Wie funktionieren Noise-Cancelling-Kopfhörer?

Wer im Großraumbüro arbeitet oder häufig in Bus und Bahn unterwegs ist, hat vielleicht schon in Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung investiert. Sie blenden störende Hintergrundgeräusche aus, damit man sich voll und ganz auf Musik oder Podcast konzentrieren kann. Wie das genau funktioniert und was zukünftige Entwicklungen bringen, erklären wir euch hier.

Passive und aktive Geräuschunterdrückung

Passive Geräuschunterdrückung bedeutet, dass ein Kopfhörer das Ohr so bedeckt, dass dadurch Umgebungsgeräusche ausgeblendet werden. Es ist das gleiche Prinzip wie etwa ein Kapselgehörschutz beim Arbeiten mit lauten Maschinen (Over-Ear) und Ohrstöpsel (In-Ear), die man sich zum Schlafen in die Ohren steckt.

Diese passive Geräuschunterdrückung ist nur so gut, wie ihre Dämpfung. Damit ein In-Ear-Kopfhörer gut isoliert, müsste er sehr fest im Ohr sitzen, was unangenehm auf die Ohrmuschel drücken kann. Bei Over-Ear-Kopfhörern müsste der Anpressdruck sehr hoch sein: Diese "Kopfquetsche" wäre auf Dauer alles Andere als angenehm.

Deshalb gibt es ergänzend dazu die "aktive Geräuschunterdrückung" - "Active Noise-Cancelling" (ANC). Kopfhörer mit dieser Funktion haben an der Außenseite ein Mikrofon angebracht. Für die Schallwellen, die darüber aufgenommen werden, wird ein Antischall oder Gegenschall erzeugt. Dieser wird über den Kopfhörer abgespielt. Die beiden gegensätzlichen Schallwellen löschen sich aus und im Idealfall hört man nichts. Dieser Vorgang nennt sich "destruktive Interferenz".

Für Piloten entwickelt

Das ist zumindest die Theorie. In Wahrheit schafft es kein kommerzieller Kopfhörer, Außengeräusche vollständig auszublenden. Das ist aber in den meisten Fällen ohnehin nicht gewünscht, da der Träger zumindest noch ein bisschen was von seiner akustischen Umgebung mitkriegen sollte, etwa als Fußgänger im Straßenverkehr.

Statt Stille hört man eher einen gedämpften Ton. Bei günstigeren Kopfhörern ist zudem ein Grundrauschen zu hören, das durch die Elektronik selbst erzeugt wird. Viele Hersteller haben eigene Systeme entwickelt, die nicht nur die Außengeräusche filtern, sondern auch auf individuelle Bedürfnisse eingehen. Sie bieten Optionen, den Sound individuell anzupassen oder erkennen, wie der Kopfhörer auf den Ohren sitzt.

Die aktive Geräuschunterdrückung ist zudem vor allem für niedrige Frequenzen bis 100 Hz, wie tiefes Brummen, geeignet. Am besten funktioniert das, wenn die Töne gleichbleibend sind, wie in einem fliegenden Flugzeug. Denn dafür wurde die Technologie ursprünglich entwickelt. 1988 brachte der Hersteller Bose den ersten kommerziellen Kopfhörer mit Active Noise-Cancelling auf den Markt. Er sollte störende und laute Umgebungsgeräusche filtern, damit Piloten besser kommunizieren konnten.

Over-Ear oder In-Ear?

Unterhaltungen oder andere Töne im höheren Frequenzbereich können so aber nicht gefiltert werden. Dafür bedarf es einer Kombination aus aktiver und passiver Geräuschunterdrückung. Daher sind meist große Over-Ear-Headphones die sicherere Wahl, wenn man möglichst ungestörten Sound möchte. Trotzdem gibt es auch In-Ear-Kopfhörer wie Apples AirPods Pro oder den Momentum True Wireless 2 von Sennheiser (hier im futurezone-Test), denen die aktive Geräuschunterdrückung gelingt - dafür muss man allerdings mit Preisen jenseits der 200 Euro rechnen.

Apple hat zudem ein Patent für ein System angemeldet, mit dem Gefahren erkannt werden können. Mithilfe von GPS und Positionsdaten der Kopfhörer sollen diese etwa auf den Verkehr reagieren und die Lautstärke regeln. Das soll dafür sorgen, dass trotz Kopfhörer keine gefährlichen Situationen unbemerkt bleiben. Wann bzw. ob Apple die Technologie aber anwenden wird, ist unbekannt.

Sony hat so eine ähnliche Funktion bereits in seinen hochwertigen Over-Ear-Kopfhörern integriert. Diese erkennen, wenn der Träger zu Fuß oder am Fahrrad in Bewegung ist und wählen ein entsprechendes Profil aus, das die aktive Geräuschunterdrückung reduziert. Einer dieser Kopfhörer ist der Sony WH-1000XM4 (hier im Test).

ANC ohne Kopfhörer

Die Forschung geht einen Schritt weiter. Wissenschaftler des Center for Audio Acoustics an der University of Technology Sydney wollen gänzlich auf Kopfhörer verzichten. Die Technik verschwindet dabei in der Kopflehne eines Sitzes. Dafür nutzen sie einen Laser-Doppler-Vibrometer (LDV), der sowohl hohe als auch niedrige Frequenzen misst. Das entwickelte System wurde mit Flugzeuggeräuschen und menschlicher Sprache getestet und bestand. Für einen kommerziellen Vertrieb ist die Entwicklung aber noch zu teuer. Langfristig könnte die „virtuelle“ ANC-Technik in Autos oder Flugzeugen zum Einsatz kommen.

Forscher der Nanyang Technological University in Singapur entwickelten ein System, mit dem ANC für Fenster angewandt wird. So soll lauter Straßenlärm eliminiert werden. Allerdings kann man durch die verbaute Technik nicht mehr nach draußen sehen.