Hören mit Licht

Hören mit Licht
Bau einer Laserabhöranlage
Max Burggraf;Gymnasium Tutzing
FACH PHYSIK
Jugend forscht 2009
Kurzfassung:
Ziel meines Projektes ist eine Laserabhöranlage für Gespräche hinter einer Fensterscheibe. Die Schallwellen, die ein
Schallerzeuger dahinter verursacht, regen die Scheibe zum Schwingen an. Diese Schwingungen werden detektiert, verstärkt und wieder in Töne umgesetzt. Dazu habe ich zwei verschiedene Versuchsprinzipien ausprobiert und miteinander
verglichen: 1) Die Reflexion eines Laserstrahles an der schwingenden Scheibe und 2) Interferenzen, die durch die
schwingende Scheibe mit dem Prinzip eines Michelson Interferometers entstehen. Mit geeigneten Empfängern und Verstärkern gelang es, mit beiden Prinzipien Töne im Laborversuch an Glasscheiben abzuhören.
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
Seite 1
A INHALTSVERZEICHNIS
A
B
C
INHALTSVERZEICHNIS ........................................................................................................................ 1
EINLEITUNG ........................................................................................................................................... 1
EXPERIMENTE ....................................................................................................................................... 2
1 Allgemeine Vorversuche ....................................................................................................................... 2
1.1
Ziele der Experimente ................................................................................................................... 2
1.2
Verschiedene Empfänger ............................................................................................................... 2
1.3
Verschiedene Verstärker................................................................................................................ 2
2 Ablenkung an der Scheibe – An/Aus Signal ......................................................................................... 3
2.1
Prinzip............................................................................................................................................ 3
2.2
Vorversuche An-/Aussignal: Lochscheibe .................................................................................... 3
2.3
Ablenken eines Laserstrahls an einer bewegten „Fenster“-Scheibe .............................................. 5
3 Interferometer – Veränderung der Helligkeit ........................................................................................ 9
3.1
Vorversuch: Amplitudenmodulation ............................................................................................. 9
3.2
Laserabhöranlage mit Hilfe eines Michelson Interferometers ..................................................... 12
D DISKUSSION ......................................................................................................................................... 14
E DANK ..................................................................................................................................................... 15
F QUELLEN............................................................................................................................................... 15
G ANHANG ................................................................................................................................................... I
Teileliste ......................................................................................................................................................... I
Abbildung zur Zeitverzögerung...................................................................................................................... I
Schaltpläne .................................................................................................................................................... II
Programm .................................................................................................................................................... III
Diagramme .................................................................................................................................................. IV
B EINLEITUNG
Auf die Idee zu meiner Arbeit „Hören durch Licht“, in der ich eine Laserabhöranlage bauen wollte, kam ich,
als ich eines Tages vor dem Fernseher saß und mir einen James Bond-Film anschaute. Ich wollte es Q, den
Sie vielleicht auch kennen, dem genialen Erfinder der meisten 007-Filme, nachmachen. Mein Ziel war es,
wenn möglich, eine solche Abhörtechnik, ein „Laser-Mikrofon“, selbst zu bauen. Die Personen, die abgehört
werden sollen, müssen sich dabei in einem Raum hinter einem Fenster befinden, sonst kann mein Mikrophon
nicht funktionieren. Es sollte nämlich die Schwingungen der Scheibe die durch Geräusche oder Gespräche,
also Schallwellen entstehen, hörbar machen. Im Internet fand ich einige Beschreibungen zu solchen Lasermikrofonen: z. B: bei www.de.wikipedia.org/wiki/lasermikrofon (02.05.2008) oder bei http://www.members.
aol.com./glykophy/int-mik.htm (02.05.2008). Im 007-James Bond Shop kann man derartige Lasermikrofone
sogar für viel Geld (ca. 14.000 €) kaufen (http://www.007shop.de/Audioueberwachung /Lasermikrofon.html;
08.01.2009).
Auf der Webseite der Williamson Labs sind verschiedene Prinzipien eines Lasermikrofons dargestellt
(http://williamson-labs.com/laser-mic.htm; 02.05.2008). Um auszuprobieren, ob es auch mir gelingt ein Lasermikrofon zu bauen, testete ich zwei dieser Möglichkeiten.
1)
2)
Die wahrscheinlich einfachste Methode ist eine Reflexion des Laserstrahls an einer schwingenden Fensterscheibe. Diese Schwingungen werden durch Schallwellen eines Gesprächs hinter der Scheibe verursacht. Dadurch verändert sich die Position des reflektierten Laserstrahles. „Dies entspricht im zeitlichen
Verlauf etwa dem zeitlichen Verlauf des Schalls, der auf beiden Seiten der Fensterscheibe verläuft, so
auch etwa des Schalls der durch Sprache in dem Raum erzeugt wird, zu dem das Fenster gehört“
(www.de.wikipedia.org/wiki/lasermikrofon; 08.01.2009).
Ein technisch aufwendigeres Lasermikrofon benutzt das Prinzip der Michelson-Interferenz. Hierbei
wird der Laserstrahl durch Teilreflexion aufgespalten und nur einer der beiden Strahlen zur schwingenden Fensterscheibe geschickt. Dieser wird reflektiert und gelangt wieder zurück. Die beiden Strahlen
werden dann überlagert. Dabei kommt es zur Interferenz, deren Änderung den Schwingungen der
Scheibe entspricht und mit einem Empfänger-Verstärker System hörbar gemacht werden kann.
