Room modes

Room modes are the collection of resonances that exist in a room when the room is excited by an acoustic source such as a loudspeaker. Most rooms have their fundamental resonances in the 20 Hz to 200 Hz region, each frequency being related to one or more of the room's dimensions or a divisor thereof. These resonances affect the low-frequency low-mid-frequency response of a sound system in the room and are one of the biggest obstacles to accurate sound reproduction.

Discrete room modes dominate only at low frequencies. Above a transition known as the Schroeder frequency, the modes overlap so densely that the room response is better treated statistically than as a set of separated resonances. This frequency is commonly approximated by ${\displaystyle f\approx 2000{\sqrt {T/V}}}$, where T is the reverberation time in seconds and V is the room volume in cubic metres; for typical rooms it falls in the low hundreds of hertz.^[1][2]

The input of acoustic energy to the room at the modal frequencies and multiples thereof causes standing waves. The nodes and antinodes of these standing waves result in the loudness of the particular resonant frequency being different at different locations of the room. These standing waves can be considered a temporary storage of acoustic energy as they take a finite time to build up and a finite time to dissipate once the sound energy source has been removed.

Una habitación con superficies generalmente duras presentará resonancias de alto factor Q y muy nítidas. Se puede añadir material absorbente a la habitación para amortiguar dichas resonancias, ya que este disipa la energía acústica almacenada con mayor rapidez.

Para ser eficaz, una capa de material poroso y absorbente debe tener un grosor del orden de un cuarto de longitud de onda si se coloca en una pared, lo que a bajas frecuencias con sus largas longitudes de onda requiere absorbentes muy gruesos. La absorción se produce por la fricción del movimiento del aire contra las fibras individuales, con la energía cinética convertida en calor, por lo que el material debe tener la "densidad" justa en términos de empaquetamiento de fibras. Si es demasiado suelto, el sonido pasará, pero si es demasiado firme, se producirá reflexión. Técnicamente, se trata de una cuestión de adaptación de impedancia entre el movimiento del aire y las fibras individuales. La fibra de vidrio, como la que se usa para el aislamiento térmico , es muy eficaz, pero necesita ser muy gruesa (quizás de 100 a 150 mm ) para que el resultado no sea una habitación que suene artificialmente "muerta" a altas frecuencias pero que siga sonando "resonante" a bajas frecuencias, de modo que proporcione absorción en un amplio rango de frecuencias. Las cortinas y las alfombras solo son eficaces a altas frecuencias (por ejemplo, 5 kHz y superiores).   

Como regla general, el sonido viaja a un pie por milisegundo (344  m/s), por lo que la longitud de onda de las notas a 1  kHz es de aproximadamente un pie (344  mm), y a 10  kHz, de aproximadamente una pulgada (34  mm). Incluso 6 pulgadas (150 mm) de fibra de vidrio tienen poco efecto a 100 Hz, donde un cuarto de longitud de onda es de más de 2 pies (860 mm), por lo que agregar material absorbente prácticamente no tiene efecto en la región de graves inferiores, entre 20 y 50 Hz, aunque puede producir una gran mejora en la región de graves superiores a 100 Hz.      

Las aberturas abiertas, los cilindros de dispersión (de gran diámetro y generalmente de la altura de la pared), los paneles cuidadosamente dimensionados y colocados, y las formas irregulares de las salas son otra manera de absorber energía o descomponer los modos resonantes. En la absorción, como ocurre con las grandes cuñas de espuma que se ven en las cámaras anecoicas , la pérdida se produce en última instancia por turbulencia, ya que las moléculas de aire que chocan convierten parte de su energía cinética en calor. Los paneles amortiguados, que suelen consistir en láminas de tablero de fibra entre listones de fibra de vidrio, se han utilizado para absorber los graves, permitiendo el movimiento de la superficie del panel y la absorción de energía por fricción con los listones de fibra.

Si se está construyendo una habitación, es posible elegir dimensiones que minimicen la audibilidad de sus resonancias. ^{[ 4 ]} Esto se logra asegurándose de que las distintas resonancias de la habitación no se produzcan en frecuencias similares. Por ejemplo, una habitación cúbica presentaría tres resonancias en la misma frecuencia.

La ecualización del sistema de sonido para compensar la respuesta de frecuencia desigual causada por las resonancias de la sala tiene una utilidad muy limitada, ya que solo funciona en una posición de escucha específica y, de hecho, empeora la respuesta en otras posiciones. Además, un aumento significativo de los graves mediante la ecualización del sistema de sonido puede reducir considerablemente el margen dinámico del propio sistema. Algunos fabricantes ofrecen actualmente equipos sofisticados de ajuste de sala, que requieren micrófonos de precisión, una amplia recopilación de datos y el uso de filtrado electrónico computarizado para implementar la compensación necesaria de los modos de la sala. Existe cierta controversia sobre la utilidad relativa de la mejora en salas comunes, dado el elevado coste de estos sistemas.

Las salas muy grandes, como los auditorios o los grandes estudios de televisión, presentan resonancias fundamentales con frecuencias mucho más bajas que las de las salas pequeñas. Esto significa que las resonancias armónicas cercanas tienden a situarse en la región de baja frecuencia, por lo que la respuesta suele ser más uniforme.

• Medición de altavoces

• Una simulación de la acumulación de modos axiales de la sala (requiere WebGL) en Wayback Machine (archivada el 27/03/2023).
• Calculadora de modos HTML5 (vista 3D de cada modo, reproducción de audio, diagrama de Bonello, área de Bolt, frecuencia de Schröder,...)
• Calculadora en modo gráfico
• Ondas estacionarias - Modos de sala
• Cálculos y tablas del modo de sala en la Wayback Machine (archivado el 29/05/2018)
• Tonos de prueba reproducibles en línea: ayudan a localizar las frecuencias resonantes en su habitación.
• Ondas estacionarias (modos de sala) entre paredes paralelas acústicamente duras