Waarom het geluid van hoofdtelefoons nauwelijks te meten is

Meten, weten en horen

Bij het ontwikkelen van hoogwaardige hoofdtelefoons loopt men steevast tegen grenzen aan. Consumenten hebben er vaak geen idee van hoe oorkussens en brilpootjes het geluid veranderen, waarom actieve ruisonderdrukking soms contraproductief werkt en waarom de optimale frequentierespons nog steeds niet is vastgesteld.

Bij het weergeven van muziek moeten alle frequenties van laag tot hoog even hard klinken. Als de muziek meer lage of hoge frequenties nodig zou hebben, zou daar tijdens de productie wel rekening mee gehouden zijn. Voor de weergave is een neutrale frequentierespons ideaal omdat je de muziek dan zo hoort als de producent het heeft bedoeld.

Met behulp van luidsprekers is zo’n lineaire of vlakke frequentierespons vrij eenvoudig te realiseren. De boxen worden voor dat doel op de akoestiek van de ruimte afgeregeld door met behulp van software de pieken en dalen in de frequentie curve te compenseren, zodat op de luisterplek een vlak lineair verloop ontstaat.

Bij hoofdtelefoons is dat echter een stuk lastiger. Wat een luisteraar namelijk als neutraal beschouwt, wijkt meestal sterk af van een vlakke curve. “Een hoofdtelefoon met een lineaire frequentierespons zou ontzettend slecht klinken”, legt Axel Grell uit. Hij kan het weten, want hij ontwikkelt al 27 jaar hoofdtelefoons bij Sennheiser. We bezoeken hem in zijn testlaboratorium. Buiten is het boven de 30 graden, maar in de gekoelde werkruimte bedraagt de temperatuur 21 graden. “Dat is belangrijk voor de metingen omdat de klank van een hoofdtelefoon ook door de temperatuur wordt beïnvloed.”

Axel Grell is portfoliomanager bij Sennheiser. In zijn testlaboratorium demonstreert hij opmerkelijke effecten van hoofdtelefoons.

Voor het meten van de frequentiekarakteristiek gebruiken de ontwikkelaars onder andere een gekalibreerd kunstoor (Bruel & Kjaer type 4153). De meetresultaten hebben echter weinig gemeen met wat een menselijk oor daadwerkelijk hoort, omdat het metalen plaatje in het apparaat het geluid anders registreert dan ons lichaam. Daarbij ligt het menselijk oor niet plat op het hoofd van de luisteraar, zodat bijvoorbeeld brilpootjes en de holte tussen kaakbeen en hals ervoor zorgen dat zelden sprake is van een optimale afsluiting.

Grell demonstreert het effect door een brilpootje tussen het kunstoor en de hoofdtelefoon te schuiven. Bij een gesloten model als de HD 820 vermindert de basrespons daardoor met maar liefst 20 dB (zie de grafiek op pagina 80 onderaan). “Maar zo’n meetresultaat is bedrieglijk”, zegt hij.

Het Bruel & Kjaer type 4153 kunstoor meet de frequentierespons van hoofdtelefoons. Het apparaat heeft echter weinig gemeen met wat mensen horen.

Dat de klank van een hoofdtelefoon niet echt gemeten kan worden, bevestigt ook de huidige DIN EN 602687 uit 2011. In paragraaf 8.6.1 staat: “Er bestaat geen objectieve meetmethode voor hoofdtelefoons waarmee een vlakke frequentierespons te realiseren is die over het gehele spectrum als ongekleurd wordt ervaren.” Een en ander wordt bevestigd door Axel Grell: “Uit de frequentie respons alleen kun je niet opmaken of een hoofdtelefoon 20 euro of 2000 euro heeft gekost.” Om de klankindruk te beoordelen, zul je de hoofdtelefoon moeten opzetten en aandachtig moeten luisteren.

Om zijn wantrouwen in meetresultaten te onderbouwen, voert Grell nog twee experimenten uit. Bij het eerste drukt hij het oorkussen van een HD 600 iets krachtiger met de hand op het kunstoor. Een frequentiepiek die eerder bij 6 kHz lag, verplaatst zich plotseling naar 7 kHz. Tijdens een tweede meting schuift hij de oorschelp enkele millimeters van het meetplaatje af. Direct ontstaat een steile piek rond 5 kHz, terwijl de lage en middenfrequenties beneden de 1 kHz sterk worden afgezwakt. “Wie veel meet, meet vooral onzin.”

