Raummoden

Was sind Raummoden?

Die Auswirkungen tiefer Frequenzen auf die Raumakustik, müssen mit anderen Modellen erschlossen werden, als diejenigen mittlerer und hoher Frequenzen.

Für hohe Frequenzen wird das Modell der geometrischen Akustik angewandt. Die vereinfacht als Strahlen betrachteten Schallwellen breiten sich im Raum aus und verlieren bei jeder Reflexion Schallenergie. Die wichtigste Größe für die raumakustische Analyse ist hierbei die Nachhallzeit, von welcher der Schallpegel abhängt.

Zur Analyse der Raumakustik im tiefen Frequenzbereich ist das komplexere Modell der wellentheoretischen Akustik nötig, welches durch Raumeigenmoden geprägt ist. Diese sind bestimmte Frequenzen, bei denen sich innerhalb eines Raumes stehende Wellen ausbilden. Das ist darauf zurückzuführen, dass sich die Schallwellen und ihre reflektierten Gegenstücke überlagern, sodass es zu konstruktiver und destruktiver Interferenz kommt, was für jede Raummode eine spezifische Schalldruckverteilung zur Folge hat. Der Mensch nimmt in einem Raum, in dem eine tiefe Raumeigenfrequenz angeregt wird, stark schwankende Schallintensitäten wahr. Je höher die Frequenz, desto weniger nimmt der Mensch Lautstärkeunterschiede wahr, da sich die Stellen mit stark unterschiedlichem Schalldruck sowohl räumlich als auch in Bezug auf ihre Frequenzen näherkommen. Der gleiche Effekt ist bei zunehmender Raumgröße zu beobachten. Das ist auf den Umstand zurückzuführen, dass die Wellenlänge mit sinkender Frequenz steigt, was bedeutet, dass die Raumdimensionen bei hohen Frequenzen deutlich größer als die Wellenlängen der Schallwellen sind, bei tiefen Frequenzen hingegen von ähnlicher Größe.

Die einfachsten und zugleich stärksten Moden sind diejenigen, die sich durch Reflexion zwischen zwei Wänden ausbilden. Je mehr Wände beteiligt sind, desto mehr Schallenergie wird nämlich pro Zeiteinheit umgewandelt. Zur Veranschaulichung kann folgendes Beispiel für eine Raummode genutzt werden: Damit sich zwischen zwei Wänden eines Raumes, welche 3,4m voneinander entfernt sind, eine Raummode ausbildet, muss die Frequenz des anregenden Schalls 50Hz oder ein Vielfaches davon betragen. Bei 50Hz beträgt die Wellenlänge des Luftschalls nämlich 6,8m, bei 100Hz 3,4m und so weiter, sodass sich bei diesen Frequenzen Maxima und Minima („Wellenberge“ und „Wellentäler“) der Auslenkung der Luftteilchen exakt überlagern.

Damit ein Schallereignis eine Raummode anregt, darf es kein Impuls wie z.B. ein Knall sein, sondern muss von kontinuierlicher Natur sein, da es nur dann zur Überlagerung der zwischen den Wänden hin- und her reflektierten Wellen kommt.

Anzahl und Verteilung der Raummoden im Frequenzspektrum hängt von Raumgeometrie und -Dimensionen ab. Sie sind für quaderförmige Räume leicht mit Hilfe eines Raummoden-Rechners wie diesem hier zu herauszufinden: https://trikustik.at/raummoden-rechner/

Die Analyse von Räumen mit komplexerer Geometrie fordert jedoch auch komplexere mathematische Verfahren und ist nicht mit dem besagten Rechner möglich. Die Verteilung der Raummoden im Frequenzspektrum ist dann gut für die Raumakustik, wenn sie möglichst homogen ist. Mit anderen Worten: Die Lücken zwischen den Lagen der Moden im Frequenzspektrum müssen möglichst klein sein und es sollte gleichzeitig keine Anhäufung von vergleichsweise vielen Moden innerhalb eines Frequenzbereiches geben. Ein Raummoden-Rechner eignet sich dazu, Raumdimensionen zu finden, die zu einer solchen günstigen Verteilung der Raummoden im Frequenzspektrum führen.