红外监听器创意实验

邓荣标

(广州大学 物理与电子工程学院,广东 广州 510006)

1 引 言

创意性实验是实验者对实验原理、实验设计思想、实验方法、实验条件、测量装置、测量方法、数据处理方法等有创新设想或一些构思的具有较高层次的实验[1]. 创意性实验与传统的实验有着很大的不同，实验的展开对实验者提出了更高的要求，实验者对整个实验从开始的设计(构思)、制作、实验探究到撰写实验研究论文的整个过程，是建立在基于项目研究的学习，基于项目的学习可使学生围绕具体项目，充分学习、选择和利用各种学习资源，在项目构思设计、实际体验、探索创新、内化吸收的过程中，以团队为组织形式自主地获得较为完整而具体的知识，形成技能并获得发展，能够提高学生提出并解决问题的创新能力及表达能力，培养学生的终身学习技能，使其形成自主合作的学习精神和工作态度. 在文献[1]中开设了红外监听研究的创意性实验，恰逢斯诺登“棱镜门”事件，学生对如何实现对无法接近的房间内的声音信息的“窃听”十分的好奇，在进行工程光学实验时，组织部分同学选取贺老师教程中的创意性实验予以实现，实验引起学生极大的兴趣并加深对光电转换等知识点的认识.

在激光监听器的创意实验的完成过程中，引导学生完成激光监听器实验：激光监听器是如何实现？实验装置如何制作？监听效果如何达到最佳？ 以这些问题作为主线驱使学生完成整个实验，最后撰写实验论文.

2 激光监听器的制作

2.1 实验原理

1束看不见的红外激光发射到该房间的玻璃窗上,由于声音会引起玻璃窗的微小振动，声波使玻璃产生振动,反射的激光束的光斑也随之发生振动,即反射的激光光束带有了声源的声波信息. 调节硅光电池的接收面与光束之间的夹角, 使光斑振动时照射在硅光电池上的光斑面积发生相应改变, 从而引起硅光电池输出电压发生变化, 再把该变化的电压经放大器放大后输入扬声器,就能还原出声源的声音. 整个过程可简单地看成:声音信号——光信号——微弱的电信号——放大——还原成声音.

激光监听器主要由3部分组成：激光发射、激光接收以及光电转换的声音复原，激光监听装置如图1所示.

图1 红外监听装置示意图

2.2 实验装置制作

光源的选择：红外线波长介于800 nm和1 000 nm. 红色激光波长约650 nm，绿色激光的波长530 nm，从隐蔽操作来说应选择不可见的光源为最佳，但以演示效果来说，选择红色波长的激光最佳，实验中选择650 nm波长的激光笔作为实验光源. 激光需要安装在可调且稳定的水平位置.

反射镜的选取：激光打到玻璃反射回来，可以选取高度反光的平面镜做反射镜面.

激光的接收：选取硅光电池(φ20 mm)接收反射回被光调制后的激光信号.

声音还原：光信号转换成电信号,再经过放大器放大并去除噪声,通过扬声器还原成声音、接收模块采用低通滤波的方式去除高频率噪声，接收模块把接收到的微弱信号通过LM386音频放大芯片放大功率. Q1为硅光电池，收集反射激光，并把需要的信号解调出来.R2有限流作用，防止电流过大从而对电源造成损害.C1和C3隔直通交作用，使需要的信号通过.C4和R1低通滤波作用，获得需要的低频率信号. 电位器：调节音量的大小. LM386为音频功率放大芯片，实现电信号的功率放大. HEADPHONES用耳机来收听，滤波放大电路如图2所示.

图2 滤波放大电路图

消除杂光光源：一般来说，当监听器不在黑夜工作时，就会有环境光的干扰，例如在白炽灯下，白炽灯泡实际振动在频率50 Hz或60 Hz，为响亮的持续不断的嗡嗡声，通过滤波器电路几乎可以消除环境光所带来的大部分的交流声.

完成电路的设计，焊接好电路板，实验装置如图3所示.

图3 实验装置图

3 创意实验的探究

3.1 实验的调试与数据采集

该实验对距离、角度非常敏感，通过控制变量法分析激光收听器的性能. 从而探究入射激光角度、距离以及反射光斑面积与声音效果的关系. 声音效果采用较差、不清晰、一般、清晰来表述. 较差为杂音与音源混合，无法分辨说话声；不清晰为小部分可以听清楚，失真较严重；一般为大部分可以听清楚，但有失真；清晰为能清楚地听出音源的声音.

3.2 实验分析

1)实验距离对监听器的影响

入射光距离对声音效果的影响如表1所示. 接收距离较小时,光电二极管接收的光强很强,容易饱和,当反射光斑全部都照射在探测器表面上时,探测器所收到的光通量几乎不变,因此系统产生的直流信号是无用的，监听不到声音. 当适当增大距离，会发现接收效果更好,原因是当增加距离,光斑的震动会因光斑发散被放大. 但是前提需要配合接收光斑以入放大器的调节,否则信号因太弱而无法还原出声音信号.

表1 入射光距离对声音效果的影响

2)入射角、反射光斑的面积对监听器的影响

入射角、反射光斑的面积对声音效果的影响如表2和表3所示.

表2 入射光角度对声音效果的影响

表3 反射光班照射面积对声音效果的影响

注：反射光斑照射面积是指反射光斑照在硅光电池的部分，如“0” 是指反射的光斑未落在硅光电池上，“1/3”是指反射光斑1/3的面积照射在硅光电池上，“1”是指光斑完整地落在硅光电池上. 硅光电池的光敏有效面积直径20 mm.

实验发现随着入射角度的增大,反射的光斑面积也增大，装置的接收面积相应地增大，这样就会使得信号的变化变得更加强烈.

4 结束语

通过激光监听器项目，提高学生综合运用各门知识、解决实际问题的能力和培养学生的创造性，激发学生工程光学实验的学习兴趣. 通过课程中引入了创意实验这一尝试，将学生引入项目式的研究模式，有助于培养学生的创新能力、科学研究的态度，在探讨中完成实验课程的学习. 在实验教学改革中，也需要结合热点，注入新的内容, 培养出综合型、高素质、富于创新的人才.

参考文献：

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[2] 胡得敬. 设计性实验集锦[M]. 上海：上海教育出版社,2002.

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[6] 潘丽娜,庄紫云,王戈. 运用半导体激光器进行监听以及音源定位的研究[J]. 光学仪器,2013，35(1):37-43.

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