De ontwerpers richten zich bij het ontwikkelen van hun hoofdtelefoons dan ook niet op een zo lineair mogelijke frequentierespons, maar op wat de luisteraar daadwerkelijk waarneemt. Akoestiekexperts als professor Günther Theile onderzoeken sinds de jaren 80 hoe het oor het geluid verandert voordat het trommelvlies wordt bereikt. Waar men er eerder van uitging dat een hoofdtelefoon zoveel mogelijk het neutrale geluid van twee luidsprekers in het vrije veld (dus zonder reflecties van muren) moest nabootsen, adviseert Theile de klank van luidsprekers in een diffuse ruimte te simuleren, waarbij alle muren het geluid in alle richtingen weerkaatsen. Bij studiohoofdtelefoons is dat idee overgenomen en zijn er modellen op de markt met zogenoemde diffuse-field-compensatie.

Diffuse-field-compensatie houdt in dat hoofdtelefoons precies zo moeten klinken als luidsprekers met een lineaire neutrale frequentierespons in een kamer waarvan de muren het geluid diffuus weerkaatsen. In het oor van de luisteraar ontstaat daarbij echter een vervormde frequentierespons aangezien de romp, de hals, het hoofd, de buitenkant van het oor en de gehoorgang voor een frequentieafhankelijke versterking of demping zorgen.

Nu zou die vervormde frequentierespons natuurlijk kunnen worden geregistreerd met een microfoon die vlak voor het trommelvlies van een luisteraar wordt geplaatst. Maar ook zo’n microfoon kan niet registreren wat een mens uiteindelijk waarneemt. De oorzaak ligt bij het zogeheten SLD–effect: het verschil tussen de gemeten geluidsdruk en het door de luisteraar ervaren volume. Als je afwisselend geluidsgolven van een luidspreker en een hoofdtelefoon op het trommelvlies krijgt, moet de hoofdtelefoon beneden de 2 kHz en boven de 5 kHz een hogere geluidsdruk voortbrengen om als even hard te worden ervaren. Theile vermoedt dat het gehoor bij het beoordelen van het volume de afstand tot een geluidsbron in aanmerking neemt en daarom een zich verder weg bevindende luidspreker als ‘harder’ ervaart, hoewel de gemeten geluidsdruk identiek is aan die van de hoofdtelefoon die zich direct op het oor bevindt. De grootte van de afwijkingen is afhankelijk van het ontwerp: gesloten hoofdtelefoons leveren andere resultaten op dan open modellen.

Ervaren ontwerpers zijn zich zeker bewust van dit effect en maken daarom gebruik van complexe procedés, zoals de meetmethode voor de diffusefieldmeting van luidheid. Daarbij worden in een speciaal gekalibreerde ruimte luidsprekers in een optimale positie geplaatst om een lineair diffuus geluidsbeeld te creëren. Getrainde testluisteraars krijgen een testtoon uit een ruisgenerator te horen met een bandbreedte van 1/3 octaaf (ook wel tertsband genoemd). De luisteraars horen afwisselend de luidsprekers en de hoofdtelefoon en regelen het volume van de hoofdtelefoon zo af dat het geluid als even hard wordt ervaren als dat van de luidsprekers.

Als die procedure met alle tertsbanden tussen de 100 Hz en de 12,5 kHz wordt herhaald, resulteert dat in een grafische weergave van het ervaren volume, afgezet tegen de frequentie. Van die kromme wordt vervolgens een frequentierespons afgetrokken die met kunsthoofdmicrofoons in hetzelfde veld gemeten is. Het verschil is dan de doelcurve voor de hoofdtelefoon, de zogenoemde Headphone Target Response Curve (HTRC).

Hoofdtelefoonfabrikanten verschillen echter van mening over hoe de optimale HTRC eruit zou moeten zien. Harman/Kardon heeft de afgelopen jaren bijvoorbeeld talrijke studies gepubliceerd waaruit blijkt dat een ander verloop van de HTRC de voorkeur heeft. Harman/Kardon stelt zijn luidsprekersysteem bijvoorbeeld niet op in een diffuse ruimte, maar in een ‘zeer goede’ luisterruimte. Testluisteraars zouden aan deze HarmanHTRC de voorkeur hebben gegeven boven de HTRC met diffusefieldtechniek. Harman heeft de curve door de jaren heen regelmatig aangepast. De meest recente stamt uit juni 2018. Uit alle onderzoeken van Harman blijkt overigens dat luisteraars een voorkeur hebben voor een curve waarbij de lage frequenties iets worden versterkt en de hoge wat worden afgezwakt, zowel bij het afspelen via luidsprekers als met hoofdtelefoons.

