Wie schaffen es geräuschreduzierende Kopfhörer, sogenannte Active-Noise-Cancelling-Headphones, den Schall von außen zu reduzieren und so für Ruhe und ungestörten Musikgenuss zu sorgen? Und ist eigentlich auch absolute Stille möglich? GIGA-Audioexperte Stefan erklärt, wie Geräuschreduktion technisch funktioniert.

Update vom 24.02.2020: Ist Noise Cancelling gesundheitsschädlich? GIGA hat Dr.-Ing. Hannes Seidler (Technische Universität Dresden) gefragt und eine ausführliche Antwort erhalten.

Mit Schall gegen Schall: Aktives Noise Cancelling (ANC) ist besser als Gehörschutzstöpsel

Zahlreiche Hersteller bieten aktiv geräuschreduzierende Kopfhörer an – sowohl klassische On-Ear-Kopfhörer mit Bügel als auch kompakte In-Ears zum Einstöpseln. Die Modelle sind normalerweise etwas teurer als herkömmliche Kopfhörer und es werden entweder zusätzliche Batterien, ein eingebauter Akku oder ein Anschluss per Lightning- oder USB-Type-C benötigt. Die Technologie verbraucht also offensichtlich Strom, um Stille zu erzeugen. Technische Grundlage für die aktive Geräuschunterdrückung ist das Gegenschall-Prinzip. Das bedeutet: Schall wird aktiv mit Schall „bekämpft“. Im Gegensatz zu Gehörschutzstöpseln, die einfach ins Ohr gesteckt werden und die den Schall durch Dämmung abblocken – dabei handelt es sich um ein passives Verfahren.

Wie sieht der Schall aus, den wir als Ton, Musik, Sprache oder Lärm hören können? Eine schwingende Gitarrensaite ist ein gutes Beispiel: Hier hören wir den erzeugten Ton und sehen auch, was diesen erzeugt. Was wir hören, ist die schwingende Bewegung der Saite, die auf die umgebende Luft übertragen wird und in Form der Schwingung so an das menschliche Ohr gelangt. Das Gehirn interpretiert diese feinen Schwingungen wieder als Klang. Wir können also Schwingungen – oder präziser ausgedrückt, Druck- und Dichteschwankungen in der Luft – als Klang wahrnehmen.

BOSE Quietcomfort 35 II mit Noise Cancelling

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Noise Cancelling erklärt: Wie man sich Schall ganz einfach vorstellen kann

Leider sehen wir den Schall nicht, wenn er vom Instrument aus durch den Raum zu unserem Kopf reist – wie kann man sich diesen also vorstellen? Der Begriff „Schallwelle“ bringt es auf den Punkt, es handelt sich um eine Welle, die von der Luft weitertransportiert wird und die sich immer weiter vergrößert. Das kennt man bereits von woanders: Wenn man einen Stein in einen Teich wirft, dann kann man wunderbar beobachten, wie sich die erzeugten Wellen ausbreiten. Sie sehen von oben aus wie immer größer werdende Ringe und von der Seite wie ein regelmäßiges Muster – ein Auf und Ab aus Bergen und Tälern. Eine einzelne Welle hat immer eine höchste und eine tiefste Stelle.

Die Technik der Noise-Cancelling-Kopfhörer: Wellenberg trifft Wellental

Man wirft die Steine entfernt voneinander in den selben Teich. Was passiert, wenn zwei Wellen aufeinander treffen? Die Wellenringe breiten sich aus, treffen sich in der Mitte und... – was nun stattfindet, lässt sich nicht pauschal sagen, es kommt nämlich auf den exakten Zeitpunkt an.

  1. Es könnte sich ein besonders hoher Wellenberg bilden, wenn der Moment stimmt und sich zwei Wellenberge addieren.
  2. Wenn sich zwei Wellentäler vereinen, dann bildet sich ein besonders tiefes Tal.
  3. Der dritte Fall ist die Grundlage für aktive Geräuschreduktion: Ein Wellenberg trifft auf ein Wellental und beide löschen sich gegenseitig aus. Das kennt man ja aus der Mathematik: +1 und -1 ergeben zusammen 0. Übertragen auf Schall heißt das: Wenn sich zwei gleichförmige Schallwellen im richtigen Augenblick treffen, können sie sich auslöschen und es herrscht Stille. Die Naturwissenschaft, genauer: die Physik, spricht in diesem Fall von destruktiver Interferenz.

Bei Noise Cancelling geht es um das richtige Timing

Geräuschreduzierende Kopfhörer arbeiten nach diesem Prinzip und sind deshalb mit Mikrofonen ausgestattet. Diese nehmen permanent die Geräusche aus der Umgebung auf. Die eingebaute Elektronik bearbeitet diese Signale blitzschnell – je schneller, desto besser: Sie dreht die Schallwellen um, es wird ein gegenpoliges Signal erzeugt und an die Kopfhörer weitergegeben und mit der Musik „vermischt“, sofern man gerade welche hört. Wenn dieser Antischall zeitgleich mit dem ursprünglichen Signal – also dem eigentlichen Umgebungslärm – auf das Trommelfell trifft, dann löschen sie sich gegenseitig aus und man hört ... nichts.

