可見(jiàn)光傳聲機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

亓振宇

摘 要：本文介紹了利用可見(jiàn)光發(fā)射接收器件制作一個(gè)無(wú)線傳聲機(jī)的基本方法，光耦合作為傳話途徑。主要內(nèi)容包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)需硬件、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及調(diào)試方法。電路簡(jiǎn)單，能利用LED（發(fā)光二極管）發(fā)出的可見(jiàn)光傳遞聲音信息，使LED（發(fā)光二極管）在照明的同時(shí)進(jìn)行聲音的傳輸。

關(guān)鍵詞：聲音；可見(jiàn)光；傳聲

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.121

0 引言

眾所周知，光是一種電磁波，能傳遞信息和能量，可以在真空中傳播，但不能在金屬中傳播；聲是一種波，和電磁波一樣他也能傳遞信息和能量，可以在固、液、氣三態(tài)中傳播，但不能在真空中傳播。如果聲和光能互相轉(zhuǎn)換，可以克服他們的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)。

LED具有高亮度、低功耗、靈敏度高、調(diào)制特點(diǎn)好等優(yōu)點(diǎn)，利用這些特性可以實(shí)現(xiàn)在照明的同時(shí)，把聲音信號(hào)調(diào)制到LED光中進(jìn)行傳輸。實(shí)現(xiàn)利用可見(jiàn)光為聲音載體，在空氣中直接傳送光信號(hào)的方式，即可見(jiàn)光傳聲。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體組成：發(fā)聲設(shè)備----光信號(hào)發(fā)射器------光信號(hào)接收器-------聲音放大設(shè)備。

發(fā)聲設(shè)備：指能直接發(fā)出聲音的設(shè)備，如：收音機(jī)、手機(jī)、MP3等。

光信號(hào)發(fā)射器：把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光的變化，主要由聲音信號(hào)接收裝置（耳機(jī)） 和聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)電路（LED、電源、電阻等）組成。

光信號(hào)接收器：把光的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化，主要由光電轉(zhuǎn)換電路組成（光電轉(zhuǎn)換器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管）。

聲音放大設(shè)備：把光信號(hào)接收器接收的聲音電信號(hào)放大傳遞出來(lái)，主要用已有的能放大聲音的設(shè)備（收音機(jī)、收錄機(jī)、手機(jī)等）。

2 系統(tǒng)所需硬件

發(fā)聲設(shè)備（手機(jī)、電腦、簡(jiǎn)易助聽(tīng)器、收音機(jī)等）。

聲音放大設(shè)備（手機(jī)、電腦、簡(jiǎn)易助聽(tīng)器、收音機(jī)等）。

LED（發(fā)光二極管）。

電感線圈（可用小型變壓器的原線圈，其直流電阻很小）。

光電池（光敏電阻、光敏三極管）導(dǎo)線若干。

耳機(jī)插頭。

電源（光信號(hào)發(fā)射器可用LED照明設(shè)備上的電源；光信號(hào)接收器可用聲音放大設(shè)備上的電源，也可單獨(dú)接電源）。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

發(fā)聲設(shè)備和聲音放大設(shè)備采用的是已有的電子設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)只需自己設(shè)計(jì)光信號(hào)發(fā)射器和光信號(hào)接收器電路。

（1）光信號(hào)發(fā)射器電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路是利用正在使用的LED照明電路，把聲音信號(hào)接入，使LED發(fā)出的光亮度隨聲音變化而變化。

將LED照明電路中串一電感線圈，電感線圈的作用：①濾波：其目的可以濾掉電源中的交流部分，使電源電壓更加穩(wěn)定，防止電源中的交流信號(hào)干擾聲音信號(hào)；②通直流阻交流：LED照明電路為直流電路，所以不影響電路正常發(fā)光。在線圈兩端引出兩根導(dǎo)線與一耳機(jī)插頭相連，將耳機(jī)插頭插入發(fā)聲設(shè)備耳機(jī)插孔中，當(dāng)發(fā)聲設(shè)備發(fā)出聲音時(shí)，放大的聲音電信號(hào)引入光信號(hào)發(fā)射器電路，由于線圈對(duì)交流聲音信號(hào)有較大的阻礙作用，因此信號(hào)電流將從發(fā)光二極管、限流電阻和電池這一路通過(guò)，這樣發(fā)光二極管在原有直流電流的基礎(chǔ)上，又通過(guò)了與聲音信號(hào)對(duì)應(yīng)的交流電流，因此它的亮度隨聲音信號(hào)而改變。

（2）光信號(hào)接收電路設(shè)計(jì)：（可用光電池，也可用光敏三極管、光敏二極管作為光電轉(zhuǎn)換元件）。

硅光電池光信號(hào)接收器。

硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，受到光照時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

圖1為硅光電池光信號(hào)接收器電路，將硅光電池（小型太陽(yáng)能電池）的兩極接入聲音放大設(shè)備（收音機(jī)、手機(jī)等）拾音器插孔中，這樣當(dāng)光電池接收到帶有聲音信息的光信號(hào)后，光電池兩端電壓就會(huì)隨之改變，通過(guò)聲音放大設(shè)備進(jìn)行聲音放大，最后推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

光敏二極管光信號(hào)接收器。

光敏二極管又叫光電二極管（英語(yǔ)：photodiode ）是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)的光探測(cè)器，對(duì)光的變化非常敏感，具有單向?qū)щ娦?，而且光?qiáng)不同的時(shí)候會(huì)改變電學(xué)特性，因此，可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。光敏二極管的輸出特性線性度好，響應(yīng)時(shí)間快。

光敏二極管的選擇：光敏二極管的種類很多，而且參數(shù)相差較大，根據(jù)電路的要求，應(yīng)選擇對(duì)可見(jiàn)光靈敏度高的，例如BS120型號(hào)的。

光敏三極管光信號(hào)接收器。

光敏三極管又稱光電三極管，和普通三極管相似，可以等效的看作是由一個(gè)光敏二極管和一只半導(dǎo)體三極管結(jié)合而成，因此光敏三極管不但具備光敏二極管的光電轉(zhuǎn)換特性，同時(shí)也有電流放大作用，故靈敏度高。但光敏晶體管輸出特性線性度差。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將電路接好后，調(diào)節(jié)LED燈的位置，使光線聚焦于光電轉(zhuǎn)換元件（光電池，光敏三極管、光敏二極管）的接收面上，如果在LED燈前放一個(gè)聚光鏡聚光效果更好。打開(kāi)發(fā)聲設(shè)備，可以看到發(fā)光二極管有微弱的閃爍現(xiàn)象，打開(kāi)聲音放大設(shè)備開(kāi)關(guān)，從揚(yáng)聲器中可聽(tīng)到相同的聲音。如果此時(shí)用手截?cái)喙饩€，使光不能照射在光電轉(zhuǎn)換元件上，揚(yáng)聲器中的聲音也會(huì)消失；將手移開(kāi)，又可以聽(tīng)到聲音。通過(guò)對(duì)三種光接收電路調(diào)試，從結(jié)果看光敏三極管接收器實(shí)現(xiàn)光電傳聲時(shí)聲音最大，但失真大；光電池、光敏二極管實(shí)現(xiàn)光電傳聲音時(shí)聲音小，但失真小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種可行的LED可見(jiàn)光聲音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了直接將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的強(qiáng)度變化進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)成本低，易實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)雖然還存在著傳輸距離短，傳輸角度小等缺點(diǎn)，但為提升光電傳聲的實(shí)用性提供了一種可行性方案。

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