利用聲光效應實現信息傳輸及再讀取

楊 寧，韓兆坤，田 萌，趙珂慶，張增明，陶小平

(中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026)

利用聲光效應實現信息傳輸及再讀取

楊 寧，韓兆坤，田 萌，趙珂慶，張增明，陶小平

(中國科學技術大學 物理學院，安徽 合肥 230026)

利用聲光效應通過調制激光傳輸聲音信號,使用調幅電路將聲音的電信號加載在高頻信號上，信號驅動超聲波換能器振動，超聲波作用在激光入射的聲光介質中產生聲光效應使激光產生相應的衍射，衍射光斑光強隨聲音信號同步變化，光電探測器通過探測衍射光強產生相應電壓，對輸出電壓信號的處理后就可以還原聲音信號.

聲光效應；聲光介質；信號處理；信息傳輸

聲音作為機械波是一種重要的信號，其中包含聲音的頻率、聲強隨時間的變化等信息. 但是實際聲波傳輸較光電信號的傳輸有許多缺點，將聲信號轉化為光電信號傳輸之后再還原是高保真傳輸聲信號的重要手段之一. 本實驗研究中，以聲光效應為基本原理，將聲音信號轉化成為光信號，對于得到的光信號通過不同方式的處理，還原成不同形式的聲音信號.

1 實驗原理

超聲波在介質中傳播引起彈性應變，改變其折射率，光束通過時發生衍射，駐波會增強此效應. 超聲波頻率較低、聲光相互作用長度較短時，在光波通過介質的時間內折射率的變化可以忽略不計，聲光介質可以近似為恒定的“平面相位柵”，稱為拉曼-納斯衍射[1]，示意圖如圖1所示.

圖1 拉曼-奈斯衍射示意圖

應變引起的介質折射率為Δ(1/n2)=PS，P為聲光介質彈光系數，S為應變量.P和S均為二階張量，但是在各向同性介質中，可作標量處理. 當應變較小時，有

n(y,t)=n0+Δnsin (ωst-ksy),

(1)

由

(2)

將式(2)代入式(1)可得

Δφ=k0n(y,t)L=Δφ0+k0ΔnLsin (ωst-ksy).

(3)

設輻射面上的光振動為Ei=Aeiωt，可得到衍射強度公式

(4)

實驗中采用一級衍射光，則一級衍射效率為

(5)

J1(k0ΔnL)≈sin (k0ΔnL),

(6)

即

η1≈sin2(k0ΔnL),

(7)

又有

(8)

(9)

其中，Ps為超聲的聲功率，ρ為介質密度,vs為介質中聲速，b為介質高度，L為介質厚度，M2為常數. 將式(1)，(2)，(8)，(9)代入式(7)得

(10)

由sinx≈x近似，式(10)得到正比關系

(11)

當輸出電路驅動壓電換能器[2]發聲時，測得其工作電流近似固定不變，則換能器的聲功率與輸入電壓幅值成正比，可以得到

U∝I1∝η1∝Ps∝v0,

(12)

即

U∝v0,

(13)

因此由輸出電壓信號可還原輸入音頻信號.

2 實驗設計和結果

實驗分為以下幾個部分(圖2和圖3所示)：通過調幅電路調制原有聲音的頻率、搭建利用聲

光介質產生衍射的光路、光信號轉換成電信號、對電信號的處理(信號的存取以及還原)[3].

調幅電路(乘法器以及放大信號的高速運放)如圖4所示[4].

利用調幅電路，把低頻電聲信號加載到超聲電信號上，得到頻率不變、振幅隨聲信號變化的信號，如圖5所示，其中黃色表示調制信號，粉色表示調幅后的輸出信號.

圖2 利用聲光效應傳輸電聲信號流程圖

圖3 聲光效應光路示意圖

圖4 調幅電路示意圖(乘法器以及反相放大器)

圖5 正弦波形的調制信號與調幅后的信號對比圖

選用典型的壓電陶瓷換能器，機械效率高，驅動電流小[5]. 聲光介質使用去離子水，其對應的聲光效應頻率為10 MHz，所以載波信號也選用10 MHz. 選用可見紅色光半導體激光器發射激光，光電探測器為Thorlabs DET36A型. 光電探測器通過光闌上的小孔接收聲光效應衍射得到的一級亮斑. 探測器輸出信號要經過減法電路與電壓跟隨器處理以滿足后級輸入要求，如圖6所示.