Der Noise-Cancelling-Kopfhörer muss also nicht nur Musik abspielen können, sondern auch ein gegenpoliges Abbild des Umgebungslärms erzeugen und es millisekundengenau beimischen. Je besser das alles klappt, desto stärker ist der Geräuschreduzierungseffekt.

Noise Cancelling: Wie hört sich das an?

Aktives Noise Cancelling eignet sich besonders, um tiefe Frequenzen auszuschalten. Beim monotonen Brummen im Flugzeug kann die Technik ihre Stärken zeigen. Tatsächlich stammt das Prinzip auch aus der Luftfahrt, wo Piloten das Problem haben, dass der Motorenlärm den Funkverkehr übertönt. Mit aktiver Geräuschunterdrückung kann man die Stimme seines Gesprächspartners im Headset deutlich besser verstehen und muss auch nicht so laut aufdrehen.

Wir haben in einem Versuch für euch aufgenommen, wie stark Noise Cancelling wirkt (setzt am besten Kopfhörer auf, wenn ihr das Video anschaut):

Test: So leise ist Noise Cancelling

 

Bei hohen Frequenzen ist das Verfahren aufgrund von Interferenzen weniger effektiv, auch bei sehr lauten Geräuschen funktioniert das Prinzip weniger gut. Dafür hilft dort etwas anderes: Die Abschirmung durch guten Sitz und vollständigen Abschluss des Ohrs. Wie beim Gehörschutz auf der Baustelle: Der Krach des Presslufthammers dringt nicht zum Ohr durch, die Energie der Schallwelle verpufft scheinbar am Gehörschutz-Gehäuse. Physikalisch korrekt ist: Sie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Wenn eine gute passive Abschirmung und ein wirkungsvolles aktives Noise Cancelling kombiniert werden, sind die geräuschreduzierenden Kopfhörer besonders gut.

Aber auch das beste Modell kann nicht für absolute Stille sorgen, dazu müsste man jedes Ohr individuell vermessen und die Elektronik entsprechend anpassen. Ein Teil des Umgebungsschalls wird zudem auch vom Schädelknochen aufgenommen und so zum Trommelfell transportiert. Diesen kann der Kopfhörer nicht abfangen und ausblenden. Wer das erste Mal aktives Noise Cancelling erlebt, wird trotzdem erstaunt sein. Man kann seine Umgebung noch wahrnehmen – aber sehr viel leiser, als hätte man eine Türe hinter sich verschlossen. Dann noch Musik zuschalten und das Erlebnis ist perfekt.

Ist Noise Cancelling gesundheitsschädlich?

Können Noise-Cancelling-Kopfhörer der Gesundheit schaden? Nein, das Gegenteil ist der Fall, wie Dr.-Ing. Hannes Seidler (Technische Universität Dresden, Medizinische Fakultät Klinik und Poliklinik für HNO-Heilkunde Ear Research Center Dresden) auf unsere Anfrage hin erläutert. Hier ist seine ausführliche Antwort:

Was macht Active Noise Cancelling? Jeder Schall wird als Druckwelle in der Luft weitergeleitet und kommt auch so am Ohr an. Wenn es eine Welle mit einem Ausschlag nach oben und unten gibt, könnte ich doch eine zweite Welle erzeugen, die genau den entgegengesetzten Ausschlag hat. Wenn sich beide richtig überlagern, kompensieren sich die Ausschläge und es gibt keinen Schall mehr. Also Ruhe.

Im Idealfall würde das so funktionieren. Leider sind unsere Geräuschquellen meist punktförmig und strahlen daher kreisförmige Schallwellen ab. Wenn ich zwei dieser Gebilde überlagere, ergibt sich das, was man auf einem See sehen kann, nachdem zwei Steine ins Wasser gefallen sind: Wenn sich die beiden kreisförmigen Wellenfelder durchdringen, bleiben ruhige Stellen auf dem Wasser und an andere Stelle besonders ausgeprägte Wellenberge übrig. Übersetzt auf die Akustik heißt das, dass eine Schallminderung an einer Stelle mit einer Schallerhöhung an anderer Stelle erkauft wird.

Kopfhörer mit Active Noise Cancelling enthalten Mikrofone, spezielle Verstärker und Lautsprecher, um das Außengeräusch mit diesem Verfahren so zu mindern, dass am Eingang des Gehörgangs erheblich weniger davon ankommt. Bei tiefen und mittleren Tönen kann die Minderung im gesamten Raum der Kopfhörerkapsel erreicht werden (Grund ist die Schallwellenlänge in Luft zur Größe des Kopfhörers). Bei hohen Tönen kann es tatsächlich an einigen Stellen in der Kopfhörermuschel lauter werden. Deshalb ist der Sitz des Kopfhörers wichtig. Dann erreichen diese lauteren Töne auch nicht unseren Gehörgang und damit das Innenohr. So entsteht auch kein Gehörschaden.

Der Gehörschaden kann nur entstehen, wenn die eigentlich gewünschte Musik zu laut gehört wird. Genau das braucht man nun nicht mehr, da die Außengeräusche leiser sind. Also: Kopfhörer mit Noise Cancelling helfen, Gehörschäden zu vermeiden!

Kopfhörer mit Noise Cancelling

Hier ist eine Auflistung von ANC-Kopfhörermodellen, die GIGA getestet hat. Klicke auf den Namen, um den entsprechenden Testbericht zu öffnen.

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