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
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C EXPERIMENTE
1
Allgemeine Vorversuche
1.1
Ziele der Experimente
Zu Beginn meines Projektes habe ich verschiedene Verstärker, Sender und Empfänger gebaut und versucht,
jeweils die sensibelsten und genauesten zu finden. Die Erfolgreichsten habe ich für meine weiteren Versuche
verwendet. Die Schaltpläne, nach denen ich meine Geräte gebaut habe, fand ich im Internet (www.physikdidaktik.uni-bayreuth.de; 11.06.2008) und in der Anleitung des Kosmos XN2000 Elektronikkastens (siehe
Quellen).
1.2
Verschiedene Empfänger
Es sollten Lichtwellen detektiert werden, also muss es sich beim Empfänger um lichtempfindliche Sensoren
handeln. Folgende Empfänger wurden getestet und nach den Schaltplänen (siehe Anhang) gelötet:
1.
Einen lichtempfindlichen Widerstand FW300: Je mehr Licht auf den lichtempfindlichen Widerstand
fällt, desto geringer wird der Widerstand. Er benötigt eine Stromquelle, um zu funktionieren.
2.
Die Fotodiode BPW 34 von Osram: Eine Fotodiode wirkt wie eine
Solarzelle. Fallen Lichtwellen auf die Fotodiode, bzw. Solarzelle,
erzeugt diese Strom, deshalb ist in diesem Empfänger keine Batterie
erforderlich. Mehrere Fotodioden sollten mehr Licht „auffangen“
können. Also habe ich eine Platine gelötet mit einer, zwei und vier
Fotodioden. Mit einem Drehschalter konnte ich zwischen den verschiedenen Empfängern umschalten (siehe Abbildung 1). Diesen
Aufbau verwendete ich auch später bei der zweiten Laserabhöranlage.
1.3
Abbildung 1
Verschiedene Verstärker
Da die Ausgangsspannung der Empfänger zu klein war (max. 50mV), wurde ein Verstärker benötigt, um die
Ausgangsspannung zu erhöhen, bevor sie an einen 8 Ω Lautsprecher angelegt werden konnte. Ich testete verschiedene Verstärkertypen:
1.3.1 NF-Verstärker TBA 820 M
Den Schaltplan für diesen Niederfrequenzverstärker fand ich im Anleitungsheft des Kosmos Elektronikkastens XN2000 (S.72/73). Er funktioniert mit dem Verstärker-IC-Chip TBA 820 M. Die maximale Verstärkerleistung liegt bei 2 Watt (Abbildung 2 und Abbildung 3).
Abbildung 2: Niederfrequenzverstärker mit dem IC-Chip
TBA 820 M. Mit dem Potentiometer stellt man die Verstärkerleistung ein.
Abbildung 3: Schaltplan des NF-Verstärkers mit TBA 820 M (gezeichnet mit Target 3001, siehe Quellen).
1.3.2 NF-Verstärker LM 386 (www.physikdidaktik.uni-bayreuth.de/ Versuch 23; S. 162)
Dieser Verstärker verwendet einen anderen Verstärkerchip, den LM 386. Seine maximale Verstärkerleistung
beträgt 1 Watt. Er hat sich allerdings als nicht leistungsfähig genug erwiesen. Der Schaltplan befindet sich
im Anhang.
1.3.3 NF-Verstärker TBA 820 M als Vorverstärker mit KEMO-Verstärker
Dieser Verstärkeraufbau besteht aus der Kombination von zwei Verstärkern: dem NF-Verstärker mit dem
TBA 820 M (siehe 1.3.1) und einem KEMO-18W-Verstärker, den ich gekauft habe. In meinem Aufbau habe
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ich noch einen Drehschalter eingebaut (Abbildung 4 und Abbildung 5), mit welchem man zwischen dem
Einsatz entweder des NF-Verstärker alleine oder beider Verstärker zusammen umschalten kann.
Abbildung 4: Niederfrequenzverstärker mit dem IC-Chip TBA 820 M. Mit dem
Potentiometer stellt man die Verstärkerleistung ein.
Abbildung 5: KEMO Verstärker mit
Umschaltpult von vorne und hinten.
2
Ablenkung an der Scheibe – An/Aus Signal
2.1
Prinzip
Ein Laserstrahl wird auf die Scheibe gelenkt und von dort reflektiert. In der Ruheposition, d.h. wenn die
Scheibe nicht schwingt, sollte der reflektierte Strahl genau auf einen Empfänger bzw. Fotodiode treffen. Reden hinter der Scheibe Personen, oder es werden z.B. durch Musik andere Schallwellen erzeugt, fängt das
Fenster an minimal zu schwingen. Das heißt, die Position der Scheibe verändert sich ein kleines bisschen. Es
ist auch denkbar, dass die Fensterscheibe sich durch die Schallwellen ein klein wenig biegt, und sich so der
Reflexionswinkel verändert. Der Laserstrahl wird von der neuen Position gespiegelt, also trifft der reflektierte Strahl an einer anderen Stelle oder nicht mehr auf den Empfänger (siehe Abbildung 6). Es entsteht dabei
ein Signal, das einem An-/Aussignal ähnelt; dieses entspricht genau den Schwingungen der Scheibe. Der
Empfänger kann es in ein Spannnungsmuster umwandeln, siehe Experiment mit der Lochscheibe.
