Raummoden und die Wirkungen
Moden, vor allem die ungünstige Modenverteilung in tiefen Frequenzen, führen immer zu akustischen Problemen. Das betrifft den Schallschutz, vor allem aber die Qualität der Raumakustik. Erfüllt die Raumakustik, in Abhängigkeit von Raumvolumen und Nutzung nicht bestimmte Kriterien leidet die akustische Behaglichkeit in einem Raum und dazu die Aufenthaltsqualität. Darunter kann der Musikgenuss leiden aber auch die Sprachverständlichkeit. Eine schlechte Sprachverständlichkeit kann die Entwicklung der Sprachkompetenz bei Kleinkindern beeinträchtigen, aber auch die Arbeitsqualität, bis hin zu irreversiblen gesundheitlichen Folgen.
Normalerweise wird erwartet, dass ein Raum sich gehörmässig gleichmässig und neutral verhält. Einzelne Töne sollen nicht übermässig laut oder gar nicht erklingen, und zwar unabhängig der Position im Raum. Die wird als dröhnend, verfärbend, verdeckend und meistens als sehr störend wahrgenommen.
Moden sind bestens bekannt vom Gesang unter der Dusche, wo vornehmlich in der Tonhöhe und in Tonlagen, welche den Moden des Raums entsprechen, gesungen wird. Der Gesang wird in diesem Fall getragen und lauter sowie körperlich wahrgenommen — beim Singen unter der Dusche für die Singenden, ein schönes Gefühl. Oder auch, wenn der Lieblingssong auf der Anlage im Wohnzimmer gehört wird und gewisse Töne im Bass, den ganzen Rest der Musik übertönen, wogegen andere Töne zu leise sind oder sogar fehlen — am besten zu entdecken, wenn die Musik mit dem einen Ohr mit Kopfhörer und mit dem Anderen Ohr im Raum gehört wird.
Im Bereich der Raummoden, kommt es ortsabhängig zu Überhöhungen und Auslöschungen, sodass die gleichmässige Schallverteilung im Raum bei Moden nicht möglich ist. Das Schallfeld im Raum wird dadurch inhomogen. Die Folge, es gibt akustisch „gute Orte“ mit ausgeglichenem, neutralen Klang und „schlechte Orte“ mit verfälschtem, verfärbten und unangenehmen Klang.
Die Anzahl Moden nimmt mit steigender Frequenz grundsätzlich zu. Problematisch sind Moden in tiefen Frequenzen, wenn sie entweder nahe oder weit auseinander liegen. Die Verteilung der Moden ist einerseits durch die Dimensionen und andererseits den Proportionen des Raums bestimmt und kann ohne deren Veränderung, nicht geändert werden.
Zur unterschätzten Problematik von Raummoden
In einem akustisch ungünstigen Raum, treten Moden diskret hervor. Das bedeutet, einzelne Töne, passend zu den entsprechenden Raumresonanzen, können um bis zum 30fachen lauter erklingen, als die anderen Töne oder auch ganz verschwinden.
Treten Moden im Bereich des Stimmklangs auf, wird durch Inhibition, welche zu den oberen Frequenzen hin, durch Verdeckung die Wahrnehmung höherer Töne verringert. Der Stimmklang ist naturgegeben immer lauter als die Artikulation. Letztere ist aber essentiell für eine gute Sprachverständlichkeit. Durch die Überbetonung tiefer Frequenzen, unabhängig ob es sich um Sprache, Musik oder Geräusch handelt, wird der Pegel im Raum objektiv, physikalisch gemessen lauter.
Weil in der Regel, die Nachhallzeit in Räumen zu tiefen Frequenzen zunimmt, wird durch das damit verbundene Dröhnen der Pegel zusätzlich erhöht und der Verdeckungseffekt zusätzlich verstärkt. Ausserdem werden derartige Räume als störend laut und unangenehm empfunden. Im Gegensatz zum Gesang unter der Dusche, wo der Gesang in diesem Fall getragen und lauter sowie körperlich wahrgenommen wird.
Raummoden können mit den Raumdimensionen eines Raums und der Formel von Lord Raleigh berechnet werden. Viel aufwändiger und komplexer, wird die Berechnung, bei nicht quaderförmigen Räumen.
Es gibt einige „goldene Regeln“, mit welchen bestimmte Raumproportionen, akustisch günstige Bedingungen, geschaffen werden sollen. Die Regeln werden meist falsch verstanden, denn besagte Proportionen stimmen nur im Fall bestimmter Raumdimensionen und nicht generell. Entscheidend ist immer die Modenverteilung sowie ob und wie sie sich ggf. überlappen.
