Sound reproduction from laser-driven pulsed acoustic sources
Authors: Καλέρης Κωνσταντίνος 
Published: October 2021

Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται νέα ευρήματα σχετικά με την αναπαραγωγή ήχου από ακουστικές πηγές πλάσματος παραγόμενου από λέιζερ. Διερευνώνται θεμελιώδη θέματα φυσικής της οπτοακουστικής μετατροπής μέσω πλάσματος λέιζερ, καθώς και η αξιοποίησή της στην ανάπτυξη συστημάτων αναπαραγωγής ήχου. Παρουσιάζεται μια συνδυαστική προσέγγιση βασισμένη σε πείραμα, φυσική μοντελοποίηση και επεξεργασία σήματος για τη μελέτη και περιγραφή της ηχητικής εκπομπής σφαιρικών, παντοκατευθυντικών αλλά και κυλινδρικών, κατευθυντικών πηγών ήχου πλάσματος λέιζερ. Αναπτύσσεται ένα νέο φαινομενολογικό μοντέλο που επιτρέπει την εκτίμηση του συχνοτικού φάσματος των ηχητικών κυμάτων που παράγουν οι ακουστικές πηγές πλάσματος από το προφίλ του θερμικού φωτός που εκπέμπεται από τον διεγερμένο όγκο του αερίου, αναδεικνύοντας με σαφή τρόπο τη συσχέτιση μεταξύ δευτερογενούς οπτικής και ηχητικής εκπομπής που ακολουθεί τη διάσπαση αερίων από λέιζερ. Οι προβλέψεις του μοντέλου επιβεβαιώνονται από την καλή συμφωνία τους με τα αποτελέσματα σχετικών ακουστικών μετρήσεων. Επίσης, αναπτύσσεται ένα ακουστικό μοντέλο βασισμένο στο κλασικό μοντέλο ακουστικής γραμμής (line source) που υπολογίζει την ακουστική εκπομπή των νημάτων πλάσματος στον τρισδιάστατο χώρο συναρτήσει της χωρικής κατανομής της εναποτιθέμενης οπτικής ενέργειας. Αποδεικνύεται ότι η γεωμετρία του πλάσματος και η κατανομή της αξονικής πίεσης μπορούν να προσδιοριστούν από το χωρικό προφίλ της φωτεινής εκπομπής του νήματος πλάσματος. Οι προβλέψεις του μοντέλου επικυρώνονται μέσω σύγκρισης με ακουστικές μετρήσεις, δείχνοντας πολύ καλή συμφωνία. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές καινοτόμου τεχνολογίας αναπαραγωγής ήχου από λέιζερ, ενώ περιγράφεται και αξιολογείται πειραματικά πρωτότυπος οπτοακουστικός μετατροπέας πλάσματος λέιζερ. Ο μετατροπέας επιτυγχάνει αναπαραγωγή ηχητικών σημάτων διαμορφωμένων μέσω διαμόρφωσης ΣΔ ενός ή πολλών bit, οι οποίες μετατρέπονται σε ροές ακουστικών παλμών απευθείας στον ατμοσφαιρικό αέρα ή πάνω σε μεταλλικούς στόχους. Το πρωτότυπο έχει εύρος ζώνης 1kHz, το οποίο επαρκεί για να αποδείξει την λειτουργία του συστήματος, ενώ αποδεικνύεται επίσης ότι η επίτευξη λειτουργίας στο πλήρες ακουστικό εύρος συχνοτήτων είναι εξαρτάται μόνο από τις προδιαγραφές του λέιζερ. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα από την αναπαραγωγή δοκιμαστικών ηχητικών σημάτων, όπως μεμονωμένα ή πολλαπλά ημίτονα, καθώς και πραγματικά ηχητικά σήματα ομιλίας και μουσικής. Επιπλέον, αναπτύσσεται ένα υπολογιστικό μοντέλο προσομοίωσης οποιουδήποτε συστήματος αναπαραγωγής ήχου πλάσματος λέιζερ βασισμένου σε διαμόρφωση ΣΔ, συναρτήσει των παραμέτρων του λέιζερ και της διαμόρφωσης. Το μοντέλο λαμβάνει ως είσοδο το αρχικό ηχητικό σήμα και προβλέπει το αναπαραγόμενο σήμα μέσω συνέλιξης της ΣΔ αναπαράστασής του με το προφίλ πίεσης ενός ακουστικού παλμού πλάσματος λέιζερ. Οι προβλέψεις του μοντέλου επιβεβαιώνονται μέσω σύγκρισης με τις πειραματικές μετρήσεις. Τέλος, παρουσιάζεται η έως τώρα πρόοδος στην ανάπτυξη ενός πλήρους φυσικού μοντέλου περιγραφής της εναπόθεσης ενέργειας μέσω διάσπασης αερίων από λέιζερ, ενώ αναπτύσσεται και μια νέα μέθοδος για την πρόβλεψη των συχνοτικών φασμάτων των σημάτων διαμόρφωσης εύρους παλμού ομοιόμορφης δειγματοληψίας που προέρχονται από τυχαία σήματα εισόδου.