A
B
Abbildung 6: Prinzip der Laserabhöranlage durch Reflektion des Laserlichts an einer schwingenden Scheibe.
A: Es wird der Weg des Laserlichts gezeigt, wenn die Scheibe im Ruhezustand ist, also nicht schwingt.
B:Durch Schallwellen hinter der Scheibe verändert sich die Lage, der reflektierte Laserstrahl schwingt über den Empfänger. Die Zeichnung rechts zeigt, wo der Laserstrahl bei schwingender Scheibe auftrifft. Darüber sieht man das Ausgangssignal des Empfängers.
2.2
Vorversuche An-/Aussignal: Lochscheibe
2.2.1 Ziel des Experiments
Ich wollte testen, ob ich einen Ton erzeugen kann, indem ich eine Fotodiode mit einer schnellen, gleichmäßigen Folge von Lichtsignalen beleuchtete. Die Idee war, die Diode 660-mal in der Sekunde, das heißt mit
einer Frequenz von 660 Hz, zu beleuchten. Dabei sollte der Ton „E2“ zu hören sein.
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2.2.2 Vorgehen
Um ein An-/Aussignal aus Licht von 660 Hz zu erhalten, baute ich eine sich drehende Lochscheibe. Den Laserstrahl stellte ich so ein, dass er immer durch die Löcher leuchtete. Dreht sich die Scheibe mit einer bestimmten Geschwindigkeit, kann man Lichtsignale von 660 Hz erreichen (siehe Abbildung 9).
2.2.3 Bau des Geräts
Als erstes baute ich eine Drehscheibe, bei der ich die Drehgeschwindigkeit bestimmen konnte. Dazu habe ich
Fischertechnik und ein selbstgeschriebenes RoboPro Programm (siehe Anhang) verwendet.
Abbildung 7: Lochscheibe
Der Motor trieb eine Welle mit einem möglichst großen
Zahnrad an (40 Zähne), das wiederum ein anderes, möglichst kleines Zahnrad antrieb (10 Zähne). So erhielt ich
eine Übersetzung, mit der ich die Lochscheibe mit einer
hohen Geschwindigkeit drehen lassen konnte. An der Welle, die vom Motor angetrieben wurde, befestigte ich ein
Nockenrad mit vier Nocken. Es betätigte bei jeder Viertel
Umdrehung einmal den Tastschalter (Abbildung 7). Ein
Computerbaustein (ROBO Interface, Fischertechnik) steuerte den Motor an und überprüfte den Taster (Abbildung
7). Aus diesen Impulsen berechnete mein Programm die
Anzahl der Tastungen pro Zeiteinheit und die Umdrehungen pro Sekunde. Daraus berechnete ich die erforderliche
Anzahl der Löcher in der Scheibe um Lichtblitze der Frequenz von ca. 660 Hz zu erhalten. Diese bohrte ich in eine
Plastikscheibe (siehe Abbildung 7).
2.2.4 Durchführung und Versuchsaufbau
Der Laser leuchtete durch die Löcher der sich drehenden Scheibe auf die Empfängerdiode. Der Laserstrahl
wird dabei jeweils für die Zeit, die von der Scheibe benötigt wird, um sich von einem Loch zu dem nächsten
zu drehen, unterbrochen. So detektierte die Fotodiode in schnellem Wechsel so etwas wie ein An/Aus LichtSignal. Dieses wurde von meinem NF-Verstärker verstärkt. Von dort aus wurde das Spannungssignal entweder an einen Lautsprecher, der den durch meine Lochscheibe entstehenden Ton wiedergab, oder in den
LineIn der Soundkarte meines Laptops weitergegeben (siehe Abbildung 8). Mit dem Programm „Zelscope
evaluation version“ (www.Zelscope. com) konnte ich die Wellen des Tones sichtbar machen und auch die
Frequenz messen. Um diese
Messwerte zu überprüfen, habe ich
zur Bestimmung des Tones zusätzlich das Stimmgerät meiner Gitarre verwendet. Anschließend verglich ich die Messergebnisse mit
den theoretischen Werten, die
mein Programm ausgehend von
der Drehgeschwindigkeit berechAbbildung 8: Skizze zum Versuchsaufbau des Experiments „Lochscheibe“.
net hatte.
2.2.5 Ergebnisse
Mit diesem Versuchsaufbau konnte ich mit Lichtsignalen einen (einigermaßen) gleichmäßigen Ton erzeugen. Der Ton hatte eine Frequenz von ca. 660 Hz, es handelte sich also um ein hohes „E“. Dies wurde sowohl mit dem Gitarrenstimmgerät als auch mit dem Oszilloskop gemessen (siehe Abbildung 9). Dieser Wert
stimmte mit dem berechneten Wert aus der Drehgeschwindigkeit aus dem RoboPro Programm gut überein
(siehe Abbildung 10).
Damit habe ich gezeigt, dass die
Idee die Laserabhöranlage nach
dem Prinzip des abgelenkten Laserstrahls an einer schwingenden
Scheibe funktionieren kann.
Abbildung 9: Anzeige des Tons der durch
das An/Aus des Lichtsignals an der Lochscheibe entstand.
