Techniek van draadloze in-ears via bluetooth

De techniek van draadloze in-ears zal ons leven beïnvloeden, ze zijn met bluetooth op weg om het universele ondersteuningsapparaat te worden. In-ears zullen binnenkort onze arbeidsprocessen en luistergewoonten beïnvloeden. Eind jaren zestig waren ze nog sciencefiction in Star Trek, maar tegenwoordig zie je ze overal: draadloze in-ears. Ze hebben de head-setmarkt op zijn kop gezet en zijn hard op weg om het universele luisterapparaat te worden. Ze zullen ook de processen en bescherming op de werkvloer veranderen, zoals je kunt lezen in Gehoorbescherming en waarschuwing door Kunstmatige intelligentie

Vijf jaar geleden lanceerde de in München gevestigde start-up Bragi de eerste volledig draadloze in-ears die via bluetooth met een smartphone verbonden werden – en een kleine technologische revolutie ontketenden. De grote doorbraak op de markt kwam een jaar later met de AirPods van Apple, die moeiteloos koppelen met Apple-apparaten.

Near-field Magnetic Induction

Bragi gebruikte voor zijn Dash in-ears een draadloze technologie uit de hoortoestelindustrie: NFMI (Near-field Magnetic Induction). Daarmee kan een oortelefoon die met bluetooth is verbonden audiogegevens via een magnetisch inductieveld over een afstand van ongeveer 30 centimeter naar een tweede oordopje zenden. Het voordeel van NFMI is de relatief korte latentietijd, het nadeel is een gevoeligheid voor hoogfrequente storingsbronnen, die bijvoorbeeld gebruikt worden om diefstal in winkels te voorkomen.

2008: Sennheiser en Kleer

De revolutie had echter al in 2008 kunnen beginnen, toen Sennheiser zijn eerste volledig draadloze in-ears uitbracht, de MX-W1. Die werkten met het bluetooth-alternatief Kleer. ‘We waren onze tijd vooruit,’ legt Frank Foppe uit, global product manager bij Senn­heiser. Net als Betamax bij de videocassettes, sloeg Kleer ondanks de superieure technologie niet aan.

Sennheiser lanceerde de eerste MX W1 draadloze in-ears al in 2008. Omdat daarbij voor de transmissie Kleer werd gebruikt in plaats van bluetooth, zijn die in-ears nooit aangeslagen.

Uiteindelijk verschenen pas in 2018 de Momentum True Wireless bluetooth in-ears van Sennheiser. Net als Bragi maakten die gebruik van NFMI-technologie voor de transmissie, waarmee ze een betrekkelijk korte latentie van ongeveer veertig milliseconden haalden. ‘Inmiddels is bluetooth ook beter geworden,’ licht Foppe toe.

De tweede generatie gebruikt niet NFMI, maar verbindt beide oortjes via bluetooth, vergelijkbaar met wat Apple doet met zijn eigen protocol op de AirPods. Hoewel dat de latentie verhoogt tot meer dan honderd milliseconden, is het energieverbruik lager en is het minder gevoelig voor interferentie.

Dankzij efficiënte bluetooth-implementaties is de energievoorziening tegenwoordig niet meer zo problematisch als hij ooit was. De meeste modellen gaan inmiddels meer dan vier uur mee en kunnen snel worden opgeladen in de bijbehorende opbergdoosjes die van een ingebouwde accu zijn voorzien.

Hoe krijg je de juiste pasvorm

Een van de dingen waar fabrikanten nog steeds aan sleutelen is de pasvorm. De originele Apple AirPods zijn gemaakt van massief plastic. Die passen zich niet aan de vorm van het oor aan, en sluiten de gehoorgang niet luchtdicht af. Daardoor zitten ze bij sommige mensen niet zo lekker in het oor of gaan ze na een tijdje knellen of vallen ze makkelijk uit.

Geluiden van lichaam horen

Als de gehoorgang niet luchtdicht wordt afgesloten, worden met name de lage basfrequenties moeilijker doorgegeven. Daarom gebruiken de meeste fabrikanten inmiddels flexibele rubberen dopjes, die ze vaak in verschillende maten meeleveren. Daarmee komen de lage tonen goed door, maar zijn ook de geluiden van het lichaam zelf beter hoorbaar – in vakjargon wordt dat het occlusie-effect genoemd. Loopbewegingen of de eigen spraak klinken dan erg gedempt door.

