Предаване на музика чрез светлина

23.01.2018

Наскоро използ­вахме сили­циев слън­чев еле­мент вместо мик­ро­фон, с помо­щта на който полу­чихме детек­тор на треп­тене. «Слушахме» круш­ките, ком­пю­тер­ните мони­тори и теле­ви­зи­он­ните екрани, опре­де­ляйки нали­чи­ето на вредни за здра­вето пул­са­ции на свет­ли­ната.

Като «стра­ни­чен» эфект се забе­ляза спо­соб­но­стта на фото­вол­та­ич­ните клетки да при­е­мат инфор­ма­ци­ята, пре­да­вана чрез свет­лина. Генери­рахме раз­лични честоти, пода­вайки полу­че­ния елек­три­че­ски сигнал към све­то­ди­ода, а с помо­щта на слън­че­вия еле­мент и слу­шалки полу­ча­вахме съо­т­вет­ните звуци. Например, треп­те­нето на све­то­ди­ода с честота 440 Хц (440 пъти в секунда), напълно неза­бе­ле­жимо за окото, през слу­шал­ките звучи като нота «ла» в първа октава.

След като се наиг­рахме с прости елек­тронни мело­дии, ние решихме да про­ве­рим спо­соб­но­стта на такава система да пере­дава «жив» сте­рео­звук с високо каче­ство. За целта съб­рахме най-про­стичка дву­ка­нална схема: по един све­то­диод, рези­стор и кон­ден­за­тор на всеки канал. Решихме да използ­ваме 5-вол­тово захран­ване чрез USB. Получи се пре­об­ра­зу­ва­тел на звуков стерео-сигнал в свет­ли­нен:

За при­ем­ници използ­вахме два слън­чеви еле­мента от стари гра­дин­ски фенери, вклю­ч­вайки ги към слу­шалки за про­слу­шване или към пор­та­ти­вен рекор­дер за зву­ко­за­пис.

Отначало звукът се получи ужасен: тих, хъркащ и абсо­лютно без басове. Но, изпроб­вайки около 100 ком­би­на­ции с раз­лични номи­нали на елек­трон­ните ком­по­ненти, ние успяхме да полу­чим чист и сочен звук, почти нераз­ли­чим от ори­ги­нала. Препоръ­ч­ваме да се слуша с каче­ствени слу­шалки:

Подбор на ком­по­ненти

Яркостта на све­то­ди­о­дите кос­вено влияе на силата на звука. Да се извлече силен звук при използване на обик­но­вени инди­ка­торни све­то­ди­оди не се получи, затова ние пре­ми­на­хме на по-мощ­ните осве­ти­телни све­то­ди­оди.

Хубав звук се получи при работа на све­то­ди­о­дите в диа­па­зон 5÷50% от мак­си­мал­ната им мощ­ност. Колкото по-малък ток им пода­вахме — тол­кова по-силно се забе­ляз­ваха пул­са­ци­ите на свет­ли­ната при ниски честоти, при което нама­ля­ваше и каче­ството на звука. При мак­си­мал­ната мощ­ност звукът ста­ваше плосък. С помо­щта на рези­сто­рите огра­ни­чихме тока, про­ти­чащ през све­то­ди­о­дите, и, съо­т­ветно, ярко­стта им до мини­мал­ното зна­че­ние, при което звукът все още оста­ваше силен и чист.

Конден­за­то­рите ни поз­во­лиха да пус­каме ток от източ­ника на звука към нашето устрой­ство, но да не го пус­каме обратно. Освен това, кон­ден­за­то­рите влияят върху съот­но­ше­ни­ето на нис­ките и висо­ките честоти: при пови­ша­ване на капа­ци­тета басо­вете стават по-мощни.

Подбор на ком­по­нен­тите осъще­ствя­вахме по слух, слу­шайки музи­ката в раз­лични жан­рове през сту­дийни слу­шалки. Спряхме се на такива номи­нали:

При тази кон­фи­гу­ра­ция през всеки све­то­диод пре­ми­нава ток 85 mA при напре­же­ние върху тях около 3 V. Това значи, че фак­ти­че­с­ката мощ­ност на све­то­ди­о­дите е 0.25 W — около 8% от мак­си­мал­ната. В този режим све­то­ди­о­дите не се нагря­ват повече от +50 °C дори в затво­рен корпус, затова решихме да не им сла­гаме ради­а­то­рите, които бяха в ком­плекта.

Цялото устрой­ство кон­су­мира само 0.9 W без вклю­ч­ване към линей­ния изход на ком­пютъра и 0.7 W с вклю­ч­ва­нето към него:

Такава система е устой­чива към външ­ното освет­ле­ние. Даже при ярко слънце звукът се запазва силен и чист. Смущени­ята може да пре­диз­вика само треп­тящ източ­ник на свет­ли­ната.

Истори­ческа справка

Александър Бел, един от осно­во­по­лож­ни­ците на теле­фо­ни­ята и съз­да­тел на спи­са­ни­ето National Geographic, през 1880 година е успял да пере­даде пър­вото теле­фонно съоб­ще­ние без кабел. Той е използ­вал за това отра­зена слън­чева свет­лина, моду­ли­рана чрез глас. Бел нарекъл изоб­ре­те­ни­ето си «Фотофон», и го е считал за най-важ­ното дости­же­ние в живота си. Той даже е искал да кръсти така вто­рата си дъщеря, но съпру­гата не му е раз­ре­шила. Наложи се да я кръ­стят Мериан.

Днес тех­но­ло­ги­ята за пре­да­ване на данни с помо­щта на свет­ли­ната се нарича VLC (Visible Light Communication). Тя е напълно неза­бе­ле­жима за очите, и поз­во­лява да се пере­дава инфор­ма­ция със ско­рост до 10 Гбит/сек и повече. Една от раз­но­вид­но­стите на VLC е Li-Fi (Light Fidelity) — свет­линен аналог на Wi-Fi.