紅外監(jiān)聽器創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)

鄧榮標(biāo)

(廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

1 引 言

創(chuàng)意性實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)者對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)條件、測(cè)量裝置、測(cè)量方法、數(shù)據(jù)處理方法等有創(chuàng)新設(shè)想或一些構(gòu)思的具有較高層次的實(shí)驗(yàn)[1]. 創(chuàng)意性實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)有著很大的不同，實(shí)驗(yàn)的展開對(duì)實(shí)驗(yàn)者提出了更高的要求，實(shí)驗(yàn)者對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)從開始的設(shè)計(jì)(構(gòu)思)、制作、實(shí)驗(yàn)探究到撰寫實(shí)驗(yàn)研究論文的整個(gè)過程，是建立在基于項(xiàng)目研究的學(xué)習(xí)，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)可使學(xué)生圍繞具體項(xiàng)目，充分學(xué)習(xí)、選擇和利用各種學(xué)習(xí)資源，在項(xiàng)目構(gòu)思設(shè)計(jì)、實(shí)際體驗(yàn)、探索創(chuàng)新、內(nèi)化吸收的過程中，以團(tuán)隊(duì)為組織形式自主地獲得較為完整而具體的知識(shí)，形成技能并獲得發(fā)展，能夠提高學(xué)生提出并解決問題的創(chuàng)新能力及表達(dá)能力，培養(yǎng)學(xué)生的終身學(xué)習(xí)技能，使其形成自主合作的學(xué)習(xí)精神和工作態(tài)度. 在文獻(xiàn)[1]中開設(shè)了紅外監(jiān)聽研究的創(chuàng)意性實(shí)驗(yàn)，恰逢斯諾登“棱鏡門”事件，學(xué)生對(duì)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)無法接近的房間內(nèi)的聲音信息的“竊聽”十分的好奇，在進(jìn)行工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，組織部分同學(xué)選取賀老師教程中的創(chuàng)意性實(shí)驗(yàn)予以實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生極大的興趣并加深對(duì)光電轉(zhuǎn)換等知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí).

在激光監(jiān)聽器的創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)的完成過程中，引導(dǎo)學(xué)生完成激光監(jiān)聽器實(shí)驗(yàn)：激光監(jiān)聽器是如何實(shí)現(xiàn)？實(shí)驗(yàn)裝置如何制作？監(jiān)聽效果如何達(dá)到最佳？ 以這些問題作為主線驅(qū)使學(xué)生完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，最后撰寫實(shí)驗(yàn)論文.

2 激光監(jiān)聽器的制作

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

1束看不見的紅外激光發(fā)射到該房間的玻璃窗上,由于聲音會(huì)引起玻璃窗的微小振動(dòng)，聲波使玻璃產(chǎn)生振動(dòng),反射的激光束的光斑也隨之發(fā)生振動(dòng),即反射的激光光束帶有了聲源的聲波信息. 調(diào)節(jié)硅光電池的接收面與光束之間的夾角, 使光斑振動(dòng)時(shí)照射在硅光電池上的光斑面積發(fā)生相應(yīng)改變, 從而引起硅光電池輸出電壓發(fā)生變化, 再把該變化的電壓經(jīng)放大器放大后輸入揚(yáng)聲器,就能還原出聲源的聲音. 整個(gè)過程可簡單地看成:聲音信號(hào)——光信號(hào)——微弱的電信號(hào)——放大——還原成聲音.

激光監(jiān)聽器主要由3部分組成：激光發(fā)射、激光接收以及光電轉(zhuǎn)換的聲音復(fù)原，激光監(jiān)聽裝置如圖1所示.

圖1 紅外監(jiān)聽裝置示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置制作

光源的選擇：紅外線波長介于800 nm和1 000 nm. 紅色激光波長約650 nm，綠色激光的波長530 nm，從隱蔽操作來說應(yīng)選擇不可見的光源為最佳，但以演示效果來說，選擇紅色波長的激光最佳，實(shí)驗(yàn)中選擇650 nm波長的激光筆作為實(shí)驗(yàn)光源. 激光需要安裝在可調(diào)且穩(wěn)定的水平位置.

反射鏡的選?。杭す獯虻讲ＡХ瓷浠貋恚梢赃x取高度反光的平面鏡做反射鏡面.

