Wie funktionieren Noise-Cancelling-Kopfhörer?
Nicht nur DJs brauchen für ihren Job gute Kopfhörer. Auch wir möchten oft nach einem langen, stressigen Tag einfach nur entspannen, und das am besten bei unseren Lieblingssongs. Doch der Lärm in der Umgebung überdeckt alles, sodass wir von den Beats und den coolen Texten bestenfalls die Hälfte mitbekommen. Abhilfe kann da eine Technologie schaffen, die störende Geräusche einfach ausblendet.
Aber wie funktionieren sogenannte Noise-Cancelling-Kopfhörer? Schirmen sie wirklich alle unerwünschten Töne gleich gut ab?:
Inhalt
Kopfhörer in zwei Varianten
Aufheulende Automotoren, ratternde Züge, Baustellenlärm, herumschreiende Kinder: der Krach in den Städten kann ganz schön nerven. Wie schön wäre es, alle diese Geräusche auszublenden, um sich voll und ganz auf guten HipHop konzentrieren zu können?
Möglich wird das durch Noise-Cancelling-Kopfhörer. Sie schirmen die Umgebungsgeräusche ab und spielen gleichzeitig Musik. Allerdings blenden nicht alle Kopfhörer die unerwünschten und störenden Geräusche auf die gleiche Art aus.
Stattdessen wird beim Noise Cancelling zwischen einer passiven Geräuschisolierung und einer aktiven Geräuschunterdrückung unterschieden.
Kopfhörer mit passiver Geräuschisolation nutzen das gleiche Prinzip wie Ohrstöpsel. Sie minimieren die Geräusche aus der Umgebung, indem sie eine Barriere zwischen der Umwelt und unserem Trommelfell aufbauen. Bei dieser Barriere kann es sich um einen Ohrstöpsel oder eben einen In-Ear-Kopfhörer handeln, der sehr eng im Ohr sitzt.
Die andere Variante sind klassische Kopfhörer, die außen auf dem Kopf sitzen und eine integrierte Geräuschisolation nutzen. Dazu verfügen die Kopfhörer meist über ein Ohrmuschelpolster, das die Geräusche aus der Umgebung besonders gut abschirmt.
Damit die passive Geräuschunterdrückung funktioniert, müssen die Kopfhörer aber sehr eng am Kopf sitzen und die Ohren fest umschließen. Das ist nicht immer angenehm und bequem. Im schlimmsten Fall kann der Druck sogar Kopfschmerzen verursachen.
Schall und Antischall
Dass der Komfort bei Kopfhörern mit integrierter Geräuschisolation weniger gut ist, dürfte ein Grund sein, warum sich auf dem Markt Kopfhörer mit aktivem Noise Cancelling durchgesetzt haben. Anstelle einer physischen Barriere ist hier eine ausgefeilte Technologie dafür zuständig, die Umgebungsgeräusche abzuschirmen.
Aktive Noise-Cancelling-Kopfhörer wenden nämlich das sogenannte Gegenschallprinzip an. Dabei wird für jede Schallwelle, die eingeht, im Kopfhörer gewissermaßen eine Gegenschallwelle produziert, die das eingehende Geräusch beseitigt.
Dafür sind die Kopfhörer mit einem Außenmikrofon ausgestattet. Es zeichnet die Geräusche aus der Umwelt auf. Anschließend werden diese Geräusche blitzschnell von einer eingebauten Elektronik verarbeitet. Die Elektronik legt die Wellenform fest und bestimmt dadurch gewissermaßen darüber, wie die Schallwellen aussehen.
Anschaulicher wird das Ganze, wenn wir an eine Gitarrensaite denken. Zupfen wir beim Spielen eine Gitarrensaite, beginnt sie zu schwingen. Je nachdem, um welche Saite es sich dabei handelt, schwingt sie unterschiedlich stark und schnell.
Wie bei der Gitarrensaite sind auch die Schwingungen der Schallwellen verschieden stark und schnell. Diese beiden Eigenschaften werden Amplitude und Frequenz genannt.
Kommt nun eine Schallwelle an der Elektronik des Kopfhörers an, ermittelt die Elektronik zunächst die Amplitude und die Frequenz der Schallwelle und produziert daraufhin einen sogenannten Antischall. Der Antischall entspricht der umgekehrten Wellenform des eingegangenen Tons.
Weil jedem Wellenberg der ursprünglichen Schallwelle im Antischall ein exakt gleich großes und passgenaues Wellental gegenübersteht, löschen sich die beiden Schallwellen gegenseitig aus. Aus diesem Grund ist im Ohr nichts zu hören, wenn der Schall und der Antischall zusammen am Ohr ankommen.
Das physikalische Prinzip, auf dem die Technik beruht, nennt sich destruktive Interferenz. Es beschränkt sich nicht auf Schallwellen, sondern tritt auch bei anderen Wellenphänomenen auf.
Werfen wir zum Beispiel in einem Becken jeweils einen kleinen Stein an den beiden Enden ins Wasser, entstehen kleine Wellen, die sich von den beiden Seiten her ausbreiten. Treffen die beiden Wellenfronten dann aufeinander, ergibt sich in der Mitte eine Zone aus ruhigem Wasser. Denn auch hier heben sich die Wellen gegenseitig auf.
Gute Leistungen vor allem bei niedrigen Frequenzen
Noise-Cancelling-Kopfhörer führen nicht dazu, dass wir die Umgebung gar nicht mehr wahrnehmen. Selbst das beste Modell kann keine komplette Stille erzeugen. Das liegt zum einen daran, dass die Kopfhörer nicht perfekt im Ohr sitzen. Ein Teil des Umgebungsschalls kommt deshalb trotzdem durch.
Zum anderen nehmen wir Geräusche nicht nur über das Trommelfell, sondern auch über den Körper auf. Die Schädelknochen zum Beispiel registrieren die Vibrationen von Umgebungsgeräuschen und transportieren diese zum Trommelfell. Das kann kein Kopfhörer unterbinden.
Dazu kommt, dass die Geräuschunterdrückung nur bei niedrigen Frequenzen ihre Stärken voll ausspielen kann. Zwischen der Aufnahme eines Umgebungsgeräusches und der Produktion der Antiwelle sollten nur wenige Millisekunden vergehen. Andernfalls hat die Schallwelle das Ohr schon erreicht, bevor die Elektronik im Kopfhörer den Antischall überhaupt produziert hat.
Allerdings haben hohe Töne höhere Frequenzen und damit auch mehr Schwingungen pro Sekunde als tiefe Töne. Deshalb ändert sich die Amplitude der jeweils nächsten Welle ebenfalls öfter und schneller.
Durch diesen schnellen Wechsel der Wellenform sind hohe Frequenzen schwerer zu berechnen. Die Folge ist, dass mehr hohe Töne durchgelassen werden.
Noise-Cancelling-Kopfhörer können das tiefe Brummen des Straßenverkehrs oder eines Flugzeugs deshalb gut ausblenden.
Doch beim schrillen Kreischen von Kindern stoßen auch sie an ihre Grenzen. Ganz ungetrübt können wir also auch mit Noise-Cancelling-Kopfhörern die Musik nicht genießen.
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