Fabrikanten als Harman en Sennheiser zijn het erover eens dat er grote verschillen bestaan op het gebied van luistervoorkeuren. “Amerikanen hebben liever wat meer bas en Japanners wat minder. Europeanen liggen ongeveer in het midden”, legt Axel Grell uit. Hij vermoedt dat onder andere de klank van de door de luisteraar gesproken taal invloed heeft op dat soort voorkeuren, aangezien het gehoor door de taal aan hogere of juist lagere klanken gewend is geraakt. Ook leeftijd speelt een belangrijke rol: jonge luisteraars geven in vergelijking met oudere de voorkeur aan meer bas en minder hoge tonen. Volgens studies van zowel Harman als Sennheiser komt dat doordat het menselijk gehoor met de jaren achteruitgaat. Een en ander verklaart waarom het merk Beats een jaar of tien geleden zo succesvol was: het extreem zware, nogal doffe geluid was specifiek gericht op jonge Amerikanen die naar hiphop luisterden. Inmiddels worden de nieuwe modellen van Beats een stuk neutraler afgeregeld.

Ten slotte beïnvloeden natuurlijk ook de luistergewoontes de eigen voorkeuren. Sean E. Olive en zijn collega’s van Harman ontdekten bijvoorbeeld dat getrainde luisteraars de voorkeur geven aan een meer neutrale frequentierespons, terwijl ongetrainde luisteraars van meer bassen en hoge tonen houden. Hij vermoedt dat professionele gebruikers aan luidsprekers met een neutrale frequentiekarakteristiek gewend zijn, terwijl ongetrainde luisteraars meestal over een installatie beschikken die de bassen en de hoge tonen benadrukt.

De frequentiecurves in blauw en rood zijn van dezelfde gesloten hoofdtelefoon. De enorme dip in het basbereik wordt veroorzaakt door een onder de oorschelp geschoven brilpootje. Bij de open HD 600 is de daling aanzienlijk minder drastisch.

Elke fabrikant streeft voor zijn hoofdtelefoons een eigen doelcurve na, maar in de praktijk zijn de resultaten zelden optimaal. Het Letse bedrijf Sonarworks heeft daarom het softwareprogramma Reference ontwikkeld, waarmee een groot aantal hoofdtelefoons van een vlakke frequentierespons kan worden voorzien. Sonarworks meet daar de hoofdtelefoon voor door, waarna de frequentierespons met behulp van zijn eigen HTRC wordt gecompenseerd. Over de exacte meetmethode en de vorm van de compensatiecurve zwijgt Sonarworks in alle toonaarden. Het enige wat de ontwikkelaars los willen laten, is dat die zich onderscheiden van gangbare HRTC’s en gestandaardiseerde meetmethoden.

Ongeacht de doelcurve die een fabrikant uiteindelijk kiest, die is altijd gebaseerd op een statistisch gemiddelde van een beperkt aantal testluisteraars. Uit wetenschappelijke studies blijkt echter dat de verschillen tussen de meetresultaten van afzonderlijke luisteraars en zo’n gemiddelde curve bij grotere aantallen testpersonen dramatisch toenemen. De bassen, maar ook de middentonen, die voornamelijk door de lichaamsbouw en de vorm van het hoofd worden beïnvloed, zullen wat volume betreft nog min of meer als vergelijkbaar worden ervaren, maar vanaf ongeveer 6 kHz gaan de indrukken echter sterk uiteenlopen. De oorzaak van dat fenomeen is het feit dat de oren van ieder mens anders gevormde zijn, waardoor hoge frequenties anders gereflecteerd worden. Waar bij de een tijdens het luisteren een resonantie wordt opgewekt, zal die frequentie bij een ander juist worden afgezwakt.

Sommige fabrikanten proberen de invloed van de individuele oorvorm vast te stellen met behulp van meetmicrofoons die in de oorkussens worden ingebouwd. Axel Grell is echter sceptisch over die methode: “In de oorkussens kun je helaas niet de frequentierespons en de vertraging van de afzonderlijke frequentiebanden (group delay) op het trommelvlies meten. Het verschil met een lineaire referentiecurve kan dus niet op die manier worden bepaald”, legt hij uit. Lage frequenties bereiken het trommelvlies namelijk eerder dan hoge, die eerst in het uitwendig oor worden gereflecteerd en vervolgens ‘bandgewijs’ in de gehoorgang arriveren.

Grell geeft daarom de voorkeur aan de passieve methode, die ervan uitgaat dat de frequentiekarakteristiek ter hoogte van het trommelvlies op natuurlijke wijze door de geometrie van het oor wordt bepaald. Dat werkt natuurlijk alleen bij hoofdtelefoons die volledig over het oor vallen. Bij hoofdtelefoons die op het oor liggen, lukt dat minder goed – en bij in-ears helemaal niet. Die laatste sluiten de gehoorgang luchtdicht af en kunnen zelfs lage bassen weergeven. De gehoorgang wordt er echter ook door verkort. “Daardoor verschuift de natuurlijke resonantiefrequentie van de gehoorgang van ongeveer 3 kHz naar een hogere frequentie”, aldus Grell. Als dat niet wordt gecompenseerd, ontstaat in het hogetonenbereik een onnatuurlijke piek die een nare klank veroorzaakt.