Abbildung 10: Anzeige des RoboPro
Programms mit der aus der Drehzahl
theoretisch berechneten Frequenz
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
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2.2.6 Aufgetretene Probleme
Die Frequenzen, die mein Fischer Technik Programm berechneten, waren ungenau, da das Programm nur
mit Integer-Zahlen, das heißt nur mit ganzen Zahlen, rechnen konnte. Demnach musste oft gerundet werden
und das führte dazu, dass die Ergebnisse sich nur in Sprüngen von 32 verändert haben. Daher waren die berechneten Zahlen ungenau.
Die „Zacken“ in dem Oszilloskop Bild entstehen vermutlich durch die etwas ungleichmäßigen Löcher in
meiner Scheibe und eine leichte Unwucht beim Drehen.
2.3
Ablenken eines Laserstrahls an einer bewegten „Fenster“-Scheibe
2.3.1 Ziel des Experiments
Im Vorversuch der sich drehenden Lochscheibe hatte ich gezeigt, dass das Prinzip der Tonübertragung per
Laserreflexion an einer Fensterscheibe funktionieren kann. Jetzt wollte ich versuchen die Schwingungen einer Fensterscheibe, die durch Geräusche hinter dem Fenster erzeugt wurden, in Tonsignale umzuwandeln.
2.3.2 Versuchsaufbau
Als erstes habe ich die Scheibe aufgestellt. Dahinter stellte ich eine Lautsprecherbox die mit meinem Mp3Player verbunden war. 75cm davon entfernt postierte ich den Laser und daneben den Empfänger mit der Fotodiode. An die Fotodiode stöpselte ich den NF-Verstärker mit dem TBA 820 M und den KEMO Verstärker.
Am Ausgang dieses Verstärkeraufbaus wurde ein 8Ω Lautsprecher angeschlossen. Um die Musikübertragung messen zu können, schloss ich sowohl den Mp3-Player, also die Ursprungsmusik, und auch den Verstärker, also das übertragene Signal, an den LineIn Eingang meines Computers (siehe Abbildung 11). Damit
beide Signale von der Soundkarte aufgezeichnet werden konnten wurden sie über ein selbstgelötetes Interface miteinander gekoppelt (siehe meine Jufo Arbeit 2008; Schaltplan siehe Anhang). So konnte ich mit Hilfe des Zwei-Kanal Oszilloskops (Zelscope) beide Kanäle gleichzeitig aufzeichnen und miteinander vergleichen.
A
B
Abbildung 11: Hier sieht man den Aufbau der Laserabhöranlage als Skizze und als Foto.
2.3.3 Durchführung allgemein
Ich testete meinen Aufbau des Laserabhörgeräts mit verschiedenen Parametern:
1)
2)
3)
Verschiedene „Fensterscheiben“: Zellophanfolie, Spiegel und Glas.
Verschiedene Laser: roter Laser (633 nm) und grüner Laser (532 nm).
Verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Übertragungsqualität.
2.3.4 Ergebnisse
Bei diesen Versuchen habe ich verschiedene Scheiben, verschiedene Musikstücke, verschiedene Laser und
verschieden viele Empfänger-Dioden getestet.
Als Musikstücke verwendete ich: a) bubble (Klingelton eines Motorola Razr V3 Handys) b) Anfang des Liedes Machine Gun, Portishead 3 c) Monsterparty, Die Ärzte, Rock’n Roll Realschule d) Give A Little Bit,
Supertramp, crises what crises und e) Sprache aus dem Hörbuch „Löcher“ von Louis Sacher. In Abbildung
12 sind die Tonspuren der Lieder zu sehen.
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
Bubble, Handyton
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machine gun
Monsterparty
give a little bit
gesprochener Text
Abbildung 12: Tonspuren der Musikstücke; aufgenommen mit dem Oszilloskop über den LineIn Eingang des Computers.
Ich konnte mit zwei verschiedenen Musikstücken zeigen, dass meine Laserabhöranlage an einer
Zellophanscheibe mit einer Fotodiode als Empfänger und dem grünen Laser funktioniert. Allerdings war ein
Störgeräusch festzustellen. Die Ausgangsmusik wurde mit dem übertragenen Signal nicht exakt abgebildet.
Dies bedeutet, dass die Qualität der übertragenen Musik nicht besonders gut war (siehe Abbildung 13).
A
B
Abbildung 13: In A sieht man oben die Tonspur des Handytons “bubble“, unten die des dazugehörigen, übertragenen Signals. Unter B kann man oben die Aufzeichnung des Liedes „give a little bit“ und darunter das Ausgangssignals des Empfängers, bei demselben Lied, sehen. Aufgenommen mit einem Zwei-Kanal-Oszilloskop über den LineIn Eingang des Computers.
Deswegen überlegte ich mir, mehrere Dioden zu verwenden um die Qualität zu steigern. Mit vier Fotodioden
wurden folgende Ergebnisse erzielt (Abbildung 14).
Es wurde eine bessere Qualität erzielt; das kommt daher, dass mehr
Licht von den Fotodioden detektiert werden konnte. Mehr Einzelheiten der Musik wurden übertragen, das konnte ich auch sehr gut
in der Ausgabe des Oszilloskop-Programms sehen. Aus demselben
Grund war die Spannung höher, und somit die übertragene Musik
lauter.
Das Störrauschen, das bei allen Versuchen vorhanden war, änderte
im Gegensatz zu dem Musiksignal seine Intensität nicht.
