本发明涉及一种点声源发声装置及发声方法。
背景技术：
在进行混响室的混响时间测量和传声器阵列的点声源定位等声学测试时，通常希望获得理想的声学系统脉冲响应。但理想的声学系统脉冲响应只有当声源和接收传感器具有点状和功能响应时才能实现。对于接收传感器来说，具备点状功能响应特征是比较容易实现的，但是真正意义上的点声源却难以获取。
在实际应用中，点声源通常通过忽略声源的大小并假设声源具有足够的全指向性来近似。但实际上，大多数信号源并不具有足够的全指向性，因此对系统的脉冲响应会产生不准确的估计。例如，球形扬声器或点声源扬声器（如专利cn201710336415、cn201520459044、cn200920133673等）通常被认为是点状的，但它们在高频段是具有指向性的，并且还具有相当大的尺寸。在测试中经常被使用的电火花虽然很小，但它们不可重复特征同时具有定向辐射模式。目前还没有一种真正的可用于声学测量和校准的空间无指向性并且物理尺寸极小可近似为空间点的点声源发声方法及发声装置。
技术实现要素：
本发明的第一个目的是提供一种点声源发声装置，能够得到具有足够声压、具备空间全指向性、可重复的点声源。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种点声源发声装置，包括激光发生器、设于所述激光发生器的激光出射口的脉冲激光头、位于所述脉冲激光头射出的脉冲激光的光路上的激光聚焦透镜，所述激光聚焦透镜，用于聚焦所述脉冲激光以产生用于击穿空气的光斑，所述光斑的光强大于等离子体生产的光强阈值，点声源位于所述光斑处。
优选地，所述点声源发声装置还包括位于所述脉冲激光的光路上的激光谱线反射镜，所述激光谱线反射镜，用于对所述脉冲激光的光路进行调节。
优选地，所述脉冲激光的波长1064/532nm，脉冲宽度4-8ns，激光脉冲能量300-1000mj/次，重复频率20-100hz。
优选地，所述激光聚焦透镜的焦距70-120mm。
优选地，所述脉冲激光的光束半径5-10mm，激光光束发散角为4mrad，所述光斑直径小于2500nm。
本发明的第二个目的是提供一种点声源发声方法，能够得到具有足够声压、具备空间全指向性、可重复的点声源。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种点声源发声方法，将激光发生器发出的激光通过脉冲激光头后得到脉冲激光；将所述脉冲激光通过激光聚焦透镜后得到能够击穿空气的光斑，所述光斑的光强大于等离子体生产的光强阈值，在光斑处产生点声源。
优选地，设置激光谱线反射镜对所述脉冲激光的光路进行调节。
优选地，所述脉冲激光的参数波长1064/532nm，脉冲宽度4-8ns，激光脉冲能量300-1000mj/次，重复频率20-100hz。
优选地，所述激光聚焦透镜的焦距70-120mm。
优选地，所述脉冲激光的光束直径5-10mm，激光光束发散角为4mrad，所述光斑直径小于2500nm。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种点声源发声装置及发声方法，通过聚焦脉冲激光形成能够击穿空气的光斑，光斑的光强大于等离子体生产的光强阈值，空气被击穿的同时产生具有快速膨胀特性的等离子体小爆炸，膨胀的等离子体产生一个具有短而高的峰值的压力脉冲，该压力脉冲的频率能够超过100khz，在击穿点附近，该压力脉冲作为非线性超音速冲击波传播，冲击波的传播速度由击穿空气时释放的能量决定；对于mj能量范围的激光脉冲能量，该冲击波迅速衰减为声波，以得到具有足够声压、具备空间全指向性的点声源，该点声源是可重复的。
附图说明
附图1为本发明装置的结构示意图；
附图2为在室内分别使用球形扬声器声源（上图）和本发明激光击穿空气声源（下图）时，使用麦克风采集到的声信号。
其中：1、激光发生器；2、脉冲激光头；3、激光谱线反射镜；4、激光聚焦透镜；5、点声源。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示，上述一种点声源发声装置，包括激光发生器1、设于激光发生器1的激光出射口的脉冲激光头2。在本实施例中，该激光发生器1可以是nd.yag钇铝石榴石晶体激光器；该脉冲激光头2用于得到脉冲激光，该脉冲激光的波长1064nm，脉冲宽度6ns，激光脉冲能量420mj/次，重复频率20hz。
