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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074933]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 9 激光传声
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一分钟简介
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本章[1]将暂别磁的神奇世界，重返光的缤纷乐园。你将了解到如何通过搭建一个简单的电路，并利用激光充当看不见的导线，在两地之间传递声音信息。就此衍生开去，我们还将了解现代光纤通信技术的基本原理。
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闲话基本原理
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1880年2月的一天，美国首都华盛顿，天寒地冻，万里无云，是冬天里难得的一个大晴天。大街上熙熙攘攘，没有人注意到街边一栋小楼顶上一个中年男子站在一台奇怪的机器面前，手舞足蹈地说着话。两百多米以外的另一栋小楼顶上，一个年轻人同样站在一台类似的机器面前，也在兴奋地说着，他们面对着彼此指手画脚，似乎在聊天。但是这么远的距离能听到彼此吗？几天后，《纽约时报》等各大报纸都刊登了一条消息，电话的发明者Alexander Bell（亚历山大·贝尔）博士和助手Charles Tainter先生的最新发明：用阳光传递声音的机器！
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这便是世界上第一台用光传递信息的无线通信设备Photophone（光电话）。贝尔认为这是他一生中最重要的工作，他是如此中意这项发明，甚至想把自己将要诞生的女儿命名为“Photophone”（被妻子及时制止了）。然而Photophone并没有像贝尔几年前发明的电话那样广泛流行，人们总不能天一黑就不能打“光”电话了吧！这项超越时代的发明渐渐被人遗忘，它仅仅短暂地出现在二次世界大战的战场上，被用作战舰之间传递信息的工具—因为无线电通信所用的电波向四面八方传播，敌人在远处用天线就可以截获；而这种光电话的信号只沿着发射装置和接收装置之间的直线传播，无法被偷听。直到20世纪60年代激光的发明，20世纪70年代光纤的进展，贝尔Photophone的基本原理被发扬光大，形成了高流量、低成本、远距离的现代光纤通信技术。毫无疑问，当今世界的运转已经离不开那一根根埋在泥土底下和大洋深处的光纤了。贝尔泉下有知，当会为自己的高瞻远瞩而欣慰。
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图9.1 光电话的发射端（取自维基百科“Photophone”词条）
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图9.2 光电话的接收端（取自维基百科“Photophone”词条）
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图9.1和图9.2生动地再现了当年贝尔和助手Tainter进行实验的场景。在图9.1中的发射端，一束明媚的阳光（近似平行光线）通过平面镜的反射以及透镜的汇聚以后变成发散光线，落到一个话筒上，它是一个圆筒，末端装着一面很薄的镜子。对着话筒说话产生的空气振动能够让镜子微小地改变形状。随着声波的频率，它时而变成凹面镜，导致其反射的光束发散程度减少；时而变成凸面镜，导致其反射的光束发散程度增加。在接收端，一个抛物面形的反射镜用来接收发射端送来的光线。发散程度小的光束几乎完全能被反射镜接收到，而发散程度大的光束经过长距离传输后，散得比较开，只有一部分光被反射镜接收，其余部分落到了反射镜外面。接收到的光被抛物面形的反射镜汇聚到焦点上，那里放着一块晶体硒，其作用类似于现在的光敏电阻，电阻值会随着光照强度而变化。如果在它两端接上电池，这样光的强弱信号就被转化成了电流的强弱信号，从而推动扬声器发声，完成了从声到光，从光到电，从电到声的转换过程。
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在接下来的“动手实践”一节中，我们将用便宜的激光二极管代替贝尔的阳光，来重现这一有趣的发明。