Abbildung 14: Signale des Oszilloskops über
den LineIn Eingang des Computers
Dabei stellte ich fest, dass das empfangene Signal mit einer Zeitverzögerung von 2,71 Millisekunden eintraf. Das war darauf zurückzuführen, dass der Schall von dem Lautsprecher ein kleines bisschen Zeit brauchte um bei der Scheibe
anzugelangen (siehe Anhang).
2.3.5 Verschiedene Scheiben, Töne und Laser
Außerdem testete ich unter welchen Bedingungen meine Laserabhöranlage auch an „echten“ Glasscheiben
funktionieren kann. Dazu verglich ich die Modellscheibe aus Zellophan mit einem Spiegelglas (250 x 250 x
2 mm) und einer Glasscheibe (250 x 300 x 2 mm). Es wurde dabei jeweils der synthetische Handyton, ein
Musikstück und Sprache übertragen. Als Laser setzte ich den roten Laser, den grünen Laser mit und ohne
Verstärkung der Laserleistung ein. Als Empfänger benutzte ich eine und vier Fotodioden und den TBA Verstärker.
2.3.6 Ergebnisse
Bei der Ablenkung an einer Zellophanscheibe funktionierte die Laserabhöranlage am besten. Die übertragenen Töne waren am lautesten mit dem grünen, hellen Laser. Die Übertragungsleistung mit dem normalen,
grünen Laser unterschied sich dabei kaum von dem des roten Lasers. Am genauesten ließ sich der synthetische Handyton übertragen, da er nur aus ein paar einfachen Tonfolgen besteht. Mit der Musik und dem Hörbuch konnte man auch sehr gute Ergebnisse erzielen. Die übertragenen Signale waren sehr gut zu verstehen,
aber es hörte sich blechern an. Die erzielten Ergebnisse waren hier so gut, dass ich den Versuch nicht mehr
mit vier Dioden durchführte.
Überträgt man Sprache an einem Glas-Spiegel auf eine Diode, so waren die übertragenen Signale zu
schwach. Man konnte zwar verstehen, dass gesprochen wird, aber keinen Inhalt. Auch hier zeigte der helle
grüne Laser das beste Ergebnis. Das Experiment, die Musik durch eine Fensterglasscheibe zu übertragen,
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funktionierte mit diesem Versuchsaufbau gar nicht. Obwohl auf dem Oszilloskop ein genaues Signal der
übertragenen Töne dargestellt werden konnte, konnte man trotzdem nichts hören.
Verwendet man vier Dioden zur Detektion wurden die Signale genauer, präziser und übertrugen mehr Einzelheiten. Auch hier erzielte man mit dem hellen, grünen Laser die besseren Ergebnisse. Das „Bubble“ Handysignal konnte man hinter einem Glasspiegel nur mit dem grünen hellen Laser abhören. Der zusätzliche
Kemo Verstärker brachte bei dem „Bubble“ keine Verbesserung. Wählt man ein Musikstück mit vielen Bässen aus (z.B „machine gun“), dann werden mit der zusätzlichen Lichtleistung bei dem grünen Laser notwendige Einzelheiten an der Spiegelscheibe übertragen. Die Musik war allerdings nur stark verrauscht zu hören.
Der Kemo Verstärker brachte keine weitere Verbesserung.
An einer Glasscheibe funktionierte die Übertragung nur ganz schlecht. Dies gelang mir nur mit einem Lied
wie dem „machine gun“, da es viele starke Bässe enthielt.
Die Signale aus dem Oszilloskop sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
1 Diode
roter Laser
grüner Laser
grüner Laser,
viel Leistung
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
grüner Laser
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
Handyton
Zellophanfolie Musik
Sprache
Handyton
Musik
Spiegel
Sprache
Handyton
Musik
Sprache
4 Dioden
Glasscheibe
Nur TBA 820 M
Mit KEMO
Ging nicht
Ging nicht
Ging nicht
grüner Laser, viel Leistung
Nur TBA 820 M
Kein Unterschied
Handyton
Kein Unterschied
Spiegel
Musik
(machine
gun)
Glas
Ging nicht
Tabelle 1: Signale im 2-Kanal Modus des Oszilloskops
Ging nicht
Mit KEMO
Ging nicht
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
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2.3.7 Diskussion
Die Laserabhöranlage funktioniert fast gar nicht bei der verwendeten Glasscheibe; dies liegt zu einem Teil
daran, dass die Scheibe sehr schwer ist und deswegen nur schwach schwingt. Außerdem wird das Laserlicht
an der Fensterscheibe nur schlecht reflektiert und so wird nur ein stark abgeschwächtes Signal empfangen.
Nur ca. 4% des Laserstrahls wird bei senkrechtem Einfall reflektiert (www.de.wikipedia.org/wiki/ Lasermikrofon; 08.01.2009). Deshalb ist höchstens ein minimales Geräusch (außer Störrauschen) zu hören. Da der
Glas-Spiegel auch sehr schwer ist, funktioniert bei diesem die Abhöranlage nur schlecht. An einer großen
Fensterschiebe habe ich meine Anlage nicht getestet.
Der helle, grüne Laser hat immer das präziseste und lauteste Signal erzeugt. Das liegt daran, dass dieses
Laserlicht besonders hell und somit über die höchste Lichtleistung verfügt.
