3利用光纤传输声音的实验设计||实验研究

趣味科学实验2021-09-13 13:15:10

利用光纤传输声音的实验设计


浙江省宁波市李惠利中学

        摘    要: 利用激光二极管对声音进行调制, 将声音信号随着激光发射出去;在接收端用光敏三极管接收并解调, 重新得到声音信号。该装置结构简单, 成本低廉, 效果明显, 有助于学生了解激光通讯的原理。

关键词: 激光调制; 光纤传输; 通讯;


          在VCE (澳州维多利亚州高中证书教育) 物理教学工作中, 碰到了光电通讯的教学问题。教材中有一章关于光电通讯的内容, 主要介绍了激光和光纤传输的应用、光电传感器的相关知识和光电通讯系统的介绍, 但在教材中没有相关的实验。为提升学生的感性认识和学习兴趣, 使他们更直观地认识光电通讯系统, 笔者设计了一个简易的光电通讯系统, 用几个最常用的元件组成一个效果明显的光电传输系统, 即用激光传递声音信号。本实验也可与全反射的相关知识结合, 利用光纤传输声音等信号, 实现信号的远距离传输。


一、实验器材


        常用激光笔1个、光敏三极管1个、1Ω和1kΩ电阻各1个、1μF电解电容器1个、干电池3个及电池盒、学生电源1个、铁架台支架2个、有源电脑音箱1个、线材若干。


二、实验原理及制作


        该实验主要有信号调制发射电路和接收解调电路两部分组成, 如图1所示。左侧是信号调制发射电路, 利用激光笔中的激光二极管将调制后的激光发射;而右侧是信号接收解调电路, 利用光敏三极管接收激光进行解调, 重新得到声音信号。需要用放大器对声音信号进行放大后输送到喇叭从而得到声音。

图1   


(一) 信号发射电路 (调制)

电路图如图1左侧所示, 非常简单。从MP3、手机等得来的声音信号可从电阻R两端输入。LD为激光二极管, 是本电路的主要元件。当开关闭合后, 激光头发射激光, 激光的亮度会随着声音信号的变化而变化, 从而将电信号调制为光信号进行发射。由于光的亮度会随着声音信号发生变化, 所以称为亮度调制。

在本实验中, 电源选用三节干电池即可。电阻选用1Ω普通电阻, 激光二极管选用常用的激光笔 (见图2) 里的激光头。将其外壳打开, 拆除原电池, 引出两根电源线将其接入电路。将耳机线或3.5信号线中其中的一声道的两根线接到电阻R两端, 将3.5耳机头插入手机、MP3等音源中。将开关、电阻和激光头焊接固定在电路板上, 并将电路板固定在电池盒反面。实物装置如图3所示。

图2  


 

图3   


(二) 信号接收装置 (解调)

电路图如图1右侧所示, 从发射装置来的激光对准照射到光敏三极管上。光敏三极管的电流随激光亮度的变化而变化, 从而引起电阻R两端的电压变化, 产生一个信号电压。通过电容器C隔直流, 输出一个交流的电信号, 放大后输送到喇叭两端, 产生声音, 实现声音的重放。

本实验中, 电源电压选用12V, 可用学生电源, 也可用12V蓄电池;电阻R选用1kΩ;电容器选用1μF电解电容;光敏三极管选用3DU5C (见图4) , 可在网上买到;用带莲花头的音箱信号线将其中一声道两根线接在电路的VOUT上, 然后将莲花头插入有源音箱的输入端, 声音信号由有源音箱放大后实现声音的重放。接线时注意有源音箱声道的选择。光敏元件选用光敏三极管效果最好, 线性、灵敏度高;若选用光敏二极管灵敏度相对较低;若选用光敏电阻则反应慢, 非线性, 会造成声音的失真。实物装置如图5所示。

(三) 电路调试

本电路调试很简单。首先接线要正确, 注意几个关键元件的引脚。其次就是要让激光头发射的激光对准光敏三极管, 要让二者尽量在同一高度, 正面对准, 对准不好时会没有声音或声音很小、杂音较大。刚调试时, 让二者近距离, 近距离调试好后, 可移开距离, 比如发射装置放在讲台上, 接收电路放在教室后进行演示。

图4


  

图5   


将手机作为声源, 通过耳机孔接入电路, 利用该系统可以接听电话。

(四) 实验改进

为了改变传输方向, 本实验也可增加一根光纤, 分别将两头对准激光头和光敏三极管, 进行任意方向的信号传输。由于激光在光纤中是全反射, 从而可以把信号传输到很远的地方。

以上电路中只有一个发射器和一个接收器, 所以只能传输一个声道的声音。为改进效果, 可增加一个发射器和一个接收器, 从而实现立体声传输, 达到更好的声音效果。


三、实际应用


     在本实验中传输的是声音模拟信号, 虽然效果不错, 能实现声音的高保真传输, 但效率较低, 传递容量小。在实际应用中传输的往往是数字信号, 才可以真正发挥光纤大容量、低衰减、远距离传输的巨大优势。目前在许多DVD、硬盘播放器、数字功放上都有光纤输出或光纤输入接口, 主要传输的是音频数字信号, 再利用数模转换电路实现声音的重放。同样在光纤通信、有线电视等传输的都是数字信号, 不仅仅可以传输声音信号, 还可以传输视频、图像、声音等各种各样的信息。


文章来源《教育与装备研究》2017年2期