Die Freiheit zu hören, was man hören will: Die Geschichte des Noise Cancellings

1978 trat die US-Regierung mit einem außergewöhnlichen Vorschlag an ein Sound-Unternehmen heran. Sie wollten eine spezielle Technologie entwickeln, die es Flugzeugpiloten und NASA-Astronauten ermöglichen sollte, selbst bei einer extremen Lautstärkebelastung von Düsen- und Raketentriebwerken im Hintergrund klar mit der Bodenbesatzung und anderen Piloten zu kommunizieren. Die daraus resultierende Technologie sollte sich später auch außerhalb der Luftfahrt durchsetzen und fand nach ihrer Verwendung in militärischen Headsets im Jahr 1986 ihren Weg in die allgemeine Nutzung.

Heute ist diese Technologie als Active Noise Cancelling -kurz ANC- bekannt und wird weltweit in Kopfhörern verwendet. So kann man sich auf die Musik, Podcasts und andere Audioinhalte konzentrieren, ohne dabei von Umgebungsgeräuschen abgelenkt zu werden.

Der Schlüssel zur Geräuschunterdrückung: Schallwellen verstehen

Durch das Aufsetzen eines Kopfhörers können Geräusche aus der Umgebung bereits bis zu einem gewissen Grad gedämpft werden. Solange die Ohrmuschel jedoch nicht vollständig umschlossen ist, sind meist auch weiterhin Außengeräusche zu hören, die das Hörerlebnis stören können. Um zu verstehen, wie Umgebungsgeräusche unterdrückt werden können, muss man sich zunächst ansehen, wie Schallwellen ins Ohr gelangen.

Schallwellen werden durch Vibrationen erzeugt, die über weite Strecken durch ein umgebenes Medium wandern, um schließlich das Ohr zu erreichen. Am häufigsten wandern die Schallwellen durch die Luft, die uns umgibt. Dass wir in einem Café mühelos ein Gespräch führen können, im Weltall jedoch nicht, hat denselben Grund: Um sich verbreiten zu können, benötigen die Schallwellen ein Medium, das sie weiterträgt. In diesem Fall ist das die Luft.

Geräuschunterdrückung funktioniert, indem man sich die Eigenschaften dieser Schallwellen und ihres Mediums zunutze macht. Eine Methode zur Unterdrückung von Lärm nennt sich Active Noise Cancelling (ANC). ANC erzeugt Schallwellen, die den unerwünschten Geräuschen ähneln und diese ausgleichen, bevor sie von außen in die Ohren gelangen. Eine andere Methode nennt sich Passive Noise Cancelling (PNC). Sie verhindert, dass Außengeräusche ins Ohr gelangen, indem sie die Medien, durch die der Schall übertragen wird, blockiert.

Active Noise Cancelling: Mit Schallwellen andere Schallwellen aufheben

Man sagt, das effektivste Werkzeug zum Schneiden eines Diamanten sei ein anderer Diamant. In ähnlicher Weise können auch Schallwellen durch andere Schallwellen ausgeglichen oder sogar aufgehoben werden. Schallwellen haben Hoch- und Tiefpunkte. Wenn sie mit gleichem Abstand von Scheitelpunkt zu Tiefpunkt aus verschiedenen Richtungen kommen und miteinander kollidieren, prallen die jeweiligen Scheitel- und Tiefpunkte aufeinander und können sich gegenseitig aufheben.

ANC nutzt dieses Prinzip, um unerwünschte Geräusche aufzuheben, bevor sie die Ohren erreichen. Geräusche von außen werden durch ein externes Mikrofon aufgenommen, das im Ohrhörer installiert ist. Der Ohrhörer analysiert diese Geräusche und reproduziert Schallwellen, die dem unerwünschten externen Schall ähneln, sich aber in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Durch diesen Prozess kann der Ohrhörer unerwünschte Schallwellen aufheben, bevor sie gehört werden.

Da das ANC Störgeräusche aufnimmt und auf Grundlage der Analyse dieser Geräusche reagiert, findet die Geräuschunterdrückung kontinuierlich statt. Wenn der Ohrhörer einen Ton aufnimmt, der einem zuvor analysierten Geräusch ähnlich ist, kann direkt eine umgekehrte Wellenlänge abgestrahlt werden, um das unerwünschte Geräusch aufzuheben. Aus diesem Grund ist die ANC-Technologie bei einer kontinuierlichen Geräuschkulisse effektiver als beim plötzlichen Auftreten von Umgebungsgeräuschen oder Lärm.

