基于LED通信的“水流傳聲”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張連昊 陳慶東 許同杰 王浩 劉曉飛 張勝楠 夏樂 劉繼

摘? 要：隨著激光通信技術(shù)和可見光通信技術(shù)的發(fā)展，基于LED可見光就能夠很好的傳輸信息，文章設(shè)計(jì)一個(gè)可以演示水流傳播聲音的“水流傳聲”實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)以LED發(fā)光的可見光通信為基礎(chǔ)，通過彎曲的水流柱，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)在水流中傳播?？赏瑫r(shí)演示光在彎曲介質(zhì)中傳導(dǎo)和光攜帶聲音信號(hào)的雙重過程。

關(guān)鍵詞：LED通信;可見光通信;水流傳聲;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN929.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0033-02

Abstract： With the development of laser communication technology and visible light communication technology， information can be well transmitted based on LED visible light. In this paper， a "water flow sound transmission" experiment is designed， which can demonstrate the sound propagation of water flow. Based on the visible light communication of LED， the audio signal propagates in the water flow through the curved water flow column. The dual process of light transmitting and carrying sound signal in curved medium can be demonstrated at the same time.

Keywords： LED communication; visible light communication; current sound transmission; single chip microcomputer

1 研制背景及意義

通信，從最初的有線通信到現(xiàn)代社會(huì)的無線通信，從電纜實(shí)現(xiàn)的通信到無線電波實(shí)現(xiàn)的通信，所有通信都離不開傳播介質(zhì)，通信載體。通信介質(zhì)[1]從最初的電磁波發(fā)展到激光，最近幾年研究發(fā)現(xiàn)，LED發(fā)出的可見光也可以實(shí)現(xiàn)通信，用可見光實(shí)現(xiàn)通信徹底刷新了人民的思想意識(shí)，原來認(rèn)為根本不可能實(shí)現(xiàn)的事情也已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)可見光通信的研究越來越多。

在中學(xué)物理和大學(xué)物理[2]都講到通信，從最初的無線電波通信，到后來的激光通信，再到最近的可見光通信，但是能夠直觀的演示光通信本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置幾乎沒有。本文以彎曲的水流柱為導(dǎo)光介質(zhì)，借助新型的LED光通信技術(shù)，可同時(shí)演示光在彎曲介質(zhì)中傳導(dǎo)和光攜帶聲音信號(hào)的雙重過程，以便于學(xué)生更好的理解光通信的本質(zhì)。

2 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示：可見光通信系統(tǒng)[3-4]由三部分組成，發(fā)射模塊、導(dǎo)光介質(zhì)、接收模塊。由mp3輸出的音頻信號(hào)也就是高低不同的電平信號(hào)，通過LED調(diào)制電路將這些電平信號(hào)調(diào)制成忽明忽暗的可見光信號(hào)，這些可見光通過彎曲的水流柱傳播，接收模塊接收到的忽明忽暗的光信號(hào)，把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過相關(guān)放大濾波等處理，音響就可以播放出清晰的音樂，實(shí)現(xiàn)聲音還原目的。圖2為發(fā)射模塊電路圖，圖3為接收模塊電路圖。

3 作品實(shí)物及實(shí)驗(yàn)效果分析

圖4為作品實(shí)物圖，采用了農(nóng)夫山泉的5L的純凈水瓶子，在瓶子的底部側(cè)壁開有一個(gè)口，在正對(duì)著開口的瓶子的另一側(cè)放置LED光源，往水桶里加滿水，水就會(huì)順著開口流下去，就會(huì)形成一個(gè)彎曲的水流柱，LED可見光就會(huì)順著彎曲的水流柱往下傳播，在水流柱和地面交接處形成一個(gè)光斑，接收模塊接收到電信號(hào)，還原為音頻，若用手將水流柱擋住，光被擋住，光斑消失，揚(yáng)聲器也不再發(fā)出聲音。

經(jīng)過幾次實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果中可以看到，揚(yáng)聲器中播放出音樂的品質(zhì)主要與水流柱長(zhǎng)度、LED燈的角度以及硅光敏三極管接收的光亮有關(guān)。增大水流柱長(zhǎng)度時(shí)，揚(yáng)聲器中的音量變小;硅光敏三極管與LED正對(duì)的時(shí)候，聲音最大;用物體逐漸遮擋光時(shí)，聲音逐漸變小，完全遮擋時(shí)聲音消失。并且接收模塊的可調(diào)電阻可以調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器的音量大小，低阻值狀態(tài)下極其微弱的光也可以接收，彌補(bǔ)了弱光使系統(tǒng)接收信號(hào)不靈敏的不足。可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的信息傳輸。

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)在可見光通信過程中存在較大的噪聲干擾，分析噪聲來源，主要有以下幾個(gè)方面：（1）由于我們的電路是用手工焊接的電路板，這可能會(huì)引起較大的噪聲干擾;（2）發(fā)射模塊和接收模塊的電路布局可能引起

噪聲干擾。針對(duì)以上問題，采用印刷電路板，增大MP3的聲音調(diào)制信號(hào)，合理布局發(fā)射和接收模塊的電路，以消除電路之間的噪聲影響，最終可以在1.5-2米的范圍內(nèi)接收到LED的光通信的MP3音頻信號(hào)。

4 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)裝置借助于LED光通信技術(shù)，通過彎曲的水流柱，實(shí)現(xiàn)聲音在水流柱中傳播，可同時(shí)演示光可以在彎曲的水流柱中傳播和可見光可以實(shí)現(xiàn)通信的兩個(gè)過程，本實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)新穎，成本低廉，可以在實(shí)驗(yàn)室演示，也可以拿到課堂上演示，具有較好的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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