Antischall

Unter Antischall (auch „aktive Lärmkompensation“, engl.: Active Noise Reduction [ANR] oder Active Noise Cancellation [ANC]) versteht man umgangssprachlich Schall, der künstlich erzeugt wird, um mittels destruktiver Interferenz Schall auszulöschen. Dazu wird die Erzeugung eines Signals angestrebt, das dem des störenden Schalls mit entgegengesetzter Polarität exakt entspricht.

Inhaltsverzeichnis

Energieerhaltung

Es sind zwei unterschiedliche Problemstellungen zu unterscheiden:

  • Strahlt eine Geräuschquelle Schall ab, versucht man, durch „Gegenschall“ von einem anderen Ort aus zu erreichen, dass durch destruktive Interferenz die resultierende Amplitude (und damit die Schallenergie) in einigen begrenzten Raumbereichen geringer wird. In benachbarten Bereichen steigt dagegen die Schallenergie, weil ja nirgends Energie absorbiert, sondern nur umverteilt wird. Es ist bisher nicht gelungen, ein mehrere Wellenlängen großes Volumen insgesamt zu beruhigen. Erfolgreich war bisher nur die aktive Schalldämpfung in Rohren (lineares Problem).
  • In einem ausreichend kleinen abgeschlossenen Bereich mit Abmessungen kleiner als λ/4 (wie zwischen Ohr und Kopfhörer) liegt keine Interferenz im strengen Sinn vor, sondern die Membran des Kopfhörers wirkt wie eine verschiebbare Wand, die für etwa konstanten Gesamtdruck sorgt (siehe auch Akustischer Kurzschluss). Davon zu unterscheiden ist die Schalldämmung, bei der auftreffender Schall in Wärmeenergie umgewandelt wird. Auf diese Weise wird nur die Reflexion verhindert.

Anwendungsfall Kopfhörer

Bei Kopfhörern mit aktiver Geräuschunterdrückung wird mit einem eingebauten Mikrofon das Umgebungsgeräusch gemessen und hieraus mit Hilfe der akustischen Übertragungsfunktion des Kopfhörers der Anteil berechnet, der am Ohr noch verbleiben würde. Für diesen Teil wird dann zur Kompensation ein gegenpoliges Signal im Kopfhörer erzeugt. Am Trommelfell treffen der Schall von außen und das Signal aus dem Hörer als Schall zusammen. Der Schalldruckpegel wird deutlich verringert. Zusätzlich kann auch ein Nutzschall (Sprache, Musik) über den Kopfhörer wiedergegeben werden.

Auch Kopfhörer mit aktiven Geräuschreduzierungssystemen können Störgeräusche nicht komplett eliminieren. Zum einen besitzt jeder Mensch eine andere innere und äußere Ohrform, so dass nur eine im Labor durchgeführte genaue Anpassung eine komplette Neutralisation erlauben würde. Zum anderen überträgt auch der Schädelknochen Schall zum Trommelfell ("Körperschall"); dieser Anteil kann mit Active Noise Reduction nicht beeinflusst werden.

ANR ist besonders zur Dämpfung tiefer Frequenzen geeignet, bei denen Wellenlängen groß gegen die Abmessungen des Kopfhörers sind. Nur hier weist der Schall über die gesamte Fläche des Kopfhörers die gleiche Phase auf, so dass er durch ein gegenphasiges Signal vollständig gedämpft werden kann. Bei hohen Frequenzen zeigt dieses Verfahren wenig Wirkung, da dann unterschiedliche Phasenlagen auf der Kopfhöreroberfläche auftreten und diese auch noch abhängig von der Einfallsrichtung des Schalls werden. Im Extremfall kann es bei hohen Frequenzen auch zu punktweiser Verstärkung des Schalls kommen. Da ein dicht sitzender Kopfhörer hohe Frequenzen gut dämpfen kann, tiefe Frequenzen aber nur sehr schlecht, kann ANR eingesetzt werden, um die mangelnde Dämpfung eines Kopfhörers bei tiefen Frequenzen zu verbessern.