Compenseren door luchtinlaten

Het is tot nu toe slechts enkele fabrikanten gelukt dat probleem op te lossen:

• de AirPods Pro van Apple registreren de lichaamsgeluiden via microfoons in de gehoorgang en compenseren die met behulp van tegen­geluid en luchtinlaten.
• De Galaxy Buds Live van Samsung werken eveneens zonder de gehoorgang af te sluiten. Ze zijn van extra luchtinlaten voorzien en dankzij een nieuwe ontwikkeling van AKG is het gelukt om de basweergave enorm te versterken.
• Ook Huawei heeft luchtinlaten in zijn in-ears om het occlusie-effect te reduceren.
• Bij de in-ear-modellen van fabrikanten als Bose, Nura en Sennheiser is het occlusie-effect echter nog steeds hinderlijk aanwezig.

Samsung heeft, net als Apple, speciale ventilatiesleuven (air-vents) in de Galaxy Buds Live ingebouwd om het occlusie-effect te verminderen.

Sporters hebben vaak het probleem dat de draadloze plugjes snel uit de oren vallen. Via twee methoden zorgen de fabrikanten voor een strakkere pasvorm: sommige modellen klemmen zich met kleine rubberen vinnetjes in het oor vast, terwijl andere met extra haakjes aan de oorschelp bevestigd worden. Die laatste methode is zeer effectief, maar de oortjes zijn lastig in en uit te doen en vervelend voor brildragers.

Omdat elk oor anders is, kunnen tests in tijdschriften je niet helpen bij het kiezen van de juiste pasvorm. Uiteindelijk zul je de in-ears zelf moeten uitproberen. Ondanks de bijgeleverde rubberen dopjes in verschillende maten, kan je oor te groot of te klein zijn.

Als helemaal niets past, bieden otoplastieken uitkomst – oordoppen die door een audicien op maat worden gemaakt. Die moeten individueel worden ingemeten en kosten 150 tot 200 euro extra, afhankelijk van het model. Omdat zulke otoplastieken ook op de in-ears moeten passen, moet je je van te­voren informeren over de mogelijke modelcombinaties.

Blijf op de hoogte van de nieuwste informatie en tips!
Schrijf je in voor de nieuwsbrief:

Relatief nieuw bij draadloze in-ears is de mogelijkheid om storend geluid van buitenaf te reduceren via actieve ruisonderdrukking (Active Noice Cancelling). Externe microfoons pikken omgevingsgeluid op en geven het met omgekeerde fase door aan het oor. In het geval van continue, laagfrequente geluiden, zoals in vliegtuigen of treinen, werkt dat zeer effectief. Dat is moeilijker bij onregelmatig geluid met hogere frequenties, zoals spraak. Een fundamenteel probleem is echter dat ANC zelf in meer of mindere mate ruis genereert, wat het muziekgenot kan bederven. Het wordt daarom ook niet gebruikt in high-end koptelefoons.

Ware stilte

Het volledig isoleren van buitengeluiden heeft echter ook nadelen. Net zoals de pupil in het oog zich aanpast aan situaties met meer of minder licht, reageert het gehoor ook op stille en luide omgevingen. ‘Ware’ stilte is niet haalbaar voor het menselijk oor. De componist John Cage onderzocht dit reeds in de ­jaren vijftig in een zogenaamde ‘dode kamer’. Daar kon hij nog twee geluiden waarnemen: hoge geluiden die zijn gehoorzenuwen voortbrachten en lage geluiden die de bloedsomloop in het oor genereerden. Bovendien zijn er andere lichaamsgeluiden als je beweegt. Cage maakte onderscheid tussen bewust gehoorde en onbewust gehoorde klanken en heeft die laatste vormgegeven in zijn beroemde stuk 4:33, waarvan de ­partituur louter uit pauzetekens bestaat.

Lichaamseigen geluid

Het verminderen van omgevingslawaai alleen kan er dus toe leiden dat lichaamsgeluiden opvallender worden en storender overkomen. Dat is vooral een probleem voor mensen die aan tinnitus lijden – daar later meer over. Om het lichaamseigen geluid te verminderen, moet de actieve ruisonderdrukking dus niet alleen rekening houden met het lawaai van buitenaf, maar ook met dat van binnen. De AirPods Pro van ­Apple doen dat al behoorlijk goed en andere fabrikanten zullen volgen met geavanceerde ANC-technieken.