该点声源发声装置还包括位于脉冲激光头2射出的脉冲激光的光路上的激光谱线反射镜3、位于反射后的脉冲激光的光路上的激光聚焦透镜4。该激光谱线反射镜3用于承受高强度激光光束，以反射脉冲激光，通过调节激光谱线反射镜3的角度以对脉冲激光的光路进行调节，实现脉冲激光光束的空间偏转；该激光聚焦透镜4用于聚焦脉冲激光以产生用于击穿空气的光斑。该光斑的光强大于等离子体生产的光强阈值，点声源5位于该光斑处。通过移动脉冲激光头2和激光聚焦透镜4的位置，可以调节扫描激光火花在空间中的位置，即调节点声源5在空间中的位置。
激光击穿空气声源可以被认为是一个无质量的源，它本身不产生声反射，这意味着该点声源5的源影响最小。然而，聚焦激光束所需的光学器件（激光聚焦透镜4）可能产生声反射，这可以通过使用具有较长焦距的激光聚焦透镜4来最小化，在本实施例中，所述激光聚焦透镜4的焦距75mm。或者可以通过在对焦前扩大光束来增加焦距，以减小焦斑尺寸，在本实施例中，所述脉冲激光的光束直径6mm，激光光束发散角为4mrad，光斑直径小于2500nm。激光击穿空气声源的宽带和点状特性为调整波束形成中的相位延迟提供了高时间分辨率，这尤其适用于波长与时间分辨率之比较小的高频域。
激光击穿空气声源可以任意定位，例如在小空间内（例如在一个细小的管道内）或靠近物体边缘处。
脉冲激光的参数（波长，脉冲持续时间，脉冲能量和焦距）以及空气中的杂质会影响空气击穿过程，从而影响声学特性和火花源的稳定性。由于激光击穿空气声源点是在半空中产生的，使得点声源5的空间配置不存在物理约束。可以使用几套点声源发声装置形成激光击穿空气声源阵列，该阵列可以通过移动脉冲激光聚焦的焦点来调节，阵列具有可以定制的任意大小和形状，用以满足不同的测试需求。
激光击穿空气声源是一种爆炸点声源5，压力脉冲的持续时间短，在进行室内声源分析时，即便其他声反射体的距离短，在时间上接近，这些反射体的声反射也可以明显分离。图2中的点画线分别是在室内使用球形扬声器声源（上图）和激光击穿空气声源（下图）时，使用麦克风采集到的声信号。其中，纵坐标为归一化幅值，横坐标为时间，a表示直达声，b表示天花板反射，c表示地板反射，d表示激光器反射。
对测量信号进行反卷积操作后，得到图2中的实线结果，通过反卷积可以更清楚地获得脉冲声响应。
比较两种声源的测试结果可以看出，使用激光击穿空气声源时，除直达声以外，在室内的天花板和地板处发生的反射都可以很清晰地分离开。但在使用球形扬声器脉冲声源时，在室内的天花板和地板处发生的声反射在麦克风的响应中混合在一起，即便使用反卷积方法也无法清楚地分离。
使用激光击穿空气声源时，可以通过麦克风采集到激光器的声反射信号，同时也证明了激光击穿空气声源的无质量性。当使用球形扬声器时，由于球形扬声器产生的声影阻挡了激光器的声反射，因此采集麦克风的响应中该信号是不存在。证明激光击穿空气声源具有接近理想点源的特性，因此可以准确测量声学系统的脉冲响应。
上述一种点声源发声方法，将激光发生器1发出的激光通过脉冲激光头2后得到脉冲激光；再将脉冲激光通过激光聚焦透镜4后得到能够击穿空气的光斑，光斑的光强大于等离子体生产的光强阈值，在光斑处产生点声源5。设置脉冲激光的激光脉冲能量大于400mj/次，峰值功率达到60兆瓦以上，使得空气被击穿同时产生具有快速膨胀特性的等离子体小爆炸，膨胀的等离子体产生一个具有短而高的峰值的压力脉冲，其频率超过100khz。在空气击穿点附近，压力脉冲作为非线性超音速冲击波传播，冲击波的传播速度由击穿时释放的能量决定。对于mj能量范围的激光脉冲能量，冲击波迅速衰减为声波，因此在击穿点处（即光斑处）产生点声源5。该点声源5在室内尺度（＞1米）内进行声学测试时，初始速度的增加是不可检测的。
还可以通过设置激光谱线反射镜3对脉冲激光的光路进行调节，实现脉冲激光光束的空间偏转。
此外还可以通过减小所产生的压力脉冲的振幅来最小化非线性传播效应。振幅是积存能量的函数，只要超出用于产生击穿空气的强度阈值即可。可以通过改变激光脉冲能量、脉冲持续时间和聚焦光束尺寸来调节该能量。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。