紅外監聽器創意實驗

鄧榮標

(廣州大學 物理與電子工程學院,廣東 廣州 510006)

1 引 言

創意性實驗是實驗者對實驗原理、實驗設計思想、實驗方法、實驗條件、測量裝置、測量方法、數據處理方法等有創新設想或一些構思的具有較高層次的實驗[1]. 創意性實驗與傳統的實驗有著很大的不同，實驗的展開對實驗者提出了更高的要求，實驗者對整個實驗從開始的設計(構思)、制作、實驗探究到撰寫實驗研究論文的整個過程，是建立在基于項目研究的學習，基于項目的學習可使學生圍繞具體項目，充分學習、選擇和利用各種學習資源，在項目構思設計、實際體驗、探索創新、內化吸收的過程中，以團隊為組織形式自主地獲得較為完整而具體的知識，形成技能并獲得發展，能夠提高學生提出并解決問題的創新能力及表達能力，培養學生的終身學習技能，使其形成自主合作的學習精神和工作態度. 在文獻[1]中開設了紅外監聽研究的創意性實驗，恰逢斯諾登“棱鏡門”事件，學生對如何實現對無法接近的房間內的聲音信息的“竊聽”十分的好奇，在進行工程光學實驗時，組織部分同學選取賀老師教程中的創意性實驗予以實現，實驗引起學生極大的興趣并加深對光電轉換等知識點的認識.

在激光監聽器的創意實驗的完成過程中，引導學生完成激光監聽器實驗：激光監聽器是如何實現？實驗裝置如何制作？監聽效果如何達到最佳？ 以這些問題作為主線驅使學生完成整個實驗，最后撰寫實驗論文.

2 激光監聽器的制作

2.1 實驗原理

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

激光監聽器主要由3部分組成：激光發射、激光接收以及光電轉換的聲音復原，激光監聽裝置如圖1所示.

圖1 紅外監聽裝置示意圖

2.2 實驗裝置制作

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，實驗中選擇650 nm波長的激光筆作為實驗光源. 激光需要安裝在可調且穩定的水平位置.

反射鏡的選取：激光打到玻璃反射回來，可以選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)接收反射回被光調制后的激光信號.

聲音還原：光信號轉換成電信號,再經過放大器放大并去除噪聲,通過揚聲器還原成聲音、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，并把需要的信號解調出來.R2有限流作用，防止電流過大從而對電源造成損害.C1和C3隔直通交作用，使需要的信號通過.C4和R1低通濾波作用，獲得需要的低頻率信號. 電位器：調節音量的大小. LM386為音頻功率放大芯片，實現電信號的功率放大. HEADPHONES用耳機來收聽，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，當監聽器不在黑夜工作時，就會有環境光的干擾，例如在白熾燈下，白熾燈泡實際振動在頻率50 Hz或60 Hz，為響亮的持續不斷的嗡嗡聲，通過濾波器電路幾乎可以消除環境光所帶來的大部分的交流聲.

完成電路的設計，焊接好電路板，實驗裝置如圖3所示.

圖3 實驗裝置圖

3 創意實驗的探究

3.1 實驗的調試與數據采集

該實驗對距離、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 實驗分析

1)實驗距離對監聽器的影響

入射光距離對聲音效果的影響如表1所示. 接收距離較小時,光電二極管接收的光強很強,容易飽和,當反射光斑全部都照射在探測器表面上時,探測器所收到的光通量幾乎不變,因此系統產生的直流信號是無用的，監聽不到聲音. 當適當增大距離，會發現接收效果更好,原因是當增加距離,光斑的震動會因光斑發散被放大. 但是前提需要配合接收光斑以入放大器的調節,否則信號因太弱而無法還原出聲音信號.

表1 入射光距離對聲音效果的影響

2)入射角、反射光斑的面積對監聽器的影響

入射角、反射光斑的面積對聲音效果的影響如表2和表3所示.

表2 入射光角度對聲音效果的影響

表3 反射光班照射面積對聲音效果的影響

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.

實驗發現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地增大，這樣就會使得信號的變化變得更加強烈.

4 結束語

通過激光監聽器項目，提高學生綜合運用各門知識、解決實際問題的能力和培養學生的創造性，激發學生工程光學實驗的學習興趣. 通過課程中引入了創意實驗這一嘗試，將學生引入項目式的研究模式，有助于培養學生的創新能力、科學研究的態度，在探討中完成實驗課程的學習. 在實驗教學改革中，也需要結合熱點，注入新的內容, 培養出綜合型、高素質、富于創新的人才.

參考文獻：

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