Es lohnt sich immer, bei Entwurf und Planung von Räumen, die Modenverteilung miteinzubeziehen. Ist die Modenverteilung eines Raums nicht optimal, können mit raumakustischen Massnahmen unabhängig welcher Art, lediglich die nachteiligen Effekte einer ungünstigen Modenverteilung gemildert werden, nicht aber die ungünstige Modenverteilung. Dazu müssen Raumdimensionen und Proportionen verändert werden. Die Qualität im modalen Bereich eines Raums, hängt von der passend eingestellten Modenverteilung ab und verlangt viel Können eines erfahrenen Akustikers.
Moden und die Analogie zur Kinderschaukel
Moden erklären sich durch Resonanzen im Raum. Etwas anschaulicher kann der Zusammenhang anhand von drei Beispielen mit einer Kinderschaukel erklärt werden:
- Wird ein Kind langsam auf eine Schaukel leicht angestossen, so schwingt die Schaukel mit dem Kind langsam vor und rückwärts — der dazu nötige Kraftaufwand ist gering.
- Geht man einige Schritte zurück und hebt die Schaukel an, so schwingt die Schaukel stark hin und her, die Auslenkung ist gross — der dazu nötige Kraftaufwand ist gross.
- Das Gegenteil besteht darin, die Schaukel nicht aus den Händen zu lassen, sondern viel schneller als sie von sich aus mit dem Kind schwingen würde, vor- und rückwärts zu bewegen — auch in diesem Fall ist der Kraftaufwand gross.
Beide Extreme, das Anheben oder die rasche vor- und rückwärts Bewegung, benötigen grossen Kraftaufwand. Es ist möglich, die Schaukel mit dem Kind und sehr geringem Kraftaufwand zu grossen, gelichmässigen Schwingbewegungen anzustossen, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt sind:
Damit der nötige Kraftaufwand gering und die Pendelbewegung stark ist sind erstens ein geringer Widerstand wie im ersten Beispiel beschrieben sowie das richtige Timing, der Stoss zum richtigen Zeitpunkt, nötig. Sind beide Bedingungen erfüllt, reicht ein geringer Stoss zur richtigen Zeit, um mit geringem Kraftaufwand die Schaukel stark schwingen zu lassen. Wird keine weitere Energie zugeführt, beginnt Dämpfung, welche durch Wechselwirkung mit weiteren Einflüsse, wie beispielsweise Reibung auftritt, nimmt die Pendelbewegung, deren Amplitude mit der Zeit kontinuierlich ab, bis nach die zur Verfügung stehende Energie aufgebraucht ist und das Pendel zum Stillstand kommt. Wie beim Pendel, tritt Dämpfung bei der Schallausbreitung auf. Einerseits durch Absorption an Flächen oder aber als Luft- und Trittschalldämmung, wenn Schall in Bauteile eindringt und durch Dissipation in Wärme umgewandelt wird.
Physikalisch betrachtet, unabhängig davon, ob es sich um eine Pendelbewegung oder um eine schwingende Feder handelt, gilt das Gesetz eines Masse-Federsystems und jedes Masse-Federsystem hat eine Resonanzfrequenz. Bei Pendel und Spiralfeder handelt es sich um Systeme, bei denen kinetische und potentielle Energie abwechselnd ineinander umgewandelt werden. Bei der Schaukel mit dem Kind, entsteht durch die Erdanziehungskraft, beim Anheben potentielle Energie. Nach dem Loslassen und weil das Kind auf der Schaukel sitzt, fällt es nicht zur Erde. Stattdessen wird die potentielle Energie, Höhe in kinetische Energie, Bewegung umgewandelt. Das Kind kann nicht tiefer Fallen, solange es auf der Schaukel sitzt.
Das gleiche Prinzip gilt in der Raumakustik. Wird Luft vorwärtsbewegt, strömt sie wie die Schaukel, mit schwingenden Bewegungen eine gewisse Zeit hin- und her, zurück bis zum Ausgangspunkt vor der Anregung. Der Unterschied zur Pendelbewegung mit der Schaukel ist, dass die Luft, respektive die Luftteilchen sich in drei Dimensionen bewegen.
Durch Schwingungen von Luftteilchen in den drei Dimensionen des Raums, ergeben sich Moden (Raumresonanzen). Dies geschieht, weil im Gegensatz zum freien Feld, die Luftteilchen von den Raumbegrenzungen aufgehalten und reflektiert, zur Rückbewegung, wie bei der Schaukelbewegung, gezwungen werden.