background image

 

 

The sound field 

and how it is measured

Jakob Christensen-Dalsgaard, 

Jakob Christensen-Dalsgaard, 

CSC

CSC

background image

 

 

Contents:

1.

1.

Introduction and definition of the sound 

Introduction and definition of the sound 

field

field

2.

2.

Parameters of sound

Parameters of sound

3.

3.

Sound emitters – acoustic monopoles and 

Sound emitters – acoustic monopoles and 

dipoles

dipoles

4.

4.

Manipulations of the sound field

Manipulations of the sound field

5.

5.

Measuring the sound field

Measuring the sound field

a) by the animals

a) by the animals

b) by microphones

b) by microphones

background image

 

 

The sound field –
introduction 1

Strict definition : the sound field is 

Strict definition : the sound field is 

the 

the 

pressure gradient

pressure gradient

, i.e. the 

, i.e. the 

particle acceleration radiating 

particle acceleration radiating 

from the sound source.

from the sound source.

 

 

- an analogue to the electrical field 

- an analogue to the electrical field 

(the potential gradient or force 

(the potential gradient or force 

acting on a unit charge)

acting on a unit charge)

background image

 

 

’Colloquial’ uses of the term 
’sound field’:

Near field (1)

Near field (1)

, the region near the sound 

, the region near the sound 

emitter where medium motion is 

emitter where medium motion is 

dominated by local hydrodynamic flow – 

dominated by local hydrodynamic flow – 

also called the 

also called the 

hydrodynamic near field

hydrodynamic near field

Near field (2)

Near field (2)

, the region near the sound 

, the region near the sound 

emitter where sound radiation is complex 

emitter where sound radiation is complex 

due to interferences between sound 

due to interferences between sound 

radiated from different regions – also 

radiated from different regions – also 

called the 

called the 

geometric near field

geometric near field

Far field

Far field

, the region far from the sound 

, the region far from the sound 

emitter where medium motion is 

emitter where medium motion is 

dominated by the propagating sound wave

dominated by the propagating sound wave

background image

 

 

Colloquial uses of ’sound 
field’ 2

Free sound field

Free sound field

, i.e. a sound field without 

, i.e. a sound field without 

reflected components far away from emitter

reflected components far away from emitter

Diffuse sound field, 

Diffuse sound field, 

a sound field with 

a sound field with 

reflected component and ultimately zero 

reflected component and ultimately zero 

radiated sound energy

radiated sound energy

 

 

The term 

The term 

’closed-field sound’

’closed-field sound’

 is used for 

 is used for 

sound in small enclosures (earphone 

sound in small enclosures (earphone 

couplers) that are essentially pressure 

couplers) that are essentially pressure 

chambers.

chambers.

background image

 

 

Pressure and motion 
parameters of sound

The sound wave propagates in an elastic 

The sound wave propagates in an elastic 

medium and generates alternating 

medium and generates alternating 

condensations and rarefactions of the 

condensations and rarefactions of the 

medium particles

medium particles

The particles are displaced and oscillate 

The particles are displaced and oscillate 

in 

in 

the propagation direction

the propagation direction

 around their 

 around their 

rest position  (no net movements although 

rest position  (no net movements although 

the sound wave propagates)

the sound wave propagates)

(an acoustic particle is a ’tiny bulk’ of medium, 

(an acoustic particle is a ’tiny bulk’ of medium, 

so small that it can be regarded as a unit and 

so small that it can be regarded as a unit and 

so big that it retains fluid properties)

so big that it retains fluid properties)

background image

 

 

Motion parameters of sound

Three related parameters are used:

Three related parameters are used:

1.

1.

Displacement

Displacement

, x(t)

, x(t)

2.

2.

Velocity

Velocity

3.

3.

