kopfhörer gefertigt sind, als auch ihre elektronische Füllung, aber von idealer Stille sind sie noch weit entfernt. Nun versuchen sie, eine Balance zwischen Bedienkomfort und Effizienz der angebotenen Funktionen zu finden.

Was beeinflusst die Qualität der Rauschunterdrückung

Es gibt viele Unternehmen auf dem Markt, die Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung anbieten, aber woher wissen Sie, wer die besten hat?

Sie können sich die Eigenschaften ansehen. Je mehr Mikrofone beispielsweise im Rauschunterdrückungssystem arbeiten, desto genauer wird der Umgebungsbrummpegel abgelesen und desto korrekter wird das gegenphasige Signal aufgebaut. Je leistungsfähiger und moderner der Prozessor ist, desto schneller reagiert das System auf Veränderungen der Umgebungsgeräusche. In der Theorie.

Einige Unternehmen bieten sogar benutzerdefinierte Rauschunterdrückungsalgorithmen an, z. B. Sony, Bose, Samsung, Apple. Kopfhörer, die mit solchen Systemen ausgestattet sind, verfügen neben Mikrofonen, die die Geräusche außerhalb des Geräts hören, auch über Mikrofone, die die Geräusche im Inneren aufnehmen.

Während der Kalibrierung reproduziert der Kopfhörer Testsignale, und dieselben internen Mikrofone lesen die Reaktion ab. Basierend auf den Kalibrierungsergebnissen korrigiert der Rauschunterdrückungsalgorithmus seine Arbeit: Er wird nun an die Geometrie bestimmter Ohren und Kopf angepasst.

Passiver Schallschutz beeinflusst auch den Betrieb des aktiven Schallschutzsystems. Wenn die Kopfhörer lose sind und Geräusche durchlassen, funktioniert das gegenphasige Signal nicht so effektiv. Die meisten Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung in Originalgröße verfügen über große, weiche Ohrpolster, die sich für maximale Schallisolierung an die Rundungen Ihres Kopfes anschmiegen.

Wie man nicht auf die Tricks der Vermarkter hereinfällt

Das Problem mit Noise-Cancelling-Kopfhörern ist, dass Firmen lügen: In der Werbung wird bei eingeschaltetem Noise-Cancelling die Party durch eine klingelnde Stille ersetzt, die Stelle der stampfenden Eisenbahnräder wird von ruhigen Almwiesen eingenommen und das Baby schreit herein der nächste Sitz löst sich im Dunst auf.

Aufgrund der Physik des Rauschunterdrückungsprozesses selbst ist es jedoch unrealistisch, einen solchen Effekt zu erzielen. Die Firma Bose nannte ihre Kopfhörer übrigens anfangs ehrlich Noise-Reducing – „Noise-Reduction“, wechselte dann aber wie andere auf den Begriff Noise-Canceling – „Noise-Cancelling“.

Infolgedessen gehen Benutzer in der Hoffnung auf Stille in der U-Bahn in solche Kopfhörer, schalten die Geräuschunterdrückung ein … Das Heulen des Windes im Tunnel verschwindet, aber die Studenten, die darüber sprechen, die Sitzung mit Stanislavskys Angst zu bestehen, tun es nicht. Und wie jemand in der Nähe hustet, ist zu hören. Dumpf, aber immer noch hörbar.

Wo sind meine versprochene Stille, Wiesen und Alpenfrische? In Träumen. Denn die Technik hat dieses Niveau noch nicht erreicht.

Gleichzeitig prahlen Entwickler in Marketingmaterialien gerne damit, dass ihr System eine Geräuschreduzierung von beispielsweise bis zu -15 dB bietet. Das erste, worauf wir achten, ist das Wort "vorher". Der zweite ist, dass nicht angegeben ist, unter welchen Bedingungen diese -15 dB erreicht werden können. Das heißt, es gibt einige Zahlen, aber wie man sie mit der Realität vergleichen kann, ist nicht ganz klar.

Ein weiterer Trick ist die Substitution von Konzepten. Es kommt vor, dass in der Beschreibung von Kopfhörern die Geräuschunterdrückung ein System ist, das Geräusche während der Sprachübertragung während eines Anrufs dämpft. Das heißt, Ihr Gesprächspartner hört Sie deutlicher. Es hat jedoch keinen Einfluss auf die Unterdrückung von Außengeräuschen beim Musikhören.

Was ist das Endergebnis?

Noise Cancelling-Technologie, wie sie von den Werbeabteilungen der Kopfhörerhersteller präsentiert wird, gibt es nicht. Darüber hinaus ist die Wirkung individuell und hängt von den physikalischen Parametern eines bestimmten Hörers ab. Für einige bieten Full-Size-Kopfhörer eine ausreichende passive Schallisolierung, sodass die aktive Geräuschunterdrückung gut funktioniert. Und bei einer anderen Person sitzen die Kopfhörer beispielsweise aufgrund einer anderen Struktur der Wangenknochen nicht so eng und der Algorithmus wird wirkungslos. Also muss alles anprobiert werden.

Modelle mit aktiver Geräuschunterdrückung eignen sich für alle, die im Verkehr viel unterwegs sind: in Bussen, Bahnen und Flugzeugen. Das Hauptmerkmal solcher Kopfhörer ist die Fähigkeit, das monotone niederfrequente Brummen zu dämpfen, und er begleitet am häufigsten auf Reisen. Sie unterscheiden sich in hochwertiger aktiver Geräuschunterdrückung, zum Beispiel:

• Sony WH - 1000XM4,
• Soundcore Liberty Air 2 Pro,
• Sennheiser Momentum True Wireless 2,
• Marshall Monitor II ANC,
• Samsung Galaxy Buds Pro.

Wer aus lauten Büros und Haushalten fliehen möchte, sollte besonders auf den Sitz der Kopfhörer achten und nach Modellen suchen, die möglichst eng am Kopf bzw. am Gehörgang anliegen. Diese Kopfhörer reduzieren den Pegel aller Umgebungsgeräusche, einschließlich der Stimmen. Aber Sie können sie nicht nach Ratschlägen auswählen: Sie müssen sie anprobieren.

Wenn Sie auf ein Modell stoßen, das eng anliegend sitzt und mit Active Noise Cancellation ausgestattet ist, können Sie sich freuen: Sie erhalten das Beste aus beiden Welten. Aber Sie können immer noch keine vollkommene Stille erreichen.