Antischall

Prinzip der aktiven Lärmkompensation

Antischall, auch Gegenschall, aktive Geräuschunterdrückung oder aktive Lärmunterdrückung genannt, bezeichnet künstlich erzeugten Schall zur Auslöschung von Störschall durch destruktive Interferenz. Englisch heißt das Verfahren active noise reduction (ANR) oder active noise cancellation (ANC).

Dabei wird ein Gegensignal erzeugt, das dem störenden Schall entspricht, aber eine entgegengesetzte Polarität besitzt. Treffen beide Signale zusammen, wird die resultierende Amplitude kleiner; dadurch sinkt der Schalldruckpegel.

Grenzen durch Energieerhaltung

Bei Schall, der von einer Quelle in einen Raum abgestrahlt wird, kann Gegenschall die Schallenergie nur kontrolliert umverteilen: In einem begrenzten Bereich wird die resultierende Amplitude und damit die Schallenergie geringer, in benachbarten Bereichen steigt sie. Es wird dabei keine Energie absorbiert. Ein mehrere Wellenlängen großes Volumen insgesamt zu beruhigen, ist bisher nicht gelungen.

Erfolgreich ist aktive Schalldämpfung besonders in Rohren, weil sich Schallwellen dort eher linear ausbreiten. Eine andere Situation liegt in einem kleinen abgeschlossenen Bereich vor, dessen Abmessungen kleiner als λ/4 sind, etwa zwischen Ohr und Kopfhörer. Dort wirkt die Kopfhörermembran wie eine verschiebbare Wand und sorgt für einen ungefähr konstanten Gesamtdruck.

Davon unterscheidet sich Schalldämmung: Auftreffender Schall wird dabei in Wärmeenergie umgewandelt; dadurch wird vor allem Reflexion verhindert.

Kopfhörer mit ANC

Ein Mikrofon im Kopfhörer misst das Umgebungsgeräusch. Mithilfe der akustischen Übertragungsfunktion des Kopfhörers wird berechnet, welcher Anteil dieses Geräuschs am Ohr noch ankommen würde. Der Kopfhörer erzeugt dafür ein gegenpoliges Signal. Außenkommender Schall und Gegenschall treffen am Trommelfell zusammen, sodass der Schalldruckpegel deutlich sinkt. Gleichzeitig können Sprache oder Musik als Nutzschall wiedergegeben werden.

Eine vollständige Auslöschung gelingt nicht: Die innere und äußere Ohrform ist bei jedem Menschen unterschiedlich und würde für eine komplette Neutralisation eine genaue Anpassung im Labor erfordern. Außerdem erreicht Schall das Trommelfell über den Schädelknochen als Knochenschall; dieser Anteil lässt sich mit Gegenschall nicht beeinflussen.

Gegenschall dämpft vor allem tiefe Frequenzen. Dort sind die Wellenlängen groß gegenüber den Kopfhörerabmessungen, und der Schall hat über die Kopfhörerfläche eine ähnliche Phase. Bei hohen Frequenzen treten unterschiedliche, von der Einfallsrichtung abhängige Phasenlagen auf; die Wirkung ist dann gering, punktuell kann Schall sogar verstärkt werden. Hohe Frequenzen werden daher überwiegend passiv durch dicht sitzende geschlossene Bügelkopfhörer oder die Abdichtung des Gehörgangs mit Ohrstöpsel-Kopfhörern gedämpft.

ANR-Headsets wurden für Piloten entwickelt, besonders für Hubschrauberpiloten. Tieffrequente Rotorgeräusche werden durch Kopfhörer nur wenig gedämpft und verdecken wegen des Maskierungseffekts höherfrequente Sprachsignale. Durch ihre Dämpfung kann die Lautstärke der Kommunikation deutlich gesenkt werden. Bei Verbraucherkopfhörern werden unter anderem Motorengeräusche und Flugzeugturbinen-Dröhnen reduziert. Neben Over-Ear-Modellen gibt es In-Ear- und True-Wireless-In-Ear-Kopfhörer; Stand 2023 erreichen kleine In-Ear-Kopfhörer eine ebenbürtige Lärmreduktion wie große Over-Ear-Bügelkopfhörer. ANC benötigt eine eigene Spannungsversorgung, meist einen Lithium-Akku, selten eine AAA-Batterie.

Einsatz in Beschallung und Fahrzeugen

Bei Großveranstaltungen können tiefe Töne von Subwoofern starke Vibrationen verursachen. Ein Lautsprecher wird dann entgegengesetzt zu den übrigen Lautsprechern, meist zur Bühne hin, ausgerichtet und erzeugt prozessorgesteuert ein Antischall-Signal. So lässt sich die Schallbelastung in einem bestimmten Bereich verringern.

1992 wurde mit dem Nissan Bluebird ein erstes Serienfahrzeug mit aktiver Lärmunterdrückung im Passagierraum vorgestellt. Etwa zwanzig Jahre später nutzten viele Hersteller die Technik in Oberklassemodellen, beispielsweise Audi A8 und Honda Legend. Als Zulieferer werden Harman/Kardon (Samsung) mit HALOsonic und Silentium aus Israel genannt.

Aktive Abgasschalldämpfer können den Schall von Autos gegenüber klassischen Schalldämpfern technisch um bis zu 20 dB senken. Eine Pegelreduzierung um 20 dB wird als Verringerung der Lautheit auf ein Viertel empfunden. Elektronische Gegenschalldämpfer sind kleiner und leichter; geringerer Abgasgegendruck kann Leistung steigern oder Kraftstoffverbrauch und damit CO₂-Ausstoß senken. Bei aktuellen Fahrzeugen wird der Abgasgegendruck jedoch vor allem durch Abgasreinigungssysteme wie Partikelfilter verursacht, nicht mehr durch den Schalldämpfer.

Weitere Anwendungen und ähnliche Verfahren

In Kanälen und Rohrleitungen wird Antischall zusammen mit herkömmlichen Schalldämpfern zur Dämpfung tiefer Frequenzen bei kleinem Bauraum eingesetzt. Passive Schalldämpfer benötigen für tiefe Frequenzen große Volumina.

Erforscht wurden oder werden unter anderem Anwendungen bei Flugzeugtriebwerken und in Flugzeugen, zur Veränderung von Automotorklang, gegen das tieffrequente Brummen von Netztransformatoren, zur Verbesserung der Schalldämmung von Fenstern, für Ruhezonen in Großraumbüros, Druckmaschinen, Kernspintomographen, Motorradhelme und zur Unterdrückung stehender Wellen in quaderförmigen Räumen, etwa beim Double Bass Array. In fast allen Fällen lässt sich eine ähnliche Wirkung kostengünstiger und ohne zusätzliche Energiezufuhr auf anderem Weg erzielen; deshalb bleibt die Anwendung meist auf spezielle Einsatzfälle beschränkt.

Ein ähnliches Verfahren nutzt die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung Baltic Cable: Hochfrequente Störsignale aus dem Stromrichterbetrieb werden unterdrückt.