Features and Applications of the Laser-induced Spark as a Monopole Source for Acoustic Impulse Response Measurements

Abstract

Impulse responses of acoustic systems allow us not only to analyze the acoustical behavior of the system, but also to synthesize that acoustical behavior by other means, e.g., reproducing virtual sources in rooms over headphones. Characteristics of the acoustic source like directivity, size, frequency response, and repeatability influence the accuracy of the impulse response measurement. To minimize the effect of the source in the measurements, the characteristics of the source should resemble those of an ideal acoustic point monopole, i.e., a source of infinitesimal dimensions that radiates isotropically the same sound energy in all frequency bands. Focusing a highly energetic laser pulse onto a point in space generates a pressure impulse that propagates isotropically and whose sound energy is distributed over a wide frequency range. Although laser sparks have been used extensively in ultrasound and non-linear acoustics research, its use in linear acoustics has been very limited. The work contained in this dissertation investigates the characteristics of the laser spark as a point monopole source for impulse response measurements and its use in different applications, like in scale models and small rooms. The results confirm the point monopole characteristics of the laser spark, i.e., small size, omnidirectional radiation pattern, and good repeatability. In contrast to typical sources, the laser spark allows obtaining a more accurate impulse response measurement in a frequency range that spans from few hundreds of hertz to hundreds of kilohertz. Virtual sources with controllable directivity were synthesized applying different beamforming techniques to the impulse responses measured with spatially distributed laser sparks. The synthesized source directivity was utilized in applications like directional analysis and tracking of early reflections and auralization of arbitrary source directivity.

Impulssivasteen avulla voidaan analysoida miten signaali etenee lähteestä akustisen järjestelmän läpi vastaanottajalle, sekä syntetisoida tämä efekti virtuaalisena lähteenä kuulokke- tai kaiutinkuuntelussa. Akustisen lähteen ominaisuudet, kuten suuntaavuus, koko, taajuusvaste, ja herätteen toistettavuus vaikuttavat impulssivasteen mittauksen tarkkuuteen. Jotta lähteen vaikutukset minimoituisivat mittauksissa, sen tulisi vastata ideaalista akustista pistemonopolia, eli äärettömän pientä lähdettä, joka säteilee isotrooppisesti saman äänienergian kaikilla taajuuksilla. Kohdistamalla suurienerginen laserpulssi yhteen pisteeseen ilmassa voidaan luoda akustinen paineimpulssi, joka leviää isotrooppisesti, ja jonka äänienergia on jakautunut laajalle taajuusalueelle. Vaikka laserkipinöitä on käytetty laajasti ultraäänen ja epälineaarisen akustiikan tutkimuksessa, sen käyttö lineaarisessa akustiikassa on ollut erittäin vähäistä. Tämän väitöskirjan sisältämä työ tutkii laserkipinän ominaisuuksia pistemonopolina akustisen impulssivasteen mittauksessa ja sen hyödyntämistä akustiikan sovelluksissa, kuten akustisissa pienoismalleissa ja pienissä huoneissa. Tulokset todistavat että laserkipinällä on lähes ideaaliset pistemonopolin ominaisuudet, joita ovat mm. erittäin pieni lähteen koko, tasainen äänienergian säteily kaikkiin suuntiin, ja hyvä toistettavuus. Verrattuna yleisesti käytettyihin lähteisiin, laserkipinä mahdollistaa tarkemman impulssivasteen mittauksen taajuusalueella muutamasta sadasta hertsistä satoihin kilohertseihin. Työssä myös syntesoitiin virtuaalinen lähde jonka suuntakuviota voidaa hallita vapaasti. Tässä hyödynnettiin erilaisia keilanmuodostustekniikoita käytten tilassa ja ajassa hajautetuilla laserkipinöillä mitattuja tilan impulssivasteita. Syntetisoitua lähteen suuntavuutta käytettiin erilaisiin sovelluksiin, kuten varhaisten heijastuksien suunnan analyysiin ja seurantaan, sekä mielivaltaisesti suuntaavan lähteen auralisointiin.