激光的接收：選取硅光電池(φ20 mm)接收反射回被光調(diào)制后的激光信號(hào).

聲音還原：光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再經(jīng)過放大器放大并去除噪聲,通過揚(yáng)聲器還原成聲音、接收模塊采用低通濾波的方式去除高頻率噪聲，接收模塊把接收到的微弱信號(hào)通過LM386音頻放大芯片放大功率. Q1為硅光電池，收集反射激光，并把需要的信號(hào)解調(diào)出來.R2有限流作用，防止電流過大從而對(duì)電源造成損害.C1和C3隔直通交作用，使需要的信號(hào)通過.C4和R1低通濾波作用，獲得需要的低頻率信號(hào). 電位器：調(diào)節(jié)音量的大小. LM386為音頻功率放大芯片，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的功率放大. HEADPHONES用耳機(jī)來收聽，濾波放大電路如圖2所示.

圖2 濾波放大電路圖

消除雜光光源：一般來說，當(dāng)監(jiān)聽器不在黑夜工作時(shí)，就會(huì)有環(huán)境光的干擾，例如在白熾燈下，白熾燈泡實(shí)際振動(dòng)在頻率50 Hz或60 Hz，為響亮的持續(xù)不斷的嗡嗡聲，通過濾波器電路幾乎可以消除環(huán)境光所帶來的大部分的交流聲.

完成電路的設(shè)計(jì)，焊接好電路板，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)的探究

3.1 實(shí)驗(yàn)的調(diào)試與數(shù)據(jù)采集

該實(shí)驗(yàn)對(duì)距離、角度非常敏感，通過控制變量法分析激光收聽器的性能. 從而探究入射激光角度、距離以及反射光斑面積與聲音效果的關(guān)系. 聲音效果采用較差、不清晰、一般、清晰來表述. 較差為雜音與音源混合，無法分辨說話聲；不清晰為小部分可以聽清楚，失真較嚴(yán)重；一般為大部分可以聽清楚，但有失真；清晰為能清楚地聽出音源的聲音.

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

1)實(shí)驗(yàn)距離對(duì)監(jiān)聽器的影響

入射光距離對(duì)聲音效果的影響如表1所示. 接收距離較小時(shí),光電二極管接收的光強(qiáng)很強(qiáng),容易飽和,當(dāng)反射光斑全部都照射在探測(cè)器表面上時(shí),探測(cè)器所收到的光通量幾乎不變,因此系統(tǒng)產(chǎn)生的直流信號(hào)是無用的，監(jiān)聽不到聲音. 當(dāng)適當(dāng)增大距離，會(huì)發(fā)現(xiàn)接收效果更好,原因是當(dāng)增加距離,光斑的震動(dòng)會(huì)因光斑發(fā)散被放大. 但是前提需要配合接收光斑以入放大器的調(diào)節(jié),否則信號(hào)因太弱而無法還原出聲音信號(hào).

表1 入射光距離對(duì)聲音效果的影響

2)入射角、反射光斑的面積對(duì)監(jiān)聽器的影響

入射角、反射光斑的面積對(duì)聲音效果的影響如表2和表3所示.

表2 入射光角度對(duì)聲音效果的影響

表3 反射光班照射面積對(duì)聲音效果的影響

注：反射光斑照射面積是指反射光斑照在硅光電池的部分，如“0” 是指反射的光斑未落在硅光電池上，“1/3”是指反射光斑1/3的面積照射在硅光電池上，“1”是指光斑完整地落在硅光電池上. 硅光電池的光敏有效面積直徑20 mm.

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著入射角度的增大,反射的光斑面積也增大，裝置的接收面積相應(yīng)地增大，這樣就會(huì)使得信號(hào)的變化變得更加強(qiáng)烈.

4 結(jié)束語

通過激光監(jiān)聽器項(xiàng)目，提高學(xué)生綜合運(yùn)用各門知識(shí)、解決實(shí)際問題的能力和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣. 通過課程中引入了創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)這一嘗試，將學(xué)生引入項(xiàng)目式的研究模式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、科學(xué)研究的態(tài)度，在探討中完成實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí). 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，也需要結(jié)合熱點(diǎn)，注入新的內(nèi)容, 培養(yǎng)出綜合型、高素質(zhì)、富于創(chuàng)新的人才.

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