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动手实践
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我们将要制作的激光传声器是这样工作的：
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激光二极管发光的强弱可以由加在它两端的电压决定，而电脑耳机插孔里输出的，是一个随声波振荡的电压信号。如果我们把这个电压信号加到激光二极管两端，激光的强弱就会随声波信号振荡了，这就是我们的发射端（电路如图9.3所示）。如果你读了本书的第4章，制作了其中的微波探测电路，那么看到图9.3应该会觉得眼熟，它也是一个由运算放大器引入负反馈构成的放大电路。因为电脑耳机插孔输出的音频电压波动幅度较小，需要通过放大才能引起激光二极管亮度的明显变化。细看图9.3的电路，我们会发现与第4章不同的是，那里的信号是连接到运放的正极输入端，而这里的信号是连接到运放的负极接入端。另外，一个可变电阻产生的可调电压连接到了运放的正极输入端。在第4章里我们提到了具有负反馈的运放的特点是正负极输入端的电压基本一致，而且电流基本不通过输入端流入运放。我们可以方便地把这两个特点记忆为“虚短”和“虚断”。所谓虚短，是指正负极输入端就好像短路一样，所以它们的电压一样；而虚断是指正负极输入端也可以看成与运放断开了，所以它们与运放之间没有电流流动。记住了这两个词，分析运放负反馈电路就变得容易了。根据“虚短”原则，如果可变电阻输入运放正极输入端的电压是U的话，那么它的负极输入端电压也是V。根据“虚断”原则，这个U在10kΩ电阻上引起的电流完全流过51kΩ的电阻，所以可以得出运放加到激光二极管两端的电压就是 (U/10kΩ)×(51kΩ+10kΩ)=6.1V。因为红色激光二极管的工作电压在2～4V，所以我们可以通过调节可变电阻来使得电路在音频信号为零的情况下输出大约3V的电压。加入了音频信号以后，运放输出电压可以在2～4V波动，以保证既不会使激光管烧毁，也不会使它完全不发光。
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图9.3 发射端电路
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和第4章的电路一样，这个电路对音频信号的放大倍数也可以由引入负反馈那两个电阻值计算出来：(51kΩ+10kΩ)/10kΩ。我们可以这样来理解：假设原本音频信号为零，运放负极输入端电压为U。此时幅度为s的音频信号引入（s比U小），那么加在10kΩ电阻两端的电压减小为U-s。所以流过10kΩ电阻的电流变为：(U-s)/10kΩ。注意到，运放的输入端不提供也不吸收电流，从而运放输出电压为：[(U-s)/10kΩ]×(51kΩ+10kΩ)。对比输入音频为零的情况，我们得出音频信号放大倍数为 6.1倍。选择这个放大倍数的原因是我用万用表测量到电脑耳机插孔输出的音频信号的幅度大约为0.2V，所以通过放大6倍，可以使得运放的输出在2～4V变化。
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由于电路简单，我们可以直接把它焊接到洞洞板上（见图9.4实物图），其中的音频信号用一根耳机线从电脑引出来。注意图9.4使用的耳机线只有一个声道，所以只有两根线；而一般的耳机线有左右两个声道，所以有4根线。读者朋友可以通过万用表很容易地测量出哪根线对应于哪个声道，我们的电路只需要其中一个声道就可以了。测试电路时，首先电脑不播放声音，用万用表测量运放的输出，通过调节可变电阻来使得它为3V左右。然后电脑以最大音量放音乐，我们应该能看到激光亮度的明显变化，这样发射端的电路就做成了。如果你的电路只能让激光点亮，却不能让它的亮度有所变化，有可能是音频信号线没有焊接好，也有可能是运放的输出电压进入了饱和状态。因为运放电路输出的最大电压是比它的电源电压略小的，如果采用3V的电源，则运放的最大输出为2.5V左右，此时即使有音频信号输入也不能对它产生调节作用。所以应使用5～6V的电源电压（4节1.5V电池），并确保无音频信号输入时运放输出电压为3V左右。
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图9.4 发射端实物图
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接下来，我们要制作类似于图9.2所示的接收端，把强弱变化的激光信号转换成电信号并用音箱输出。我们可以使用光电二极管来实现这种转换，电路见图9.5，实物图见图9.6。