Acceleration

Acceleration

NB. Particle velocity should not be confused with 

NB. Particle velocity should not be confused with 

sound velocity. Particle velocity is proportional 

sound velocity. Particle velocity is proportional 

to  source level, whereas sound velocity is a 

to  source level, whereas sound velocity is a 

constant only depending on properties of the 

constant only depending on properties of the 

medium.

medium.

t

x

t

v

)

(

2

2

)

(

t

x

t

v

t

a

background image

 

 

Motion parameters of 
sound 2

The medium motion parameters are 

The medium motion parameters are 

vectors 

vectors 

parallel to the propagation direction of the 

parallel to the propagation direction of the 

sound wave and thus 

sound wave and thus 

directional

directional

Sound pressure

Sound pressure

, in contrast, is non-

, in contrast, is non-

directional

directional

However, the 

However, the 

pressure gradient

pressure gradient

 is directional

 is directional

Note that the motion parameters are 

Note that the motion parameters are 

ambiguous

ambiguous

- the particles oscillate both 

- the particles oscillate both 

parallel

parallel

 and 

 and 

antiparallel

antiparallel

 to the sound 

 to the sound 

propagation direction.

propagation direction.

background image

 

 

1

2

3

Propagation of the sound 
wave.

The figure shows the time course of displacement experienced 

The figure shows the time course of displacement experienced 

by each of the acoustic particles as the sound propagates 

by each of the acoustic particles as the sound propagates 

(direction shown by left arrow) (note that the particles are 

(direction shown by left arrow) (note that the particles are 

displaced along the axis (black line) only).

displaced along the axis (black line) only).

 

 

Particle 1 leads and at the instant when particle 2 has its peak 

Particle 1 leads and at the instant when particle 2 has its peak 

velocity - at rest position – particle 1 and 3 move against it, 

velocity - at rest position – particle 1 and 3 move against it, 

creating a peak pressure. 

creating a peak pressure. 

Therefore, the particle velocity is 

Therefore, the particle velocity is 

in phase with the pressure in the propagating sound wave.

in phase with the pressure in the propagating sound wave.

background image

 

 

Particle velocity

Close to the sound source there is no simple relation 

Close to the sound source there is no simple relation 

between pressure and particle velocity. Velocity must be 

between pressure and particle velocity. Velocity must be 

measured independently

measured independently

From Newtons 2. Law,

From Newtons 2. Law,

Thus, velocity is proportional to the integral of the 

Thus, velocity is proportional to the integral of the 

pressure gradient

pressure gradient

Note that particle velocities are much smaller in water 

Note that particle velocities are much smaller in water 

than in air (by a factor 3570 for identical sound pressures)

than in air (by a factor 3570 for identical sound pressures)

dt

r

p

v

r

p

t

v

r

r

1

background image

 

 

Particle velocity 2

Particle velocity can be measured by estimating the 

Particle velocity can be measured by estimating the 

pressure gradient.

pressure gradient.

This is done by measuring the pressure difference 

This is done by measuring the pressure difference 

on two closely spaced hydrophones or 

on two closely spaced hydrophones or 

microphones, integrating and scaling,

microphones, integrating and scaling,

i.e.

i.e.

Note that this is the velocity component on the axis 

Note that this is the velocity component on the axis 

of the two transducers. There are two additional 

of the two transducers. There are two additional 

orthogonal components of particle velocity.

orthogonal components of particle velocity.

dt

r

t

p

t

p

t

v

r

)

(

)

(

1

)

(

2

1

background image

 

 

Particle velocity 
measurements-
an example

The figure shows laser 

The figure shows laser 

measurements of 

measurements of 

clawed frog tympanic 

clawed frog tympanic 

disk vibrations (filled 

disk vibrations (filled 

squares) and particle 

squares) and particle 

velocities measured 

velocities measured 

using the pressure 

using the pressure 

gradient method (two 

gradient method (two 

closely spaced 

closely spaced 

hydrophones)

hydrophones)

(from Christensen-

(from Christensen-

Dalsgaard et al. 1990)

Dalsgaard et al. 1990)

background image

 

 

Sound intensity 1

Far away from the sound source 

Far away from the sound source 

(local flow is negligible) sound 

(local flow is negligible) sound 

pressure and particle velocity are 

pressure and particle velocity are 

related by Ohms acoustical law

related by Ohms acoustical law

where Z is the characteristic 

where Z is the characteristic 

impedance of the medium, 

impedance of the medium, 

 the 

 the 

density and c the speed of sound

density and c the speed of sound

Here sound intensity (energy flow 

Here sound intensity (energy flow 

per unit area) can be calculated as:

per unit area) can be calculated as:

c

Z

Z

v

p

,

c

p

v

p

I

2

background image

 

 

