基于LED通信的“水流傳聲”實驗設計

張連昊 陳慶東 許同杰 王浩 劉曉飛 張勝楠 夏樂 劉繼

摘? 要：隨著激光通信技術和可見光通信技術的發展，基于LED可見光就能夠很好的傳輸信息，文章設計一個可以演示水流傳播聲音的“水流傳聲”實驗，該實驗以LED發光的可見光通信為基礎，通過彎曲的水流柱，實現音頻信號在水流中傳播。可同時演示光在彎曲介質中傳導和光攜帶聲音信號的雙重過程。

關鍵詞：LED通信;可見光通信;水流傳聲;單片機

中圖分類號：TN929.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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代社會的無線通信，從電纜實現的通信到無線電波實現的通信，所有通信都離不開傳播介質，通信載體。通信介質[1]從最初的電磁波發展到激光，最近幾年研究發現，LED發出的可見光也可以實現通信，用可見光實現通信徹底刷新了人民的思想意識，原來認為根本不可能實現的事情也已經成功實現，所以對可見光通信的研究越來越多。

在中學物理和大學物理[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的實驗裝置幾乎沒有。本文以彎曲的水流柱為導光介質，借助新型的LED光通信技術，可同時演示光在彎曲介質中傳導和光攜帶聲音信號的雙重過程，以便于學生更好的理解光通信的本質。

2 設計方案

如圖1所示：可見光通信系統[3-4]由三部分組成，發射模塊、導光介質、接收模塊。由mp3輸出的音頻信號也就是高低不同的電平信號，通過LED調制電路將這些電平信號調制成忽明忽暗的可見光信號，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，把接收到的光信號轉換成電信號，經過相關放大濾波等處理，音響就可以播放出清晰的音樂，實現聲音還原目的。圖2為發射模塊電路圖，圖3為接收模塊電路圖。

3 作品實物及實驗效果分析

圖4為作品實物圖，采用了農夫山泉的5L的純凈水瓶子，在瓶子的底部側壁開有一個口，在正對著開口的瓶子的另一側放置LED光源，往水桶里加滿水，水就會順著開口流下去，就會形成一個彎曲的水流柱，LED可見光就會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光斑，接收模塊接收到電信號，還原為音頻，若用手將水流柱擋住，光被擋住，光斑消失，揚聲器也不再發出聲音。

經過幾次實驗得出的結果中可以看到，揚聲器中播放出音樂的品質主要與水流柱長度、LED燈的角度以及硅光敏三極管接收的光亮有關。增大水流柱長度時，揚聲器中的音量變小;硅光敏三極管與LED正對的時候，聲音最大;用物體逐漸遮擋光時，聲音逐漸變小，完全遮擋時聲音消失。并且接收模塊的可調電阻可以調節揚聲器的音量大小，低阻值狀態下極其微弱的光也可以接收，彌補了弱光使系統接收信號不靈敏的不足。可實現長距離的信息傳輸。

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

噪聲干擾。針對以上問題，采用印刷電路板，增大MP3的聲音調制信號，合理布局發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米的范圍內接收到LED的光通信的MP3音頻信號。

4 結束語

本實驗裝置借助于LED光通信技術，通過彎曲的水流柱，實現聲音在水流柱中傳播，可同時演示光可以在彎曲的水流柱中傳播和可見光可以實現通信的兩個過程，本實驗裝置設計新穎，成本低廉，可以在實驗室演示，也可以拿到課堂上演示，具有較好的實用價值和推廣價值。

參考文獻：

[1]唐忠敏，王太軍.基于可見光通信的“水流傳聲”實驗[J].物理實驗，2018，38（1）：60-63.

[2]趙凱華.新概念物理教程·光學[M].北京：高等教育出版社，2004：74-75.

[3]王云，藍天，倪國強.室內可見光通信復合光學接收端設計與分析[J].物理學報，2017，66（8）：125-133.

[4]薛家豪，李琪，徐勝男，等.室內LED可見光通信的分集接收系統[J].物理實驗，2016，36（9）：15-18.