圖6 減法器以及電壓跟隨器的電路示意圖

除此之外，還需要使用ADC采集傳輸得到的信號并和原信號進行比較[6]. 在實驗中，使用電腦USB連接示波器的串口，利用示波器內置的ADC進行采樣，串口傳回時間-電壓數據，最后使用制圖軟件獲得時間-電壓圖像. 通過作圖或示波器實時顯示所得電壓-時間圖像可以很清晰地反映出原來的聲音信號的特征. 實際實驗中，測試了多個頻率信號的傳輸，最終測定本實驗裝置可以高質量傳輸10 Hz～15 kHz正弦信號.
圖7為輸入1 kHz正弦波信號時在接收端得到的輸出電壓信號，采樣率為50 MHz.

圖7 示波器ADC得到的電壓-時間圖像(頻率1 kHz)

將探測器輸出的電聲信號通過揚聲器重現聲音，如圖8所示. 電路包含起緩沖作用的電壓跟隨器和驅動揚聲器的功率放大器，功率放大器選用了比較簡單的OTL功率放大電路，可以良好驅動阻抗為8 Ω的揚聲器[7]. 傳輸音樂時，揚聲器的聲音可以被聽歌識曲軟件識別，人耳也能清晰地辨別音樂.

圖8 揚聲器驅動電路示意圖

3 結束語

通過調幅電路調制電聲信號，利用聲光效應對激光進行聲光調制. 在接收端利用光電探測器檢測出射的1級衍射斑光強，輸出對應的信號即電聲信號. 通過多種回放方式(包括揚聲器、線性錄音和單片機讀取采樣電壓)，回放得到信噪比較高、頻率響應較好的電聲信號. 通過人耳傾聽和聽歌識曲軟件的鑒別，都可以輕松地識別出原歌曲，信噪比高，還原效果良好. 如果采用印刷電路與性能更好的換能器和聲光晶體，實際傳輸過程中可以得到更大的通頻帶寬度，實現更高頻率信號的傳輸.

[1] 徐介平. 聲光器件的原理、設計和應用 [M]. 北京：科學出版社，1982.

[2] 馬大猷. 現代聲學基礎 [M]. 北京：科學出版社，2004.

[3] 高晶，張志偉. 聲光調制器驅動源電路研究 [J]. 壓電與聲光，2012,34(6)：825-828.

[4] 康華光. 電子技術基礎模擬部分[M]. 5版. 北京：高等教育出版社，2006.

[5] 楊睿智，李熹辰，蔡昊君，等. 聲速測定實驗中超聲換能器的非線性行為 [J]. 物理實驗，2017，37(4)：6-10，15.

[6] 李潮銳. 電光調制通信的頻譜測量 [J]. 物理實驗，2017，37(6)：28-31.

[7] 管善群. 電聲技術基礎 [M]. 北京：人民郵電出版社，1982.

Informationtransmissionandre-readbyacousto-opticeffect

YANG Ning, HAN Zhao-kun, TIAN Meng,ZHAO Ke-qing， ZHANG Zeng-ming, TAO Xiao-ping

(School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

The acousto-optic effect was used to transmit sound signals through modulated lasers. In the experiment, the amplitude modulation circuit was used to modulate the electrical signal of the sound onto the high frequency carrier, and then drove the ultrasonic transducer to vibrate. The ultrasonic wave induced acousto-optic effect in the acousto-optic medium, causing diffraction of the incident laser beam. The intensity of the diffracted spot varied synchronously with the sound signal, and this variation was detected by a photodetector. After processing the output voltage signal, the sound signal could be restored perfectly.

acousto-optic effect; acousto-optic medium; signal processing; information transmission

2017-09-20；修改日期2017-10-30

2015年度中國科學技術大學校級教學研究項目(No.2015JY02)

楊 寧(1996-)，男，江蘇常州人，中國科學技術大學物理學院2014級本科生.

指導教師：陶小平 (1965-)，男，安徽當涂人，中國科學技術大學物理學院副教授，博士，從事物理教學和低溫等離子體應用及脈沖功率技術的研究工作．

O426.3;TN912.3

A

1005-4642(2017)12-0038-03

郭 偉]