CC BY
29
Карпович Э.В. Моделирование лазерной передачи аудиосигналов при обучении теплофизике в аграрных вузах // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2016. - Спецвыпуск №2. - URL http://e-journal.omgau.ru/index.php/spetsvypusk-2/31-spets02/414-00163. - ISSN 2413-4066
УДК 621.375.8
Карпович Эдуард Владимирович
Кандидат технических наук, доцент
ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина», г.Орёл
Моделирование лазерной передачи аудиосигналов при обучении теплофизике
в аграрных вузах
Аннотация. В статье описана разработанная и изготовленная на основе бытовой аналоговой техники экспериментальная модель для передачи аудиосигналов на расстояние при помощи лазера. Рассмотрены схема, принципы функционирования данной установки и приведены её основные технические характеристики. Обозначены области применения созданного технического устройства и описаны перспективы его использования, в частности, в аграрном секторе.
Ключевые слова: моделирование, лазер, конструкция, фотоэлемент, аудиосигнал, модернизация, производство, аграрный сектор, научные исследования, высшее образование.
В середине 1960-х годов началось развитие полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих кремниевых фотоприемников, а к началу 1970-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, успешно дополняющую традиционную микроэлектронику._
АТМОСФЕРНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИИ СВЯЗИ I
■ скорость передачи данных 4x2,048; 10+2,048; 100; 2x100 Мбит/с
Iавтотрекинглуча ^высокая скрытность
защищенность \ горячее резервирование
шг
Рис.1. Российская разработка АОЛС.
(ш
Я
- ы
Рис.2. Космические линии лазерной связи.
В последнее время оптроны нашли применение в одном из способов организации лазерной связи, предпочтительной, когда дело касается организации беспроводных мостов «точка-точка» на дальность до 1200 метров. Этот вид связи называют Атмосферной Оптической Линией Связи (АОЛС). При этом стоит упомянуть, что конструкции лазеров очень разнообразны, вплоть до лазеров с матрицами-радиаторами [1,2], которые могут быть востребованы при конструировании АОЛС. Разработкой АОЛС занимаются несколько десятков предприятий во многих странах мира. В нашей стране наиболее масштабные работы в области открытых систем оптической связи (рис.1) ведутся во ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения». Наиболее перспективны космические линии связи (рис.2) с дальностью действия до 46 тыс. км и скоростью передачи информации до 600 Мбит/с. АОЛС автоматически поддерживает заданные характеристики лазерного канала благодаря автоматическому повышению чувствительности приёмника при ухудшении погодных условий (например, при плотном тумане, дожде или снеге) и наращиванию мощности передатчика, что очень важно при эксплуатации в аграрном секторе.
АОЛС заняли определённую нишу среди различных видов связи. Поэтому параллельно с изучением устройства и принципов функционирования лазеров и полупроводников полезно осуществлять моделирование различных схем. Простота конструкции модели АОЛС отражена на рис.3. В этой статье описана созданная на основе бытовой аналоговой техники модель (рис.4) для передачи аудиосигналов при помощи полупроводникового лазера [3].
Передающее устройство Принимающее устройство
Микрофон СВ 68
я
Динамик
Лазер
П
Солнечная батарея
7
3
Устройсво демодуляции ТХ2101 8Р13И
Рис.3. Принципиальная схема модели АОЛС.
Рис.4. Общий вид модели АОЛС: 1 - микрофон, 2 - лазер, 3 - солнечная батарея, 4 - аудиоплеер.
Элементную основу промышленных АОЛС составляют фотоприёмники, излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем техническим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надёжность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость.
Излучатель. В выполненной модели АОЛС в качестве излучателя используется компактный маломощный бытовой полупроводниковый лазер с длиной волны X = 0,63 мкм. При токе 40 мА требуемое напряжение для его успешного функционирования должно быть равно 6 В. Оно обеспечивается использованием в нашей схеме 4 батарей типа «АА».
Среда распространения. Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику. В представленной модели АОЛС средой распространения оптического сигнала служит атмосферный воздух.
Фотоприёмник. В фотоприёмнике происходит «восстановление» информационного сигнала из оптического в электрический. В выполненном техническом устройстве в качестве фотоприёмника использована стандартная кремниевая солнечная батарея, основные характеристики которой следующие: напряжение U = 3 В и ток I = 0,07 мА. Коэффициент полезного действия данной кремниевой солнечной батареи - 15%. Достоинства солнечной батареи - её простота, надёжность и долговечность, малые масса и габариты, преобразование энергии без загрязнения окружающей среды.