Onderscheid met Kunstmatige intelligentie

Het wordt interessant of het op termijn mogelijk zal zijn om het omgevingsvolume harder of zachter te zetten, net als een tv. De processors in de in-ears staan op het punt om via kunstmatige intelligentie onderscheid te maken tussen verschillende geluiden en in de toekomst bijvoorbeeld spraak door te laten en storende machinegeluiden te onderdrukken. In het laatste artikel in deze reeks lichten we toe hoe dat werkt.

Ook vrij nieuw zijn de zogenaamde transparantie­modi. In die modus zenden de microfoons van de in-ears extern geluid naar het oor. Idealiter zouden gebruikers met in-ears de omgevingsgeluiden dan net zo goed moeten horen als zonder de oordopjes.

Te dof of veel ruis

Tot dusver zijn echter slechts enkele fabrikanten erin geslaagd dat goed toe te passen. Vaak klinkt het omgevingsgeluid onnatuurlijk of te dof of genereren de in-ears daar veel ruis bij. In ieder geval gaat er richtings­informatie verloren tijdens de transmissie door de microfoons.

Uit welke richting

Via weerkaatsingen van geluids­golven bij de schouders, het hoofd en in de oorschelp, en de fase­verschuivingen die daarbij optreden, zijn de hersenen in staat de richting van een geluidsbron betrekkelijk goed te lokali­seren. Tot nu toe lukt het de microfoons van draadloze in-ears niet om die extra informatie goed op te vangen en door te geven.

Ook worden al de eerste aanzetten gemaakt om in-ears in combinatie met smartphones uit te breiden tot betaalbare hoortoestellen. Zo heeft de start-up Noopl een opzetstuk voor de iPhone ontwikkeld met een array van drie microfoons om gesprekken uit de omgeving te versterken. Je legt je iPhone dan op ­tafel en stopt AirPods Pro in je oren. Aangezien die zijn uitgerust met bewegingssensoren, detecteert de microfoonarray de richting waarin je kijkt en versterkt de spraak van de gesprekspartner die daar zit. Dergelijke hoortoestellen zijn de volgende stap en kunnen in-ear-dragers met een beginnend gehoorverlies helpen zonder dat er een duur hoortoestel voor nodig is.

De extra microfoons van Noopl zijn ontworpen om van een iPhone in combinatie met AirPods Pro een luisterhulp te maken bij onoverzichtelijke gesprekssituaties.

Voorkeur

Omdat mensen verschillende geluidsvoorkeuren hebben, proberen fabrikanten het geluid van hun in-ears aan te passen aan de behoeften van de klant. Sommige gebruikers hebben liefst een zo neutraal mogelijke weergave, anderen juist een lekker stevige bas. Verschillende trommelvlies- en gehoorgang­structuren zorgen ook voor verschillende resonanties, waar de in-ears tijdens het spelen voor moeten compen­seren.

De AirPods Pro van Apple doen dat grotendeels ­automatisch via microfooncontrole. Andere aanbieders meten het oor en slaan geluidsprofielen op. Bij slechts enkele fabrikanten werkt dat ook goed. Methoden waarbij bijvoorbeeld foto’s van het oor worden genomen (Creative Labs, Sony) of de gehoordrempel in verschillende frequentiegebieden wordt gecontroleerd (Beyerdynamic, Jabra) hebben ons tot dusver nog niet kunnen overtuigen.

Profielen

Meestal zijn de aanpassingen van de frequentiecurven te onnauwkeurig. ­Fabrikant Nura slaagt daar nog het beste in. Bij diens in-ears en koptelefoons kun je profielen aanmaken via een app. De resultaten zijn echter niet noodzakelijk beter dan die van een koptelefoon van hoge kwaliteit.

We kennen geen systeem waarbij ook rekening wordt gehouden met het volume tijdens het afspelen. Het menselijk oor is bij lage volumes veel minder gevoelig voor lage en hoge frequenties dan bij hoge volumes. Een goede aanpassing zou daarom altijd gebruik moeten maken van een microfoon om de werkelijke frequentierespons in de gehoorgang te controleren en de lage en hoge tonen afhankelijk van het volume sterker of zwakker door te geven.

