Лазерный луч как среда для передачи звуковых волн

Аннотация

Представлен анализ результатов экспериментов, проведенных по изучению передачи акустических волн на расстояние через лазерный луч. Показано, что акустические волны можно передать с помощью лазерных лучей даже через атмосферу на сравнительно небольшие расстояния без особых искажений. Ключевые слова: акустические волны, лазер, передача и прием звука. С бурным развитием лазерных технологий появляются также и новые возможности по их практическому применению. Например, в работе [1] был предложен и экспериментально реализован метод измерения акустического импеданса для оценки пористости углепластиков, основанный на лазерном термооптическом возбуждении продольных акустических волн. В данной работе акустический импеданс исследуемого образца измеряется по величине первообразной ультразвукового импульса, отраженного от границы раздела иммерсионная жидкость-образец. Был предложен метод расчета пористости углепластика по измеренной величине акустического импеданса. Авторы исследовали образцы углепластиков с тремя различными схемами укладки углеродных волокон. В работе [2] была экспериментально исследована дифракция рентгеновского излучения от отражающих атомных плоскостей монокристалла кварца с АТ-срезом в геометрии Лауэ при наличии объемных акустических волн, где были рассмотрены 382 некоторые вопросы получения пространственной модуляции интенсивности отраженного пучка и управления ее параметрами при наличии акустических волн. В настоящей работе рассматривается внешняя модуляция акустических волн лазерным лучом. Эксперименты проводили в обычных лабораторных условиях. Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1. В качестве генератора звуковых волн был использован ноутбук, а в качестве модулятора акустических волн, т.е. источника лазерного луча использовали китайскую полупроводниковую лазерную указку марки smLUBI, которая питается от 3 батареек типа LR44. В качестве демодулятора, т.е. фотоприемника использовали инфракрасный излучатель от пульта дистанционного управления, на который последовательно были подключены колонки марки SVEN 325 мощностью 6 Вт. Резистор с сопротивлением 130 кОм использовался для контролирования громкости звуковых сигналов. Рис. 1. Схема экспериментальной установки по модуляции акустических волн лазерным лучом. Целью проведенных исследований являлось исследование зависимости амплитуды громкости акустических волн А от расстояния r между лазерным источником и инфракрасным излучателем, которого варьировали от 50 см до 10 метров с интервалом по 50 см. Таким образом, в работе звуковые волны, созданные ноутбуком и модулированные лазерным лучом, распространялись через воздушное пространство между передатчиком – лазерной указкой и приемником – инфракрасным излучателем без подключения к какой- либо электрической цепи. Далее от инфракрасного излучателя лучи идут к колонкам, в которых осуществляется демодуляция звуковых сигналов. Громкость звука от колонки измеряли измерителем уровня звука PCE-MSL 1. Для получения сравнительной характеристики модуляции и передачи звуковых сигналов лазерным лучом наравне измеряли громкость звуковых волн также и непосредственно от ноутбука, которого взяли в качестве эталонного значения (56 дБ). Результаты измерений представлены на рисунке 2. Из рисунка видно, что громкость звуковых волн уменьшается с расстоянием монотонно. Видимо, это связано с неудобством по мере увеличения расстояния настройки направленности лазерного излучения и значимым рассеянием лазерного луча атмосферой. Следует отметить, что при небольших (до 3 метров) расстояниях значения амплитуды принятых звуковых сигналов практически близки к реальному, т.е. эталонному значению громкости акустических волн, в промежутке от 3 до 8 метров наблюдается резкое падение амплитуды, а начиная с расстояния 8 метров переданные сигналы становятся практически неслышимыми. 383 r, м Рис. 2. Зависимость амплитуды звуковых волн, переданных лазерным лучом и полученных инфракрасным излучателем от расстояния. Итак, резюмируя вышеизложенное можно сделать вывод в том, что акустические волны можно передать с помощью лазерных лучей даже через атмосферу на сравнительно небольшие расстояния без особых искажений. Уменьшение громкости сигналов от расстояния можно объяснить не плохой модуляцией выбранной экспериментальной установки, а лишь неудобством передачи оптических волн через атмосферу. Для более целостной и качественной передачи звуковых сигналов на расстояния целесообразно передать модулированную несущую частоту через современные оптические волокна. Данный опыт продемонстрирует возможность использования лазерных лучей в качестве несущей волны при передаче, приеме, а также обработке сигналов. Работа выполнена при финансовой поддержке совместного гранта Узбекистан- Беларусь № ИЛ-432105684. Список литературы: 1. Ю.Г. Соколовская, Н.Б. Подымова, А.А. Карабутов. Лазерный оптико- акустический метод количественной оценки пористости углепластиков на основе измерения их акустического импеданса // Акустический журнал. 2020. Т. 66. № 1