Демодулятор. В качестве узла демодуляции сигнала в нашей модели АОЛС используется стандартный элемент обычного серийного бытового аудиоплеера - магнитная головка марки ТХ2101 8Б13И. Контактные выводы фотоприёмника - солнечной батареи - припаиваются к контактам магнитной головки аудиоплеера.
Аудиосистема принимающего устройства. Аудиосигнал может быть воспроизведён как встроенным в принимающее устройство - аудиоплеер - динамиком, так и подключённой к нему внешней аудиосистемой, например, головными телефонами или звуковыми колонками. Так как встроенная аудиосистема имеется, то наличие дополнительных аудиоустройств не обязательно.
Основным назначением любой модели подавляющего большинства технических устройств является удешевление проводимых экспериментов для выявления возможностей улучшения реальной дорогостоящей конструкции. С помощью модели АОЛС можно искать пути модернизации, как самой конструкции в целом, так и всех отдельных её элементов без изготовления более дорогих натурных прототипов. Можно опробовать дешёвые модельные улучшения лазеров, фотоэлектрических элементов, выявляя при этом качественный рост функциональности всей конструкции и целесообразность внедрения этих улучшений в промышленные образцы. Можно моделировать и исследовать различные ситуации случайных изменений оптической среды, причём, разных по величине масштабов по отношению к расстоянию между передатчиком и приёмником, что особенно важно в сельской местности. С помощью модели можно проводить без особых материальных затрат любые научные исследования в предметной области, изучать и исключать пути возможного несанкционированного доступа к информации. Кроме того, саму модель можно использовать как готовую линию лазерной связи в сельских поселениях и на небольших предприятиях.
В вузах в курсах теплофизики, общей физики, физических основ электроники, квантовой и оптической электроники важно уделять время изучению возможностей лазеров для передачи аудиосигналов. Совершенствование материально-технической базы учебного процесса становится важной задачей при глобальной реорганизации российского образования. Для демонстраций на лекционных занятиях можно с успехом применять модель лазерной передачи аудиосигналов [4,5]. Описаний аналогов подобных экспериментальных установок для учебного процесса автор не встречал ни в научных журналах, ни в сети Internet.
При безусловной эффектности эксперимента, демонстрируемого с помощью разработанной модели АОЛС, которую автор неоднократно наблюдал в своей профессиональной деятельности, нельзя не отметить ничтожно низкую себестоимость данного технического
устройства. В настоящее время техника повсеместно цифровая. Отжившие свой век и теперь довольно часто абсолютно не востребованные аналоговые приборы вместо утилизации практически бесплатно обретают вторую жизнь. Учитывая, что для оснащения лабораторий в вузах новым экспериментальным оборудованием нужны миллионы рублей, нетрудно подсчитать экономический эффект от научной работы с вдыханием второй жизни в отжившие свой век приборы и применения их в образовательном процессе.
Ссылки на источники:
1. Карпович Э.В. Эпоксиполимерная матрица-радиатор как активный элемент твердотельного лазера на органических красителях // Главный механик.- 2014.- №7.- С.44-46.
2. Деулин Б.И., Карпович Э.В. Твердотельный лазер на органических красителях с эпоксипо-лимерной матрицей-радиатором // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении».- 2013.- Т.10.-№20(123).- С.103-105.
3. Карпович Э.В. Модель атмосферной оптической линии связи / Э.В. Карпович, Д.В. Волков, Е.В. Рязанцев // Удостоверение на рационализаторское предложение № 1542 от 07.06.2007.- Орёл: Академия ФСО России, 2007.- 9 стр.: ил.
4. Карпович Э.В. Демонстрация лазерной передачи аудиосигналов в курсе физики // Тезисы докладов научно-методической школы-семинара по проблеме «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭС» - Москва: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2008.- С.176-178.
5. Карпович Э.В. Моделирование лазерной передачи аудиосигналов // Главный механик.-2016.- №1.- С.42-48.
Eduard Karpovich
Candidate Of Technical Sciences, Associate Professor
FSBEI HE «Orel state agricultural university n.a. N.V. Parahin», Orel.
Modeling Laser Transmission Of Audio Signals When Teaching Thermal Physics In The Agricultural Universities
Abstract. The article described is designed and manufactured on the basis of domestic analogue techniques experimental model for audio signals to a distance by means of a laser. The scheme, the principles of operation of this installation and shows its main specifications. Designated areas of application are created and describes the prospects of its use, particularly in the agricultural sector.
Keywords: modeling, laser design, photocell, audio, modernization, manufacturing, agriculture, research, higher education.
