可见光传声机系统的设计

亓振宇

摘 要：本文介绍了利用可见光发射接收器件制作一个无线传声机的基本方法，光耦合作为传话途径。主要内容包括系统设计、系统需硬件、系统电路设计及调试方法。电路简单，能利用LED（发光二极管）发出的可见光传递声音信息，使LED（发光二极管）在照明的同时进行声音的传输。

关键词：声音；可见光；传声

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.121

0 引言

众所周知，光是一种电磁波，能传递信息和能量，可以在真空中传播，但不能在金属中传播；声是一种波，和电磁波一样他也能传递信息和能量，可以在固、液、气三态中传播，但不能在真空中传播。如果声和光能互相转换，可以克服他们的缺点，充分发挥优点。

LED具有高亮度、低功耗、灵敏度高、调制特点好等优点，利用这些特性可以实现在照明的同时，把声音信号调制到LED光中进行传输。实现利用可见光为声音载体，在空气中直接传送光信号的方式，即可见光传声。

1 系统设计

系统整体组成：发声设备----光信号发射器------光信号接收器-------声音放大设备。

发声设备：指能直接发出声音的设备，如：收音机、手机、MP3等。

光信号发射器：把声音信号转变成可见光的变化，主要由声音信号接收装置（耳机） 和声音信号转化成光信号电路（LED、电源、电阻等）组成。

光信号接收器：把光的变化转变成电信号的变化，主要由光电转换电路组成（光电转换器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管）。

声音放大设备：把光信号接收器接收的声音电信号放大传递出来，主要用已有的能放大声音的设备（收音机、收录机、手机等）。

2 系统所需硬件

发声设备（手机、电脑、简易助听器、收音机等）。

声音放大设备（手机、电脑、简易助听器、收音机等）。

LED（發光二极管）。

电感线圈（可用小型变压器的原线圈，其直流电阻很小）。

光电池（光敏电阻、光敏三极管）导线若干。

耳机插头。

电源（光信号发射器可用LED照明设备上的电源；光信号接收器可用声音放大设备上的电源，也可单独接电源）。

3 系统电路设计

发声设备和声音放大设备采用的是已有的电子设备，整个系统只需自己设计光信号发射器和光信号接收器电路。

（1）光信号发射器电路设计。设计思路是利用正在使用的LED照明电路，把声音信号接入，使LED发出的光亮度随声音变化而变化。

将LED照明电路中串一电感线圈，电感线圈的作用：①滤波：其目的可以滤掉电源中的交流部分，使电源电压更加稳定，防止电源中的交流信号干扰声音信号；②通直流阻交流：LED照明电路为直流电路，所以不影响电路正常发光。在线圈两端引出两根导线与一耳机插头相连，将耳机插头插入发声设备耳机插孔中，当发声设备发出声音时，放大的声音电信号引入光信号发射器电路，由于线圈对交流声音信号有较大的阻碍作用，因此信号电流将从发光二极管、限流电阻和电池这一路通过，这样发光二极管在原有直流电流的基础上，又通过了与声音信号对应的交流电流，因此它的亮度随声音信号而改变。

（2）光信号接收电路设计：（可用光电池，也可用光敏三极管、光敏二极管作为光电转换元件）。

硅光电池光信号接收器。

硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件，受到光照时产生电动势。

图1为硅光电池光信号接收器电路，将硅光电池（小型太阳能电池）的两极接入声音放大设备（收音机、手机等）拾音器插孔中，这样当光电池接收到带有声音信息的光信号后，光电池两端电压就会随之改变，通过声音放大设备进行声音放大，最后推动扬声器发出声音。

光敏二极管光信号接收器。

光敏二极管又叫光电二极管（英语：photodiode ）是一种能够将光转换成电流或者电压信号的光探测器，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性，因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏二极管的输出特性线性度好，响应时间快。

光敏二极管的选择：光敏二极管的种类很多，而且参数相差较大，根据电路的要求，应选择对可见光灵敏度高的，例如BS120型号的。

光敏三极管光信号接收器。

光敏三极管又称光电三极管，和普通三极管相似，可以等效的看作是由一个光敏二极管和一只半导体三极管结合而成，因此光敏三极管不但具备光敏二极管的光电转换特性，同时也有电流放大作用，故灵敏度高。但光敏晶体管输出特性线性度差。

4 系统调试

将电路接好后，调节LED灯的位置，使光线聚焦于光电转换元件（光电池，光敏三极管、光敏二极管）的接收面上，如果在LED灯前放一个聚光镜聚光效果更好。打开发声设备，可以看到发光二极管有微弱的闪烁现象，打开声音放大设备开关，从扬声器中可听到相同的声音。如果此时用手截断光线，使光不能照射在光电转换元件上，扬声器中的声音也会消失；将手移开，又可以听到声音。通过对三种光接收电路调试，从结果看光敏三极管接收器实现光电传声时声音最大，但失真大；光电池、光敏二极管实现光电传声音时声音小，但失真小。

5 结束语

本文给出了一种可行的LED可见光声音传输系统的设计方案，实现了直接将声音信号转化为光信号的强度变化进行传输，系统成本低，易实现。该系统虽然还存在着传输距离短，传输角度小等缺点，但为提升光电传声的实用性提供了一种可行性方案。

参考文献：

[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2002：79-81.

[2]张晨亮，苏学军，王文等.基于白光LED的可见光通信系统研究[J].光通信技术，2015（05）：44-46.