Der rote Laser mit der Wellenlänge 633nm liegt näher am Maximum der Empfindlichkeit der Fotodiode
BPW34 (siehe Abbildung 24) als der grüne Laser (531nm). Obwohl der grüne Laser einen wesentlich schärferen Lichtstrahl erzeugt, unterscheiden sich die Ergebnisse bei manchen Experimenten deswegen kaum. Die
besseren optischen Eigenschaften des grünen Lasers werden erst bei den Versuchen mit den schweren Scheiben bemerkbar. Hier konnte ich mit dem roten Laser kein erkennbares Signal erzeugen.
2.3.8 Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung
Mehr Laserleistung; weniger Verstärkerleistung
Je mehr Laserlicht (oder generell Licht) auf die Fotodiode trifft, desto höher ist die Eingangsspannung. So
kann man mit niedriger Verstärkerleistung und hoher Eingangsspannung denselben Effekt erzielen wie mit
wenig Eingangsspannung und hoher Verstärkerleistung. Der einzige Unterschied dabei ist, dass die Störungen nicht mehr mit verstärkt werden, wenn man die Verstärkerleistung verringert. Somit kann man die Störgeräusche etwas reduzieren (siehe Abbildung 15 und Abbildung 16).
.
Abbildung 15: Auf der linken Seite kann man hier das Ausgangssignal des Empfängers sehen, wenn das Laserlicht normal stark
ist.
Abbildung 16: Hier kann man links das Signal, das der Empfänger detektiert, sehen, wenn die Laserleistung höher ist.
Rechts sieht man das Signal nach dem Verstärken.
Störlicht eliminieren
Da ich Fremdlicht, wie Tageslicht, Zimmerlampen oder ähnliches ausschließen wollte führte ich einen Großteil der Versuche bei verdunkeltem Zimmer durch. Damit konnte ich eine bessere Übertragungsqualität erzielen. Eine weitere Maßnahme, den Einfluss von Störlicht zu verringern, testete ich mit einer Art „Schutzröhre“ vor der Fotodiode. Dies führte zwar zu einer Verbesserung der Qualität des Ausgangssignals, aber es
war schwer, die Röhre und den eingehende Laserstrahl richtig auszurichten. Deshalb hat sich diese Maßnahme nicht bewährt.
Leitungen und Stromversorgungen überprüfen (Antenneneffekte, Wechselstrom, Leitungsverluste)
Bei der Verwendung des KEMO Verstärkers setzte ich einen Trafo zur Stromversorgung aus der Steckdose
ein. Dabei entstand ein Störbrummen von ca. 50 Hz. Dies entspricht der Frequenz des Wechselstroms aus der
Streckdose. Um dies zu vermeiden, verwendete ich stattdessen eine 9V Blockbatterie.
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Reflexionswinkel
Abbildung 17: Vergleich der Musikübertragung bei kleinem und großem Einfallswinkel. Die dabei erhaltenen Ergebnisse aus den zwei-Kanal Oszilloskop Aufnahmen sind daneben zugeordnet.
Stellt man den Empfänger nahe an den Laser, sind sowohl der Einfallswinkel und auch der Ausfallwinkel (α
und α´ in Abbildung 6) sehr klein. Das bedeutet, dass der Laserstrahl beinahe senkrecht auf die Scheibe trifft.
Dadurch ist der Punkt, der auf den Empfänger trifft, fast kreisförmig und klein. Wenn man nun die Entfernung zwischen Empfänger und Laser vergrößert, wird der Laserstrahl auf dem Empfänger bzw. schon auf
der Scheibe zu einem Oval. Derselbe Lichtstrahl beleuchtet nun eine viel größere Fläche (Abbildung 17). Die
Fotodioden nehmen jetzt auf ihrer ganzen Sensorfläche Signale auf, was die Intensität des empfangenen Signales verbessert, die Musik wird lauter (siehe Abbildung 17).
Diesen Versuch führte ich mit einer Diode, der Zellophanfolie, dem grünen Laser, zwei verschiedenen Winkeln α =5° und α =41° und dem Musikstück „bubble“ durch.
2.3.9 Weitere aufgetretene Probleme
Bei meinen Versuchen bemerkte ich, dass ich durch die langen Kabel, die wie Antennen funktionieren, ganz
leise im Hintergrund Mittelwellenradio empfing. Dies könnte man vermeiden indem man bessere Abschirmungen für die Kabel mit Metallgewebe verwendet.
3
Interferometer – Veränderung der Helligkeit
3.1
Vorversuch: Amplitudenmodulation
3.1.1 Prinzip
Bei der Amplitudenmodulation wird die Amplitude einer Trägerspannung durch eine Signalspannung verändert (Modulation) (http://www.woerter.at/dud/stuff/modulationsverfahren.pdf; http://de.wikipedia.org/ wiki/Amplitudenmodulation). In Abbildung 18 sieht man die Trägerspannung als immer gleich bleibende Welle. Die Signalspannung ist darüber dargestellt. In der Abbildung 19 ist die Trägerspannung umgeformt, d.h.
moduliert worden, und zwar nach dem Muster der Signalspannung. Man kann sie auch hier als obere Welle
sehen.
Abbildung 18: Trägerspannung (unten) und Signalspannung (oben);
erstellt mit GeoGebra Software (siehe Quellen).
Abbildung 19: Veränderte Träger- und Signalspannung;
erstellt mit GeoGebra Software (siehe Quellen).
