Measuring Acoustic Intensity Field in Upscaled Physical Model of Ear

Abstract

Although the acoustics of the human external ear have been the subject of ongoing scientific research for over one and a half century, it has not yet been completely clarified how particular structures of the visible part of the external ear (i.e., pinna) affect the arriving sound and cause direction-dependent variations in the spectral features of the sound field at the ear canal entrance. In particular, there is a lack of consensus on the nature of pinna reflections, and furthermore, knowledge about the temporo-spatial properties of sound propagation in the pinna cavities is limited. In this thesis, methods that enable directional sound field analysis in the external ear are presented, and the applicability of the methods is demonstrated through proof-of-concept cases. The methods include acoustic intensity field measurements with a three-dimensional pressure-velocity probe at multiple points in the vicinity of an upscaled (7:1) physical model of the ear for various sound source directions, time-frequency-direction analysis of the measured signals, and visualization of the resulting multidimensional data. The results provide insights into the magnitude, time of arrival, and, most importantly, direction of arrival of the direct, diffracted, and reflected sound waves at multiple points within the pinna cavities; moreover, the results illustrate the manner in which these properties vary with sound source direction and frequency. The proof-of-concept cases show that the methods are able to provide sufficient information for inferring the path of propagation of the early, distinct pinna reflections that arrive at the ear canal entrance. The overall results suggest that the measurement, analysis, and visualization methods presented in this thesis have the potential to contribute to knowledge on the directional acoustic properties of the external ear.

Vaikka ihmisen ulkokorvan akustiikka on ollut jatkuvan tieteellisen tutkimuksen kohteena yli puolitoista vuosisataa, vielä ei ole täysin selvitetty, miten tietyt ulkokorvan näkyvän osan (ts. korvalehden) rakenteet vaikuttavat saapuvaan ääneen ja aiheuttavat suunnasta riippuvia vaihteluja korvakäytävän suuaukolla olevan äänikentän spektrin piirteissä. Erityisesti korvalehtiheijastusten erityispiirteistä ei ole yksimielisyyttä ja lisäksi tietämys korvalehden onteloissa etenevän äänen ajallis-paikallisista ominaisuuksista on vähäistä. Tässä diplomityössä esitetään ulkokorvan äänikentän suunta-analyysin mahdollistava menetelmäkokonaisuus ja sen soveltuvuus osoitetaan esimerkkitapauksilla. Menetelmiin kuuluu akustisen intensiteettikentän mittaaminen kolmiulotteisella paine-nopeus-anturilla useassa pisteessä suurennetun (7:1) korvamallin läheisyydessä eri äänilähteen suunnilla, mitattujen signaalien aika-taajuus-suunta-analyysi ja tuloksina saatavien moniulotteisten tietojen visualisointi. Tulokset tarjoavat tietoa suoran, diffraktoituneen ja heijastuneen äänen magnitudista, tuloajasta ja ennen kaikkea tulosuunnasta useissa pisteissä korvalehden onteloiden sisällä; lisäksi tulokset havainnollistavat, miten nämä ominaisuudet vaihtelevat äänilähteen suunnan ja taajuuden mukaan. Esimerkkitapaukset osoittavat, että menetelmien avulla saatava tieto on riittävää korvakäytävän suuaukolle saapuvien varhaisten, selvästi erottuvien korvalehtiheijastusten etenemistien päättelemiseen. Kokonaisuudessaan tulokset viittaavat siihen, että tässä diplomityössä esitetyillä mittaus-, analyysi- ja visualisointimenetelmillä on mahdollista edesauttaa ulkokorvan akustisiin suuntaominaisuuksiin liittyvän tietämyksen lisäämistä.