Een ander probleem is dat het menselijk gehoor bepaalde frequentiegebieden afhankelijk van de geluidssterkte anders waarneemt. Bij hoge volumes worden bassen en hoge tonen in vergelijking met middentonen luider waargenomen dan op lage volumes. Om een neutrale klank te produceren, zou de frequentierespons van een hoofdtelefoon dus dynamisch op het totaalvolume moeten reageren. Veel versterkers en luidsprekersystemen, waaronder Apple’s Homepod, doen dat al, maar bij hoofdtelefoons wordt die techniek nog zelden toegepast.

Ook het effect van een actieve noisecancelling (ANC, tegenwoordig op veel bluetoothhoofdtelefoons te vinden), zorgt ervoor dat de middenfrequenties bij lage totaalvolumes luider zijn. “ANC werkt alleen op lage frequenties, momenteel tot maximaal 500 Hz”, legt Axel Grell uit. Dat is voldoende om het doffe geluid van brommende motoren enigszins te dempen, maar het doet niets met hoogfrequente ruis en spraak. “Dat kan bijvoorbeeld tot gevolg hebben dat de gesprekken van medereizigers in een trein harder klinken mét ANC dan zónder”, aldus Grell. Door het dempen van de lage frequenties en de daaraan gerelateerde afzwakking van het totaalvolume reageert het gehoor plotseling gevoeliger op de middentonen.

Bij de blauwe frequentiecurve van een Sennheiser HD 600 is het typische verloop te zien: de bolling van de kromme in het basbereik (B) wordt veroorzaakt door de eigenfrequentie van de transducer en het dipje (A) links daarvan door de eigenfrequentie van de beugel van de hoofdtelefoon. Het dal rond 2,6 kHz (C) compenseert de resonantiefrequentie in de gehoorgang van de luisteraar. De piek rond 6,5 kHz (D) wordt veroorzaakt door interferenties in het uitwendig oor en heeft bij elke luisteraar een iets andere locatie. De oranje curve geeft de frequentierespons van het diffuse-field weer.

Met Reference 4 van Sonarworks worden frequentieresponscurven gecompenseerd. Over de methode die daarbij wordt toegepast is niets bekend. Hier zie je de curve voor de Sennheiser HD 600.

Bij sommige bluetooth-hoofdtelefoons (hier een Sony WH-1000XM2) bestaat een enorm verschil in frequentierespons tussen muziek die met een kabel of draadloos wordt afgespeeld. Ook het in- of uitschakelen van actieve ruisonderdrukking (ANC) maakt veel uit.

Aangezien er zo veel factoren zijn die de klank van een hoofdtelefoon kunnen beinvloeden, kan de kwaliteit ervan niet echt uit een frequentiecurve worden afgelezen. Bij sommige modellen is bijvoorbeeld de THD (Total Harmonic Distortion, de hoeveelheid boventonen en vervorming) in het bas bereik relatief hoog. Dat hoeft echter niet per se negatief te zijn als dat het gevolg is van gewenste harmonische resonantie. Belangrijk voor het in de ruimte plaatsen van een geluidsbron is ook de vertraging van de afzonderlijke frequentiebanden, die tot frequentieafhankelijke faseverschillen leidt wanneer de geluidsgolven het trommelvlies bereiken. Ook de mate waarin een hoofdtelefoon de luisteraar van de buitenwereld afschermt (occlusie) zou frequentieafhankelijk moeten worden vastgesteld, met inachtneming van de geluidsoverdracht via de botten. Daarvoor bestaan momenteel echter nog geen gestandaardiseerde meetmethoden. Bij tests kunnen metingen en omschrijvingen van de klank dan ook uitsluitend een globale indruk geven van hoe een hoofdtelefoon klinkt in vergelijking met een ander model. Als je een hoofdtelefoon zelf opzet, kan je persoonlijke indruk volledig anders zijn, bijvoorbeeld omdat je een bril draagt, lang haar hebt, je oor anders is gevormd, je gehoor een andere perceptie heeft of je met een andere taal bent opgegroeid dan de tester.

In een eerder artikel hebben we besproken hoe je zelf je gehoor kunt trainen en hoe je hoofdtelefoons kunt vergelijken zonder dure meetapparatuur.