Anlass zur Entwicklung solcher Kopfhörer war der Bedarf nach Lärmschutz für Piloten. ANR-Kopfhörer-/Mikrofonkombinationen (Headsets) können in der Luftfahrt – etwa für Hubschrauberpiloten – eingesetzt werden, um eine möglichst ermüdungsfreie Umgebung für das Cockpit-Personal zu gewährleisten. Das Rotorgeräusch enthält extrem starke tieffrequente Anteile, die über einen Kopfhörer nur wenig gedämpft werden. Auf Grund des Maskierungseffekts werden hierdurch auch höherfrequente Signale, die zur Sprachkommunikation erforderlich sind, verdeckt, so dass die Lautstärke der Kopfhörer sehr stark angehoben werden muss, um die Flugsicherung überhaupt noch verstehen zu können. Werden nun über dieses Verfahren die tieffrequenten Rotorgeräusche gedämpft, kann die Kommunikationslautstärke der Kopfhörer wesentlich gesenkt werden.

ANR-Kopfhörer benötigen im Gegensatz zu einfachen Kopfhörern eine eigene Stromquelle. Hierfür reicht eine kleine Batterie (zum Beispiel AA oder AAA) bzw. ein Akku, da die ANR-Elektronik nur wenige Watt benötigt. ANR-Kopfhörer sind für jedermann erhältlich.

Anwendungsfall Beschallungstechnik

In der Beschallungstechnik wird aktive Geräuschunterdrückung z. B. bei Großveranstaltungen verwendet, da die für derartige Veranstaltungen ausgelegten Subwoofer bei entsprechend tiefen Tönen sehr starke Vibrationen verursachen. In diesem Anwendungsfall wird ein Lautsprecher in die entgegengesetzte Richtung der anderen Lautsprecher (meistens Bühne) ausgerichtet, der dann prozessorgesteuert ein Antischall-Signal erzeugt, um somit die Schallbelastung in einem bestimmten Bereich zu vermindern.

Weitere Anwendungen

Das Antischall-Prinzip wird in Verbindung mit herkömmlichen Schalldämpfern in Kanälen und Rohrleitungen zur Dämpfung tiefer Frequenzen bei kleinem Bauraum eingesetzt. Herkömmliche (passive) Schalldämpfer benötigen große Volumina, um auch bei tiefen Frequenzen noch wirksam zu sein. Ein neuer Anwendungsbereich wurde in der Kraftfahrzeugtechnik gefunden, wo der Passagierraum von Autos durch Active Noise Cancellation „beruhigt“ werden kann, etwa beim Honda Legend.

An weiteren Anwendungen wird oder wurde geforscht, so z. B.

  • zur Dämmung von Flugzeugtriebwerken [1]
  • zur Minderung des Schallpegels in Flugzeugen (Bombardier Q Series Dash 8, SAAB340Bplus, SAAB2000, Raytheon Beech King Air 350, Raytheon Beech 1900D, Raytheon Beech King Air 90, 200, 300 und Twin Commander)[2]
  • zur Veränderung des Klangs von Automotoren[3]
  • zur Minderung des tieffrequenten Brummens von Netztransformatoren in Umspannstationen,
  • zur Verbesserung der Schalldämmung bei Fenstern,
  • zur Schaffung von Zonen der Ruhe in Großraumbüros,
  • zur Bekämpfung hoher Schallpegel bei Druckmaschinen.
  • zur Reduktion der Geräusche von Windrädern[4]
  • zur Reduktion der Lärmbelastung in Kernspintomographen[5]

Bei fast allen Anwendungen kann eine ähnliche Wirkung mit geringeren Kosten und ohne weitere Energiezufuhr auf anderem Weg erreicht werden. Deshalb ist die Anwendung in der Regel auf spezielle Einsatzfälle beschränkt.

Ähnliche Verfahren

Ein ähnliches Verfahren wird bei der HGÜ Baltic Cable verwendet, um hochfrequente Störsignale, welche beim Stromrichterbetrieb entstehen, zu unterdrücken.

Einzelnachweise

  1. Raumfahrt: Erste "Flüsterflugzeuge" in fünf Jahren welt.de 23. Dezember 2008
  2. Ultra Electronics Ultra Quiet Cabin
  3. Technik - Antischall sorgt für neuen Motorsound Heise.de Autos, vom 9. Oktober 2009
  4. "Antischall" erlaubt Windrädern höhere Stromausbeute Pressetext.at 1. August 2008
  5. Antischall gegen Tomographen-Krach

Weblinks


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