Individuele geluidsprofielen worden bijzonder belangrijk voor driedimensionale binaurale weergave. Daarvoor creëren audiolaboratoria individuele ­filters, zogenaamde Head Related Transfer Functions (HRTF), door kleine microfoons voor het trommelvlies te plaatsen en de auditieve indruk van geluidsbronnen in meerdere dimensies, uit verschillende richtingen op te nemen.

Geluidskwaliteit

Voor consumentenelektronica is zo’n complexe aanpak niet reëel, daarom werken fabrikanten met gestandaardiseerde HRTF’s. Die verslechteren meestal de geluidskwaliteit.Uitzonderingen zijn onder meer de AirPods Pro van Apple, die vanaf iOS 14 op nieuwere iPhones en iPads een 3D-modus voor het afspelen van films ondersteunen. Daarbij lijken er vijf virtuele luidsprekers in de ruimte te staan, die zelfs hun positie be­houden wanneer de luisteraar zijn hoofd draait – wederom dankzij de bewegingssensoren in de AirPods Pro.

Samsung is van plan een soortgelijk systeem te lanceren in de Galaxy Buds Pro, die we echter niet op tijd in huis hadden om te kunnen testen.

Tinnitus

Met het oog op de toekomst zou een betere individuele geluidsaanpassing ook geschikt zijn voor de behandeling van tinnitus. Momenteel zijn er enkele medische apps voor patiënten die verschillende ruisgeluiden weergeven om het tinnitusgeluid te maskeren. Of ze voorzien muziek van een notchfilter dat de individueel vastgestelde frequentie van het tinnitus­geluid eruit filtert. Dergelijke functies zouden ook relatief makkelijk bij in-ears kunnen worden ingebouwd.

Bij de komende generatie in-ears zal vooral de bluetoothoverdracht verbeterd worden. Dankzij de nieuwste Bluetooth 5.2-specificatie zullen koptelefoons onder meer broadcastsignalen kunnen ontvangen zonder dat ze eerst gekoppeld hoeven te worden. Op die manier kunnen bijvoorbeeld vertalingen bij ­conferenties rechtstreeks naar de koptelefoons van de deelnemers worden gestreamd, of bij internatio­nale filmfestivals films in verschillende talen in dezelfde zaal getoond kunnen worden.

Latentie te hoog

Het genoemde latentieprobleem met bluetooth is ook nog steeds niet opgelost. Terwijl Android en iOS de door de in-ears doorgegeven transmissie­vertragingen compenseren bij het afspelen van video’s, werkt dat niet bij gebruik met smart-tv’s en Windows-pc’s. Slechts enkele bluetooth­koptelefoons slagen erin bij de geluidssynchronisatie onder de maximaal wenselijke drempel van 60 tot 80 milliseconden te blijven. Veel modellen hebben een vertraging van 200 milli­seconden of nog meer. Dat is storend voor gamers die in een onlinegevecht hun tegenstander te laat horen. Voor muzikanten zijn dergelijke latenties nog veel lastiger. Vertragingen van meer dan tien milliseconden zijn al bijzonder vervelend. Professionele in-ear monitoringsystemen maken daarom gebruik van speciale draadloze, vaak analoge systemen.

De huidige generatie in-ears kan al behoorlijk overtuigen wat de geluidskwaliteit en accuduur betreft. Door de voortdurende beschikbaarheid is het verleidelijk om in-ears de hele dag in te houden. Dat is echter niet bijzonder goed voor de oren. Als je jezelf altijd afzondert en voortdurend op hetzelfde volume naar muziek luistert, zal je gehoor het vermogen verliezen om alle details van de omringende geluiden waar te nemen – ondanks de geadverteerde ‘transparantie-effecten’ en ‘3D-geluidssimulaties’.

Op die vlakken is er nog veel ruimte voor verbetering, net als maatregelen om het occlusie-effect tegen te gaan en het inzetten van in-ears als hoorapparaat. Door de hoge verkoopcijfers en lucratieve winst­marges verschijnen er steeds meer fabrikanten op de in-ears-markt. Dat kan verdere innovaties en nieuwe ontwikkelingen alleen maar stimuleren.

Dit artikel is geschreven door Hartmut Gieselmann en Daniel Dupré en verscheen in c’t magazine 6, 2021, p56