Sound intensity 2

Sound intensity is calculated from the particle 

Sound intensity is calculated from the particle 

velocity as the time average of pressure and 

velocity as the time average of pressure and 

particle velocity:

particle velocity:

Note that velocity components 90 deg out of 

Note that velocity components 90 deg out of 

phase with pressure cancel. These components 

phase with pressure cancel. These components 

belong to the reactive, non-propagating sound 

belong to the reactive, non-propagating sound 

field. Examples are standing waves, local flow 

field. Examples are standing waves, local flow 

near the sound source, but also in diffuse 

near the sound source, but also in diffuse 

sound fields the intensity vector will vanish.

sound fields the intensity vector will vanish.

r

r

v

p

I

background image

 

 

The acoustic monopole

Two kinds of disturbances generated 

Two kinds of disturbances generated 

by the monopole:

by the monopole:

1.

1.

Local flow-medium displaced 

Local flow-medium displaced 

radially by pulsations of sphere

radially by pulsations of sphere

2.

2.

Propagating sound wave radiating 

Propagating sound wave radiating 

out from sphere

out from sphere

In the monopole, local flow vectors are 

In the monopole, local flow vectors are 

aligned with sound propagation 

aligned with sound propagation 

direction

direction

background image

 

 

Acoustic monopole-
animation

http://www.kettering.edu/~drussell/demos.html

background image

 

 

The acoustic monopole 2

The two terms mentioned above show up in the equation for  

The two terms mentioned above show up in the equation for  

radial particle velocity (r distance, U

radial particle velocity (r distance, U

0

0

 source velocity, k 

 source velocity, k 

wave number)

wave number)

                                           

                                           

(sound-wave term)

(sound-wave term)

                       

                       

  

  

(local flow term)

(local flow term)

Pressure is given by the equation:

Pressure is given by the equation:

Thus, in the sound wave

Thus, in the sound wave

term, pressure and velocity

term, pressure and velocity

 

 

are in phase. Pressure and local flow velocity are 90 deg. 

are in phase. Pressure and local flow velocity are 90 deg. 

out of phase.

out of phase.

kr

t

U

r

a

kr

t

U

r

ka

v

cos

)

sin

0

2

2

0

2

kr

t

U

r

cka

p

sin

0

2

background image

 

 

The acoustic dipole
(translating sphere)

The acoustic dipole is equi-

The acoustic dipole is equi-

valent to two monopoles 180 

valent to two monopoles 180 

deg out of phase.Therefore, at 

deg out of phase.Therefore, at 

equal distances from the centers of the monopoles,

equal distances from the centers of the monopoles,

sound pressures cancel (stippled line), i.e. sound 

sound pressures cancel (stippled line), i.e. sound 

radiates in a 'figure-eight'-pattern (red arrows).

radiates in a 'figure-eight'-pattern (red arrows).

Local flow field is shown by arrows. If wavelength is 

Local flow field is shown by arrows. If wavelength is 

large compared to sphere, sound emission is 

large compared to sphere, sound emission is 

'short-circuited' by local flow. Note that, unlike 

'short-circuited' by local flow. Note that, unlike 

the monopole the dipole local flow field is not 

the monopole the dipole local flow field is not 

aligned with the sound field.

aligned with the sound field.

background image

 

 

Acoustic dipole - 
animation

http://www.kettering.edu/~drussell/demos.html

background image

 

 

The acoustic quadrupole

A quadrupole is two connected 

A quadrupole is two connected 

dipoles. The sound emission is 

dipoles. The sound emission is 

more complicated, and only an 

more complicated, and only an 

animation will be shown here:

animation will be shown here:

http://www.kettering.edu/~drussell/demos.html

background image

 

 

Local flow vs. near/far 
field

Traditionally, the local flow has been called a near-

Traditionally, the local flow has been called a near-

field effect. Near/far fields are not very precise 

field effect. Near/far fields are not very precise 

terms, however, (for one thing, ’near field’ is 

terms, however, (for one thing, ’near field’ is 

used for two different effects) and should be 

used for two different effects) and should be 

avoided for the following reasons:

avoided for the following reasons:

1) Animals have receptors for medium motion 

1) Animals have receptors for medium motion 

or sound pressure. Hence, any motion or sound 

or sound pressure. Hence, any motion or sound 

pressure whether originating from local flow or 

pressure whether originating from local flow or 

sound wave can stimulate the relevant 

sound wave can stimulate the relevant 

receptors - i.e. there are no specialized near-

receptors - i.e. there are no specialized near-

field/far field receptors.