Außerdem kann ANC besser bei der Milderung von tiefen Tönen als bei hohen Tönen wirken. Das System benötigt Zeit, um externe Geräusche zu analysieren. Diese daraus entstehende Zeitverzögerung kann sich darauf auswirken, wie gut externe Geräusche ausgeglichen werden. Mit anderen Worten: Unerwünschte externe Geräusche kommen möglicherweise im Ohr an bevor das ANC sie unterdrücken kann. Tiefe Töne, wie beispielsweise Basstöne, haben eine relativ lange Wellenlänge. Das bedeutet, der Abstand zwischen Hoch- und Tiefpunkten in der Schallwelle ist größer, sodass eine leichte Verzögerung des ANCs seine Wirksamkeit kaum beeinträchtigt. Hohe Töne mit ihren kurzen Wellenlängen haben einen kleineren Abstand zwischen dem Hoch- und Tiefpunkt. Das bedeutet, dass die Analysezeit der Schallwelle zu einer Verzögerung des ANCs führen kann und ähnliche Schallwellen nicht rechtzeitig oder minimal asynchron entgegengesetzt werden können.

Passive Noise Cancelling (PNC): Dem Geräusch den Weg versperren

Wenn man ein unangenehmes Geräusch wahrnimmt, hält man sich in der Regel die Ohren zu. Da Schallwellen die Luft durchqueren, um das Ohr zu erreichen, kann der Schall nicht richtig in das Ohr gelangen, wenn Hindernisse wie z.B. die Hände den Weg versperren. Deswegen ist auch Kommunikation unter Wasser so schwierig, wenn man bedenkt, wie viel Wasser sich zwischen der Quelle eines Geräusches und den Ohren einer Person befindet.

Dieses Prinzip entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise des PNCs. PNC-fähige Ohrhörer sind so konzipiert, dass sie den Lärm physisch blockieren, indem sie das Ohr von der Umgebung abschirmen. Sowohl Over-Ear-Kopfhörer, die das Ohr umschließen, als auch In-Ear-Ohrhörer, die den Eingang zum Ohr direkt blockieren, sind einige gute Beispiele für passive Geräuschunterdrückung.

Im Gegensatz zur aktiven Geräuschunterdrückung, bei der Mikrofone und Analysen erforderlich sind, sind PNC-Ohrhörer relativ einfach herzustellen. Außerdem können PNC-Ohrhörer, wenn sie perfekt an die Form des Ohres angepasst sind, Außengeräusche fast vollständig blockieren, wodurch sie in der praktischen Anwendung effektiver sein können als die ANC- Variante. Das Tragen von Kopfhörern, die das Ohr komplett verschließen, kann für manche jedoch unangenehm sein.

Safety first bei der Geräuschunterdrückung

Letztendlich kommt es nicht nur auf die Technik der Geräuschunterdrückung alleine an, sondern auch auf die Form der Ohrhörer. Bisher wurden die meisten geräuschunterdrückenden Ohrhörer als In-Ear-Ohrhörer hergestellt, da offene Ohrhörer mehr Platz um das Ohr herum lassen und daher bei der Geräuschunterdrückung weniger effektiv sein können.

ANC kann zwar helfen, in die Musik einzutauchen oder sich besser auf ein Hörbuch zu konzentrieren – es kann aber auch Gefahren bergen, wenn beispielsweise Umgebungsgeräusche in Gefahrensituationen unterdrückt werden. Die Lautstärke im Inneren eines Ohrhörers kann bis zu 70 bis 80 dBspl erreichen – das entspricht der Lautstärke einer Autohupe – aber da der Ton aus den Ohrhörern eines Benutzers viel näher am Ohr liegt und intensiver ist als beispielsweise die Hupe, können Nutzer das Warnsignal eventuell nicht mehr wahrnehmen. Darüber hinaus wird durch die Aktivierung der ANC-Technologie der Außenlärm um bis zu ca. 30 dB weiter reduziert, während zum Beispiel die Musik in den Ohren bei 70 bis 80 dBspl gehalten wird.

Bei der Verwendung geräuschunterdrückender Kopfhörer sollten Nutzer deshalb ihre eigene Sicherheit im Auge behalten. Besonders bei Aktivitäten im Freien wird empfohlen, die Umgebung nicht aus den Augen zu verlieren und die Welt drum herum nicht komplett auszublenden. Hier kann die Galaxy Wearable-App helfen: Über die App haben Galaxy Buds Live-Besitzer die Möglichkeit, die aktive Geräuschunterdrückung manuell ein- und auszuschalten. So können sie jederzeit selbst entscheiden, wann sie Umgebungsgeräusche wahrnehmen oder ausblenden möchten.