利用光纖傳輸聲音的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
浙江省寧波市李惠利中學(xué)
摘 要： 利用激光二極管對(duì)聲音進(jìn)行調(diào)制, 將聲音信號(hào)隨著激光發(fā)射出去;在接收端用光敏三極管接收并解調(diào), 重新得到聲音信號(hào)。該裝置結(jié)構(gòu)簡單, 成本低廉, 效果明顯, 有助于學(xué)生了解激光通訊的原理。
關(guān)鍵詞： 激光調(diào)制; 光纖傳輸; 通訊;
在VCE (澳州維多利亞州高中證書教育) 物理教學(xué)工作中, 碰到了光電通訊的教學(xué)問題。教材中有一章關(guān)于光電通訊的內(nèi)容, 主要介紹了激光和光纖傳輸?shù)膽?yīng)用、光電傳感器的相關(guān)知識(shí)和光電通訊系統(tǒng)的介紹, 但在教材中沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。為提升學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣, 使他們更直觀地認(rèn)識(shí)光電通訊系統(tǒng), 筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易的光電通訊系統(tǒng), 用幾個(gè)最常用的元件組成一個(gè)效果明顯的光電傳輸系統(tǒng), 即用激光傳遞聲音信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)也可與全反射的相關(guān)知識(shí)結(jié)合, 利用光纖傳輸聲音等信號(hào), 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。
一、實(shí)驗(yàn)器材
常用激光筆1個(gè)、光敏三極管1個(gè)、1Ω和1kΩ電阻各1個(gè)、1μF電解電容器1個(gè)、干電池3個(gè)及電池盒、學(xué)生電源1個(gè)、鐵架臺(tái)支架2個(gè)、有源電腦音箱1個(gè)、線材若干。
二、實(shí)驗(yàn)原理及制作
該實(shí)驗(yàn)主要有信號(hào)調(diào)制發(fā)射電路和接收解調(diào)電路兩部分組成, 如圖1所示。左側(cè)是信號(hào)調(diào)制發(fā)射電路, 利用激光筆中的激光二極管將調(diào)制后的激光發(fā)射;而右側(cè)是信號(hào)接收解調(diào)電路, 利用光敏三極管接收激光進(jìn)行解調(diào), 重新得到聲音信號(hào)。需要用放大器對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行放大后輸送到喇叭從而得到聲音。
圖1
(一) 信號(hào)發(fā)射電路 (調(diào)制)
電路圖如圖1左側(cè)所示, 非常簡單。從MP3、手機(jī)等得來的聲音信號(hào)可從電阻R兩端輸入。LD為激光二極管, 是本電路的主要元件。當(dāng)開關(guān)閉合后, 激光頭發(fā)射激光, 激光的亮度會(huì)隨著聲音信號(hào)的變化而變化, 從而將電信號(hào)調(diào)制為光信號(hào)進(jìn)行發(fā)射。由于光的亮度會(huì)隨著聲音信號(hào)發(fā)生變化, 所以稱為亮度調(diào)制。
在本實(shí)驗(yàn)中, 電源選用三節(jié)干電池即可。電阻選用1Ω普通電阻, 激光二極管選用常用的激光筆 (見圖2) 里的激光頭。將其外殼打開, 拆除原電池, 引出兩根電源線將其接入電路。將耳機(jī)線或3.5信號(hào)線中其中的一聲道的兩根線接到電阻R兩端, 將3.5耳機(jī)頭插入手機(jī)、MP3等音源中。將開關(guān)、電阻和激光頭焊接固定在電路板上, 并將電路板固定在電池盒反面。實(shí)物裝置如圖3所示。
圖2
圖3
(二) 信號(hào)接收裝置 (解調(diào))
電路圖如圖1右側(cè)所示, 從發(fā)射裝置來的激光對(duì)準(zhǔn)照射到光敏三極管上。光敏三極管的電流隨激光亮度的變化而變化, 從而引起電阻R兩端的電壓變化, 產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)電壓。通過電容器C隔直流, 輸出一個(gè)交流的電信號(hào), 放大后輸送到喇叭兩端, 產(chǎn)生聲音, 實(shí)現(xiàn)聲音的重放。
本實(shí)驗(yàn)中, 電源電壓選用12V, 可用學(xué)生電源, 也可用12V蓄電池;電阻R選用1kΩ;電容器選用1μF電解電容;光敏三極管選用3DU5C (見圖4) , 可在網(wǎng)上買到;用帶蓮花頭的音箱信號(hào)線將其中一聲道兩根線接在電路的VOUT上, 然后將蓮花頭插入有源音箱的輸入端, 聲音信號(hào)由有源音箱放大后實(shí)現(xiàn)聲音的重放。接線時(shí)注意有源音箱聲道的選擇。光敏元件選用光敏三極管效果最好, 線性、靈敏度高;若選用光敏二極管靈敏度相對(duì)較低;若選用光敏電阻則反應(yīng)慢, 非線性, 會(huì)造成聲音的失真。實(shí)物裝置如圖5所示。
(三) 電路調(diào)試
本電路調(diào)試很簡單。首先接線要正確, 注意幾個(gè)關(guān)鍵元件的引腳。其次就是要讓激光頭發(fā)射的激光對(duì)準(zhǔn)光敏三極管, 要讓二者盡量在同一高度, 正面對(duì)準(zhǔn), 對(duì)準(zhǔn)不好時(shí)會(huì)沒有聲音或聲音很小、雜音較大。剛調(diào)試時(shí), 讓二者近距離, 近距離調(diào)試好后, 可移開距離, 比如發(fā)射裝置放在講臺(tái)上, 接收電路放在教室后進(jìn)行演示。
圖4
圖5
將手機(jī)作為聲源, 通過耳機(jī)孔接入電路, 利用該系統(tǒng)可以接聽電話。
(四) 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)
為了改變傳輸方向, 本實(shí)驗(yàn)也可增加一根光纖, 分別將兩頭對(duì)準(zhǔn)激光頭和光敏三極管, 進(jìn)行任意方向的信號(hào)傳輸。由于激光在光纖中是全反射, 從而可以把信號(hào)傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的地方。
以上電路中只有一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器, 所以只能傳輸一個(gè)聲道的聲音。為改進(jìn)效果, 可增加一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器, 從而實(shí)現(xiàn)立體聲傳輸, 達(dá)到更好的聲音效果。
三、實(shí)際應(yīng)用
在本實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)氖锹曇裟M信號(hào), 雖然效果不錯(cuò), 能實(shí)現(xiàn)聲音的高保真?zhèn)鬏? 但效率較低, 傳遞容量小。在實(shí)際應(yīng)用中傳輸?shù)耐菙?shù)字信號(hào), 才可以真正發(fā)揮光纖大容量、低衰減、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木薮髢?yōu)勢(shì)。目前在許多DVD、硬盤播放器、數(shù)字功放上都有光纖輸出或光纖輸入接口, 主要傳輸?shù)氖且纛l數(shù)字信號(hào), 再利用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)聲音的重放。同樣在光纖通信、有線電視等傳輸?shù)亩际菙?shù)字信號(hào), 不僅僅可以傳輸聲音信號(hào), 還可以傳輸視頻、圖像、聲音等各種各樣的信息。
文章來源《教育與裝備研究》2017年2期
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