3.1.2 Ziel des Versuchs
In diesem Experiment versuchte ich Musik mit Hilfe der Amplitudenmodulation zu übertragen, um zu testen
welche Diode als Empfänger mit welchem Licht am besten funktioniert. Bei einem meiner Versuche zur La-
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serabhöranlage wird das Prinzip der Interferenz verwendet. Sowohl bei der Amplitudenmodulation als auch
bei der Interferenz verändert sich die Helligkeit des Signals, das auf dem Empfänger trifft. Das heißt, für
beide Versuche können die gleichen Detektoren verwendet werden. Die Fotodiode detektiert eine Änderung
der Helligkeit. Als Trägerwellen für die Musik wählte ich drei verschiedene Lichtquellen: (a) eine superhelle, rote LED mit kleinem Öffnungswinkel (b) eine Infrarot LED und (c) einen Laserpointer. Musik aus einem
Mp3 Player sollte als Signalspannung dienen.
3.1.3 Bau der Sender
Alle drei Sender lötete ich nach dem gleichem Schaltplan (Abbildung 20). Außerdem schaltete ich zwischen
die Batterie und den Sender einen An-/Ausschalter und steckte das Ganze jeweils in eine „Tic-Tac“-Dose. In
den Deckel kam noch die Klinkenbuchse, um das Eingangssignal (Signalspannung), also die Musik vom
Mp3-Player (Abbildung 21), auf das Trägersignal – das konstante Licht der LEDs - zu übertragen. Dadurch
ändert sich die Spannung und damit die Amplitude des Lichts (Amplitudenmodulation). Das heißt, dass die
Diode heller oder dunkler wird.
Abbildung 20: Schaltplan für die Sender(gezeichnet mit
Target 3001 .
Abbildung 21: Hier sind die IR und die rote LED gezeigt.
3.1.4 Aufbau und Durchführung
Um die Empfindlichkeit der Empfänger bzw. die Reichweite und die Übertragungsqualität der Sender zu testen, habe ich die verschiedenen Sender in unterschiedlichen Abständen gegenüber der Empfänger aufgestellt
und mit dem Verstärker TBA 820 M verbunden. Dann leuchtete ich mit den Sendern auf den Empfänger und
spielte mit meinem Mp3-Player Musik ab. Aus dem Lautsprecher, der an den Verstärker angeschlossen war,
konnte ich die Musik hören (siehe Abbildung 22). Um die verschiedenen Kombinationen aus Sender und
Empfänger miteinander vergleichen zu können, maß ich die Lautstärke des Signals aus dem Lautsprecher
und außerdem die Ausgangsspannung aus dem Verstärker. Dazu verwendete ich ein Multimeter (Voltcraft
VC160) und ein Schallpegelmessgerät (Voltcraft SL100). Außerdem testete ich, ob die Reichweite der Musikübertragung zunimmt, wenn man eine Sammellinse verwendet.
Abbildung 22: Versuchsaufbau Amplitudenmodulation.
3.1.5 Ergebnisse
Die höchste Lautstärke wurde mit der IR Diode bei kurzer Entfernung erreicht. Für die IR LED zeigte sich
dabei die Fotodiode als der beste Empfänger. Mit steigender Entfernung sank die Lautstärke kontinuierlich.
Verwendet man mit der IR Diode als Sender den lichtempfindlichen Widerstand als Empfänger kann man
schon ab 70 cm Entfernung nichts mehr hören; mit der BPW34 Fotodiode als Empfänger betrug die Reichweite zur Musikübertragung 200cm (Abbildung 23A).
Ebenfalls hohe Lautstärken mit Werten über 75 dB wurden mit der superhellen roten LED erreicht. Dabei
fiel die Lautstärke mit dem lichtempfindlichen Widerstand als Empfänger sehr langsam ab. Auch in einer
Entfernung von 200 cm betrug die Lautstärke noch 75 dB. Mit der Fotodiode als Empfänger konnte man
schon nach 100 cm nichts mehr hören (Abbildung 23B).
Verwendet man einen Laserpointer zur Amplitudenmodulation sinkt die Lautstärke bei keinem der beiden
Empfänger bei zunehmender Entfernung (bis zu 3m) ab. Auch in 8 m Abstand war es möglich Musik zu
übertragen. Benutzt man die Fotodiode als Empfänger liegt die gemessene Lautstärke bei ca. 75 dB. Der
lichtempfindliche Widerstand ist sensitiver (Abbildung 23C).
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
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Diese Ergebnisse werden auch von den Messungen der Ausgangsspannungen des Verstärkers bestätigt. Die
Daten sind im Anhang zu finden.
A
D
B
C
E
Abbildung 23: Auswertung des Versuchs Amplitudenmodulation. Es wurden die erreichten Lautstärken in Abhängigkeit von
dem Abstand zwischen Sender und Empfänger aufgetragen. In Abbildung D und E wurde zwischen Sender und Empfänger im
Abstand von 15 cm vom Sender eine Linse gehalten.
Allerdings waren die Qualitäten bei den verschiedenen Empfängerdioden stark unterschiedlich. Die Qualität
des Signals der Fotodiode BPW34 war um einiges besser als die des lichtempfindlichen Widerstandes. Hier
war Krachen, Knistern und ein Rauschen zu hören. Lautstärke und die Spannung waren aber bei dem lichtempfindlichen Widerstand größer.
