Stehende Wellen / Eigenmoden

Stehende Wellen, auch Eigenmoden oder Raummoden genannt, sind Frequenzen, deren Wellenlänge mit Maßen des Raumes übereinstimmen. Sie werden stehende Wellen genannt, da die jeweiligen Frequenzen in Resonanz mit dem Raum schwingen und sich nicht fortbewegen, wie Schallwellen höherer Frequenzen. Es ist der gleiche Effekt, wenn man ein an einer Wand befestigtes Seil hin und her oder hoch und runter bewegt und irgendwann die passende Geschwindigkeit erreicht, bei der sich die Knotenpunkte zwischen Bergen und Tälern nicht mehr nach vorne oder hinten bewegen, sondern an einem Ort stehen bleiben.
Sie speichern Energie, wodurch mehrere Probleme entstehen. Einerseits baut sich der Ton der betroffenen Frequenz nicht so schnell auf, da der „Speicher“ erst aufgefüllt werden muss, andererseits schwingt er länger nach, da die gespeicherte Energie wieder abgebaut werden muss. Der Raum gibt also auch dann noch Schall ab, wenn der Ton auf der Aufnahme nicht mehr vorhanden ist. Der Ton wird durch die stehende Welle im Raum zeitlich nicht mehr so wiedergegeben, wie er auf der Aufnahme enthalten ist. Außerdem bilden sich an den oben am Beispiel mit dem Seil beschriebenen Knotenpunkten Bereiche mit niedrigem Schalldruck und an den Tälern und Bergen Bereiche mit hohem Schalldruck, also sehr leise und sehr laute Bereiche.
Wenn Eigenmoden zwischen zwei Wänden auftreten, werden sie axiale Moden genannt, bei vier Wänden tangentiale Moden und bei allen sechs Wänden oblique Moden, auch als diagonale oder schiefe Moden bekannt. Axiale Moden treten zwischen den Seitenwänden (Quermoden), zwischen Front- und Rückwand (Längsmoden) und zwischen Fußboden und Decke (Vertikalmoden) auf. Bei tangentialen und oblique Moden gibt es soviele Varianten, dass ich Sie nicht aufzählen möchte. Das lohnt sich auch nicht, da axiale Moden die größte Energie speichern und in der Regel die meisten Probleme machen. Bei quaderförmigen Räumen können sie hier die Frequenzen der theoretisch auftretenden Eigenmoden, also Frequenzen, die theoretisch lauter oder leiser sind als andere Frequenzen, berechnen. Diese Frequenzen müssen aber nicht unbedingt immer zutreffen, bzw. die Auswirkungen hörbei sein, oft gibt es einen Unterschied zwischen Theorie und Praxis.
Eigenmoden treten immer in mehreren Ordnungen mit aufsteigenden Frequenzen auf. Hat ein Raum z. B. eine Breite von 500 cm tritt die erste axiale Eigenmode zwischen den Seitenwänden bei der Frequenz auf, deren halbe Wellenlänge ebenfalls 500 cm beträgt. Das ist bei 34,4 Hz der Fall. Bei 34,4 Hz besteht nun ein sehr hoher Schalldruck direkt an den Seitenwänden, aber nur sehr geringer Schalldruck mittig zwischen den Seitenwänden, dass bedeutet, dass der Ton an den Wänden sehr laut ist, in der Raummitte aber sehr leise. Die Mode zweiter Ordnung tritt bei der Frequenz auf, deren volle Wellenlänge genau der Breite des Raumes entspricht, also bei ca. 69 Hz.

Lautstärkeverteilung der ersten drei Eigenmoden

Lautstärkeverteilung der ersten drei Eigenmoden

Hier ist wieder ein hoher Schalldruck an den Wänden, aber auch in der Raummitte vorhanden. Zwischen den Wänden und der Raummitte gibt es dann jeweils einen Bereich, der einen sehr geringen Schalldruck aufweist. Es gibt also drei laute und zwei leise Bereiche. Bei der Mode dritter Ordnung (103 Hz) passen dann genau drei Halbwellen zwischen die Seitenwände, bei denen an den Wänden wieder hoher und in der Raummitte wieder niedriger Schalldruck vorherrscht, dazwischen aber jeweils ein Bereich mit hohem und ein Bereich mit niedrigem Schalldruck entsteht. Geht man in diesem Fall von einer Seitenwand zur Anderen, ist es erst laut, dann leise, dann wieder laut, dann wieder leise, dann wieder laut, dann wieder leise und dann wieder laut.
Das bedeutet, dass es mittig zwischen den Seitenwänden eine Frequenz gibt, die sehr leise ist. Dort befindet sich in der Regel auch die Hörposition, um eine möglichst gute Stereosymmetrie im Mittel- und Hochtonbereich zu erreichen. Es macht also Sinn, Bassfallen gegen die Quermoden im Raum zu installieren. Wenn sich die Sitzposition direkt an der Rückwand befindet, sitzen Sie immer im Bereich von hohem Schalldruck der Längsmoden und es macht Sinn, auch Bassfallen gegen die Längsmoden zu installieren.
Je massiver die Wände gebaut sind, desto stärker treten die Lautstärkeunterschiede im allgemeinen auf. Sind große Türen oder Fenstern vorhanden, reduzieren sich die Auswirkungen in der Regel, da der tieffrequente Schall durch diese hindurch geht, bzw. zum Schwingen anregt und somit Energie verliert.
Tangentiale und oblique Moden lassen sich nicht so einfach identifizieren, da mehrere Wände im Spiel sind und der Effekt oft nicht so deutlich ist.
Dieses gilt allerdings nur bei quaderförmigen Räumen. Bei l-förmigen Räumen bilden sich auch Eigenmoden zwischen den parallelen Wänden, allerdings sind die Auswirkung teilweise nicht so stark ausgeprägt, dafür treten mehr Eigenmoden auf, da es mehr parallele Wände gibt. Auch bei fünfeckigen Räumen bilden sich Eigenmoden, allerdings sind diese nicht mit einfachen Mitteln auszurechnen und oft auch schwieriger vor Ort zu ermitteln.