张连昊 陈庆东 许同杰 王浩 刘晓飞 张胜楠 夏乐 刘继

摘  要：随着激光通信技术和可见光通信技术的发展，基于LED可见光就能够很好的传输信息，文章设计一个可以演示水流传播声音的“水流传声”实验，该实验以LED发光的可见光通信为基础，通过弯曲的水流柱，实现音频信号在水流中传播。可同时演示光在弯曲介质中传导和光携带声音信号的双重过程。

关键词：LED通信;可见光通信;水流传声;单片机

中图分类号：TN929.1      文献标志码：A         文章编号：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 研制背景及意义

通信，从最初的有线通信到现代社会的无线通信，从电缆实现的通信到无线电波实现的通信，所有通信都离不开传播介质，通信载体。通信介质[1]从最初的电磁波发展到激光，最近几年研究发现，LED发出的可见光也可以实现通信，用可见光实现通信彻底刷新了人民的思想意识，原来认为根本不可能实现的事情也已经成功实现，所以对可见光通信的研究越来越多。

在中学物理和大学物理[2]都讲到通信，从最初的无线电波通信，到后来的激光通信，再到最近的可见光通信，但是能够直观的演示光通信本质的实验装置几乎没有。本文以弯曲的水流柱为导光介质，借助新型的LED光通信技术，可同时演示光在弯曲介质中传导和光携带声音信号的双重过程，以便于学生更好的理解光通信的本质。

2 设计方案

如图1所示：可见光通信系统[3-4]由三部分组成，发射模块、导光介质、接收模块。由mp3输出的音频信号也就是高低不同的电平信号，通过LED调制电路将这些电平信号调制成忽明忽暗的可见光信号，这些可见光通过弯曲的水流柱传播，接收模块接收到的忽明忽暗的光信号，把接收到的光信号转换成电信号，经过相关放大滤波等处理，音响就可以播放出清晰的音乐，实现声音还原目的。图2为发射模块电路图，图3为接收模块电路图。

3 作品实物及实验效果分析

图4为作品实物图，采用了农夫山泉的5L的纯净水瓶子，在瓶子的底部侧壁开有一个口，在正对着开口的瓶子的另一侧放置LED光源，往水桶里加满水，水就会顺着开口流下去，就会形成一个弯曲的水流柱，LED可见光就会顺着弯曲的水流柱往下传播，在水流柱和地面交接处形成一个光斑，接收模块接收到电信号，还原为音频，若用手将水流柱挡住，光被挡住，光斑消失，扬声器也不再发出声音。

经过几次实验得出的结果中可以看到，扬声器中播放出音樂的品质主要与水流柱长度、LED灯的角度以及硅光敏三极管接收的光亮有关。增大水流柱长度时，扬声器中的音量变小;硅光敏三极管与LED正对的时候，声音最大;用物体逐渐遮挡光时，声音逐渐变小，完全遮挡时声音消失。并且接收模块的可调电阻可以调节扬声器的音量大小，低阻值状态下极其微弱的光也可以接收，弥补了弱光使系统接收信号不灵敏的不足。可实现长距离的信息传输。

在实验过程中发现在可见光通信过程中存在较大的噪声干扰，分析噪声来源，主要有以下几个方面：（1）由于我们的电路是用手工焊接的电路板，这可能会引起较大的噪声干扰;（2）发射模块和接收模块的电路布局可能引起

噪声干扰。针对以上问题，采用印刷电路板，增大MP3的声音调制信号，合理布局发射和接收模块的电路，以消除电路之间的噪声影响，最终可以在1.5-2米的范围内接收到LED的光通信的MP3音频信号。

4 结束语

本实验装置借助于LED光通信技术，通过弯曲的水流柱，实现声音在水流柱中传播，可同时演示光可以在弯曲的水流柱中传播和可见光可以实现通信的两个过程，本实验装置设计新颖，成本低廉，可以在实验室演示，也可以拿到课堂上演示，具有较好的实用价值和推广价值。

参考文献：

[1]唐忠敏，王太军.基于可见光通信的“水流传声”实验[J].物理实验，2018，38（1）：60-63.

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

[3]王云，蓝天，倪国强.室内可见光通信复合光学接收端设计与分析[J].物理学报，2017，66（8）：125-133.

[4]薛家豪，李琪，徐胜男，等.室内LED可见光通信的分集接收系统[J].物理实验，2016，36（9）：15-18.