field/far field receptors.

background image

 

 

Local flow vs. Near/far 
field 2

2) The rules of thumb for ’extension’ of the near 

2) The rules of thumb for ’extension’ of the near 

field (e.g. 1/6th wavelength) only hold for 

field (e.g. 1/6th wavelength) only hold for 

monopole sound emitters. For dipoles and 

monopole sound emitters. For dipoles and 

quadrupoles, the local flow continues to 

quadrupoles, the local flow continues to 

dominate at infinite distances at some 

dominate at infinite distances at some 

directions.

directions.

It is recommended to distinguish between the 

It is recommended to distinguish between the 

local hydrodynamic flow and the sound wave. It 

local hydrodynamic flow and the sound wave. It 

is also recommended to 

is also recommended to 

measure the medium 

measure the medium 

motion

motion

 when working within a wavelength of 

 when working within a wavelength of 

the sound emitter.

the sound emitter.

background image

 

 

Manipulations of the 
sound field

1. Local flow/sound considerations:

1. Local flow/sound considerations:

Most important for

Most important for

low frequencies

low frequencies

Underwater sound.

Underwater sound.

There is no way to avoid local flow generation by a 

There is no way to avoid local flow generation by a 

sound emitter.

sound emitter.

Move away from sound emitter (at least a wavelength)

Move away from sound emitter (at least a wavelength)

If you are interested in particle motion sensitivity 

If you are interested in particle motion sensitivity 

minimize sound emission of stimulator (use small 

minimize sound emission of stimulator (use small 

vibrating spheres or air puffs) and

vibrating spheres or air puffs) and

Calibrate the motion component directly

Calibrate the motion component directly

                

                

background image

 

 

Standing wave tubes

In a standing wave, sound pressure 

In a standing wave, sound pressure 

and particle velocity are 90 deg out of 

and particle velocity are 90 deg out of 

phase, so distinct pressure and 

phase, so distinct pressure and 

velocity nodes form in a standing 

velocity nodes form in a standing 

wave tube. Such devices have 

wave tube. Such devices have 

traditionally been used to investigate 

traditionally been used to investigate 

whether ears responded to the 

whether ears responded to the 

pressure or velocity component of 

pressure or velocity component of 

sound

sound

background image

 

 

Diffuse/free sound fields

For investigations of directional hearing it is 

For investigations of directional hearing it is 

desirable to avoid reflected components in the 

desirable to avoid reflected components in the 

sound field, i.e. to work in a free sound field.

sound field, i.e. to work in a free sound field.

The most obvious solution is an anechoic room 

The most obvious solution is an anechoic room 

with structures that absorb reflections.

with structures that absorb reflections.

Anechoic rooms are nearly always too small 

Anechoic rooms are nearly always too small 

(making it difficult to avoid reflections at low 

(making it difficult to avoid reflections at low 

frequencies)

frequencies)

Audiometric cabins (such as the IAC) are 

Audiometric cabins (such as the IAC) are 

sound- proof, but not really anechoic, at least 

sound- proof, but not really anechoic, at least 

not below 1000 Hz.

not below 1000 Hz.

background image

 

 

Free sound fields

Reflections can be removed digitally:

Reflections can be removed digitally:

If the reflections do not overlap the 

If the reflections do not overlap the 

investigated structures’ impulse 

investigated structures’ impulse 

response, short transients can be 

response, short transients can be 

used to excite the structure A time 

used to excite the structure A time 

window is chosen that just contains 

window is chosen that just contains 

the impulse response and eliminates 

the impulse response and eliminates 

the echoes.

the echoes.

background image

 

 

Loudspeakers:directivity, 
radiation, baffles

Loudspeakers vary tremendously in 

Loudspeakers vary tremendously in 

the sound field they generate. It is up 

the sound field they generate. It is up 

to the experimenter to select/build 

to the experimenter to select/build 

omnidirectional speakers or very 

omnidirectional speakers or very 

directional ones depending on the 

directional ones depending on the 

question asked.

question asked.

