Ny metode måler lyds optiske fingeraftryk

Lasermåling af hastighed og vibrationer er et velkendt princip, som har været udnyttet i kommercielle systemer i årevis.

Nu har Antoni Torras Rosell fra Danmarks Nationale Metrologi­institut, DFM – et datterselskab til DTU – vist, at samme system også kan bruges til måling af lydfelter. Det har han gjort i et ph.d.-projekt gennemført i samarbejde med afdelingen for Lyd og Akustisk Tek­nologi ved DTU Elektro

Fordelen ved at lave lydmålinger med lasere er, at målingerne kan foregå uden at placere mikrofoner i lydfeltet – målingerne er ikkeinvasive. Det bliver blandt andet også uhyre let at lave både todimensionelle og tredimensionelle undersøgelser.

»Vi kan ikke helt hamle op med traditionel lydmåling med mikrofoner af høj kvalitet, men det er jo også en teknologi, som har et forspring på hundrede år,« siger Antoni Torras Rosell.

Han forklarer, at hans ph.d.-projekt først og fremmest har haft karakter af et proof-of-concept. Han er nu ved at videreudvikle teknikken ved DFM.

Akustooptisk effekt

Lyd og lys er begge bølgefænomener, men der er en række afgørende forskelle. Lydbølger er eksempelvis longitudinale bølger, mens lys og andre elektromagnetiske bølger er transversale bølger.

De to bølgefænomener er forbundet via den akustooptiske effekt.

Luft har et brydningsindeks på ca. 1,0003, men lydbølger i luften giver anledning til tæthedsfluktuationer, som ganske svagt vil ændre dette brydningsindeks.

Et lydtryk på 1 pascal (ca. 94 dB over den nedre grænse for det menneskelig øre på 20 mikropascal ved 1 kHz) vil eksempelvis give en ændring i luftens brydningsindeks på ca. 2 x 10^-9 og derved ændre udbredelsen af lys.

I Antoni Torras Rosells projekt sender et Laser Doppler Vibrometer (LDV) et lasersignal mod en vibrerende overflade og bestemmer vibrationerne ud fra den ændring af fasen af det modtagne lys, som reflekteres tilbage i instrumentet.

Lydbølgerne i luften vil på tilsvarende måde give anledning til en tilsvarende ændring i det modtagne signal.

Holdes den reflekterende overflade i ro, er det kun den akusto­optiske effekt, der påvirket LDV-­signalet.

I sit ph.d.-projekt har Antoni Torras Rosell vist, at det med en ma­tematisk transformation af dette signal er muligt at rekonstruere lydfeltet.

Foretager man målingerne i flere forskellige retninger, kan man rekon­struere både to- og tredimensionale lydfelter

Med en videreudvikling af teknologien vil det i mange tilfælde være muligt at bestemme lydfeltet i realtid som et alternativ til at opstille et stort system af mikrofoner.

Teknikken vil desuden kunne bruges, hvor det er vanskeligt at placere mikrofoner, f.eks. i områder med høj temperatur.

Retningsbestemmelse af lyd

Hvis man skal retningsbestemme, hvor en lyd eller støj kommer fra, er det en velkendt teknik at bruge flere mikrofoner placeret på en linje og måle faseforskelle mellem mikrofonerne.

Det er en teknik, der kaldes for beamforming.

Antallet af mikrofoner i det traditionelle system og dermed den afstand, der adskiller mikrofonerne fra hinanden, sætter en øvre grænse for den frekvens, man kan retningsbestemme.

Antoni Torras Rosell har eftervist, at lasermålingen i princippet fungerer som en måling med uendeligt mange mikrofoner placeret uendeligt tæt. Den har derfor ikke denne frekvensbegrænsning.

Måling af temperatur

Det er ikke kun lydfelter, der kan måles med lasersystemet.

»Princippet kan eksempelvis også udvides til at måle temperatur,« forklarer Antoni Torras Rosell.

Temperaturændringer vil nemlig også ændre luftens brydnings­indeks.

Et laserbaseret system til temperaturmåling kan bruges i forbindelse med overvågning af steder, der er udsat for brandfare, mener Antoni Torras Rosell.