利用声光效应实现信息传输及再读取

杨 宁，韩兆坤，田 萌，赵珂庆，张增明，陶小平

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

利用声光效应实现信息传输及再读取

杨 宁，韩兆坤，田 萌，赵珂庆，张增明，陶小平

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

利用声光效应通过调制激光传输声音信号,使用调幅电路将声音的电信号加载在高频信号上，信号驱动超声波换能器振动，超声波作用在激光入射的声光介质中产生声光效应使激光产生相应的衍射，衍射光斑光强随声音信号同步变化，光电探测器通过探测衍射光强产生相应电压，对输出电压信号的处理后就可以还原声音信号.

声光效应；声光介质；信号处理；信息传输

声音作为机械波是一种重要的信号，其中包含声音的频率、声强随时间的变化等信息. 但是实际声波传输较光电信号的传输有许多缺点，将声信号转化为光电信号传输之后再还原是高保真传输声信号的重要手段之一. 本实验研究中，以声光效应为基本原理，将声音信号转化成为光信号，对于得到的光信号通过不同方式的处理，还原成不同形式的声音信号.

1 实验原理

超声波在介质中传播引起弹性应变，改变其折射率，光束通过时发生衍射，驻波会增强此效应. 超声波频率较低、声光相互作用长度较短时，在光波通过介质的时间内折射率的变化可以忽略不计，声光介质可以近似为恒定的“平面相位栅”，称为拉曼-纳斯衍射[1]，示意图如图1所示.

图1 拉曼-奈斯衍射示意图

应变引起的介质折射率为Δ(1/n2)=PS，P为声光介质弹光系数，S为应变量.P和S均为二阶张量，但是在各向同性介质中，可作标量处理. 当应变较小时，有

n(y,t)=n0+Δnsin (ωst-ksy),

(1)

由

(2)

将式(2)代入式(1)可得

Δφ=k0n(y,t)L=Δφ0+k0ΔnLsin (ωst-ksy).

(3)

设辐射面上的光振动为Ei=Aeiωt，可得到衍射强度公式

(4)

实验中采用一级衍射光，则一级衍射效率为

(5)

J1(k0ΔnL)≈sin (k0ΔnL),

(6)

即

η1≈sin2(k0ΔnL),

(7)

又有

(8)

(9)

其中，Ps为超声的声功率，ρ为介质密度,vs为介质中声速，b为介质高度，L为介质厚度，M2为常数. 将式(1)，(2)，(8)，(9)代入式(7)得

(10)

由sinx≈x近似，式(10)得到正比关系

(11)

当输出电路驱动压电换能器[2]发声时，测得其工作电流近似固定不变，则换能器的声功率与输入电压幅值成正比，可以得到

U∝I1∝η1∝Ps∝v0,

(12)

即

U∝v0,

(13)

因此由输出电压信号可还原输入音频信号.

2 实验设计和结果

实验分为以下几个部分(图2和图3所示)：通过调幅电路调制原有声音的频率、搭建利用声

光介质产生衍射的光路、光信号转换成电信号、对电信号的处理(信号的存取以及还原)[3].

调幅电路(乘法器以及放大信号的高速运放)如图4所示[4].

利用调幅电路，把低频电声信号加载到超声电信号上，得到频率不变、振幅随声信号变化的信号，如图5所示，其中黄色表示调制信号，粉色表示调幅后的输出信号.

图2 利用声光效应传输电声信号流程图

图3 声光效应光路示意图

图4 调幅电路示意图(乘法器以及反相放大器)

图5 正弦波形的调制信号与调幅后的信号对比图

选用典型的压电陶瓷换能器，机械效率高，驱动电流小[5]. 声光介质使用去离子水，其对应的声光效应频率为10 MHz，所以载波信号也选用10 MHz. 选用可见红色光半导体激光器发射激光，光电探测器为Thorlabs DET36A型. 光电探测器通过光阑上的小孔接收声光效应衍射得到的一级亮斑. 探测器输出信号要经过减法电路与电压跟随器处理以满足后级输入要求，如图6所示.

图6 减法器以及电压跟随器的电路示意图

除此之外，还需要使用ADC采集传输得到的信号并和原信号进行比较[6]. 在实验中，使用电脑USB连接示波器的串口，利用示波器内置的ADC进行采样，串口传回时间-电压数据，最后使用制图软件获得时间-电压图像. 通过作图或示波器实时显示所得电压-时间图像可以很清晰地反映出原来的声音信号的特征. 实际实验中，测试了多个频率信号的传输，最终测定本实验装置可以高质量传输10 Hz～15 kHz正弦信号.
图7为输入1 kHz正弦波信号时在接收端得到的输出电压信号，采样率为50 MHz.

图7 示波器ADC得到的电压-时间图像(频率1 kHz)

将探测器输出的电声信号通过扬声器重现声音，如图8所示. 电路包含起缓冲作用的电压跟随器和驱动扬声器的功率放大器，功率放大器选用了比较简单的OTL功率放大电路，可以良好驱动阻抗为8 Ω的扬声器[7]. 传输音乐时，扬声器的声音可以被听歌识曲软件识别，人耳也能清晰地辨别音乐.

图8 扬声器驱动电路示意图

3 结束语

通过调幅电路调制电声信号，利用声光效应对激光进行声光调制. 在接收端利用光电探测器检测出射的1级衍射斑光强，输出对应的信号即电声信号. 通过多种回放方式(包括扬声器、线性录音和单片机读取采样电压)，回放得到信噪比较高、频率响应较好的电声信号. 通过人耳倾听和听歌识曲软件的鉴别，都可以轻松地识别出原歌曲，信噪比高，还原效果良好. 如果采用印刷电路与性能更好的换能器和声光晶体，实际传输过程中可以得到更大的通频带宽度，实现更高频率信号的传输.

[1] 徐介平. 声光器件的原理、设计和应用 [M]. 北京：科学出版社，1982.

[2] 马大猷. 现代声学基础 [M]. 北京：科学出版社，2004.

[3] 高晶，张志伟. 声光调制器驱动源电路研究 [J]. 压电与声光，2012,34(6)：825-828.

[4] 康华光. 电子技术基础模拟部分[M]. 5版. 北京：高等教育出版社，2006.

[5] 杨睿智，李熹辰，蔡昊君，等. 声速测定实验中超声换能器的非线性行为 [J]. 物理实验，2017，37(4)：6-10，15.

[6] 李潮锐. 电光调制通信的频谱测量 [J]. 物理实验，2017，37(6)：28-31.

[7] 管善群. 电声技术基础 [M]. 北京：人民邮电出版社，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年度中国科学技术大学校级教学研究项目(No.2015JY02)

杨 宁(1996-)，男，江苏常州人，中国科学技术大学物理学院2014级本科生.

指导教师：陶小平 (1965-)，男，安徽当涂人，中国科学技术大学物理学院副教授，博士，从事物理教学和低温等离子体应用及脉冲功率技术的研究工作．

O426.3;TN912.3

A

1005-4642(2017)12-0038-03

郭 伟]