The low-frequency radiation of 

The low-frequency radiation of 

speakers can be improved dramatically 

speakers can be improved dramatically 

by baffles.

by baffles.

background image

 

 

Measuring the sound field

1) by animals:

1) by animals:

The two parameters of sound: Sound pressure is 

The two parameters of sound: Sound pressure is 

non-directional. Typical receivers are closed with 

non-directional. Typical receivers are closed with 

sound access from one side only (these receivers 

sound access from one side only (these receivers 

actually respond to the pressure difference across 

actually respond to the pressure difference across 

the membrane.

the membrane.

Medium motion is directional (albeit with 180 deg. 

Medium motion is directional (albeit with 180 deg. 

ambiguity. Simplest receivers are the diverse types 

ambiguity. Simplest receivers are the diverse types 

of sensory hairs with some kind of intrinsic 

of sensory hairs with some kind of intrinsic 

directionality. Note that combining a measure of 

directionality. Note that combining a measure of 

medium motion with pressure can resolve the 180 

medium motion with pressure can resolve the 180 

deg ambiguity, in far-field sound, at least.

deg ambiguity, in far-field sound, at least.

background image

 

 

Measuring the sound field 
2

Third type of receivers are 

Third type of receivers are 

the pressure-difference (or 

the pressure-difference (or 

–gradient) receivers. Here 

–gradient) receivers. Here 

sound can enter both sides 

sound can enter both sides 

of a membrane producing 

of a membrane producing 

cancellation when sound 

cancellation when sound 

pressures at the two sides 

pressures at the two sides 

have identical amplitudes 

have identical amplitudes 

and phases. These 

and phases. These 

receivers are only 

receivers are only 

directional in a narrow 

directional in a narrow 

frequency range.

frequency range.

background image

 

 

Measuring the sound field 
3

With instruments:

With instruments:

Sound pressure is measured with 

Sound pressure is measured with 

microphones that respond to the 

microphones that respond to the 

pressure gradient across a 

pressure gradient across a 

membrane. Pressure gradient 

membrane. Pressure gradient 

microphones can be constructed to 

microphones can be constructed to 

allow sound to enter both sides om 

allow sound to enter both sides om 

membrane.

membrane.

background image

 

 

Measuring the sound field 
4

Sound intensity measurements use two 

Sound intensity measurements use two 

(phase-matched) microphones or 

(phase-matched) microphones or 

hydrophones to estimate the pressure 

hydrophones to estimate the pressure 

gradient (and hence the particle velocity) 

gradient (and hence the particle velocity) 

and calculate the time average of p*v. This 

and calculate the time average of p*v. This 

measurement gives the active, radiating 

measurement gives the active, radiating 

sound emitted from the source.

sound emitted from the source.

Direct measurements of particle velocity is 

Direct measurements of particle velocity is 

difficult, since the methods at hand (hot 

difficult, since the methods at hand (hot 

wire anemometry, laser anemometry, PIV) 

wire anemometry, laser anemometry, PIV) 

only work at high sound levels.

only work at high sound levels.

background image

 

 

Suggested reading

Beranek LL (1954) Acoustics. McGraw Hill

Beranek LL (1954) Acoustics. McGraw Hill

Fahy F (1995) Sound Intensity, 2.ed. Chapman and 

Fahy F (1995) Sound Intensity, 2.ed. Chapman and 

Hall

Hall

Gade S (1982) Sound Intensity, part 1: Theory. 

Gade S (1982) Sound Intensity, part 1: Theory. 

Brüel & Kjær Technical Review 3

Brüel & Kjær Technical Review 3

Kalmijn A (1988) Hydrodynamic and acoustic field 

Kalmijn A (1988) Hydrodynamic and acoustic field 

detection. In Atema J et al. (eds.) Sensory biology 

detection. In Atema J et al. (eds.) Sensory biology 

of aquatic animals. Springer, p. 83-130

of aquatic animals. Springer, p. 83-130

Larsen ON (1995) Acoustic equipment and sound 

Larsen ON (1995) Acoustic equipment and sound 

field calibration. In Klump GM et al (eds.) Methods 

field calibration. In Klump GM et al (eds.) Methods 

in comparative psychoacoustics. Birkhäuser 

in comparative psychoacoustics. Birkhäuser 

Verlag, p. 31-45

Verlag, p. 31-45


Document Outline