Bündelt man mit einer Sammellinse das Licht der Dioden, konnte man feststellt, dass die Reichweite der
Musikübertragung stark zunimmt. Mit der roten LED konnte sogar bei einem Abstand von 8m noch Musik
übertragen werden. Außerdem waren die empfangenen Signale stärker als ohne Linse. Mit der IR-Diode
konnte ich keine höhere Übertragungsreichweite als im Versuch ohne Linse, feststellen. Das lag wahrscheinlich daran, dass ich die Diode nicht mehr richtig auf den Empfänger ausrichten konnte, da das infrarote Licht
ja unsichtbar ist. Hier wurde das Lichtsignal kaum durch die Verwendung einer Sammellinse verstärkt (siehe
Abbildung 23E).
3.1.6 Diskussion
Die Reichweite des Laserpointer ist vergleichbar hoch wie das gebündelte
Signal de roten LED. Dies liegt daran, dass der Laserstrahl sich nur minimal
aufweitet und dadurch kaum Lichtsignale verloren gehen.
Die IR Diode erzielte bei der Fotodiode BPW34 als Empfänger bessere Ergebnisse als die rote LED. Der Grund dafür ist, dass die Fotodiode bei Wellenlängen um 900 nm am sensitivsten reagiert (siehe Abbildung 24). Die IR LED
hat eine Wellenlänge von 940 nm (Datenblatt Conrad) und erreicht damit ca.
90% der Empfängerleistung der BPW 34. Die rote LED hat eine Wellenlänge
von 400 nm und liegt bei 10% der Sensitivität der Fotodiode. Da man infrarotes Licht nicht sehen kann, war es sehr schwer die IR Diode auszurichten. Die
Reichweite für die Musikübertragung war mit der IR Diode gering, das kommt
vielleicht daher, dass der IR-Lichtstrahl sehr weit auf geweitet ist. Das ist jedoch nicht beweisbar, da das infrarote Licht unsichtbar ist.
Abbildung 24: Sensitivität der
Fotodiode BPW34 hinsichtlich
der Wellenlänge (aus Datenblatt
Osram)
Die erzielte Lautstärke und Spannung mit dem lichtempfindlichen Widerstand war vermutlich deshalb so
hoch, weil bei dessen Aufbau eine externe Stromquelle eingesetzt werden muss. Die schlechte Übertragungsqualität in Kombination mit dem Laserpointer stammt vielleicht daher, dass der lichtempfindliche Widerstand eine sehr große Sensorfläche hat und deswegen nur ein Bruchteil des gesamten Sensors von dem
kleinen Laserpunkt beleuchtet wird.
Der lichtempfindliche Widerstand hat eine Reaktionszeit von ca. 25-60 ms. Die Fotodiode BPW 34 ist dagegen um den Faktor 1.000.000 schneller (siehe Datenblätter bei Quellen). In den unten dargestellten
Oszilloskopbildern sieht man deutlich, dass dies Reaktionszeit um ein Vielfaches zu lang ist, um die komplizierten Einzelheiten der Musik in guter Qualität abzubilden. Dies ist vermutlich der Grund für die geringe
Übertragungsqualität trotz der großen Reichweite und der guten Signalstärke.
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
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Auf Grund der besseren Qualität wurde für die weiteren Experimente die Fotodiode BPW34 als Empfänger
verwendet.
3.2 Laserabhöranlage mit Hilfe eines Michelson Interferometers
3.2.1 Prinzip des Michelson Interferometers
Damit Interferenzphänomene beobachtet werden können, müssen die Lichtwellen bestimmte Bedingungen
erfüllen. Diese nennt man Kohärenz. Zwei Wellen sind kohärent, wenn sie eine feste Phasenbeziehung haben. Phase und Amplitude des Wellenfeldes eines Lasers sind weitgehend konstant, Laserlicht ist daher fast
vollkommen kohärent (http://www.lexikon.meyers.de/wissen/Kohärenz; 02.01.2009). Ein Interferometer
funktioniert folgender Maßen. Ein Laserstrahl teilt sich an einem Strahlteiler, einem halbdurchlässigem
Spiegel, und jeder Teil des Strahls trifft auf Spiegel, die im rechten Winkel zueinander stehen. Die Strahlen
werden reflektiert und laufen auf demselben Punkt, an dem sie sich geteilt haben, wieder zusammen. Die
Lichtwellen werden dabei überlagert. Sie werden mit sich selbst zur Interferenz gebracht. Das besondere am
Michelson-Interferometer ist, dass der Strahlteiler und der teildurchlässige Spiegel, in dem die Strahlen wieder vereinigt werden, derselbe ist (http://de.wikipedia.org/wiki/Michelson-Interferometer) (Abbildung 25).
Abbildung 25: Prinzip des Michelson- Interferometers
Durch die Phasenverschiebung (unterschiedliche Lage der Wellen, siehe Abbildung 27) können zwei extreme Situationen eintreten. Entweder die Wellen treffen genau so aufeinander, dass ein Wellenberg der ersten
Welle direkt über einem Wellenberg der zweiten Welle liegt, so vereinen sich die beiden Wellen zu einer
Welle mit doppelter Amplitude bzw. Wellenbergen und das Licht wird heller (siehe Abbildung 26). Das
heißt konstruktive Interferenz. Im anderen Fall kommt ein Wellenberg der einen Welle über einem Wellental
der anderen Lichtwelle zu liegen und die beiden Wellen löschen sich aus. Das hat zur Folge, dass an dieser
Stelle Dunkelheit herrscht (siehe Abbildung 27). Dies nennt man destruktive Interferenz. Dazwischen gibt es
natürlich Abstufungen in der Helligkeit, je nachdem wie die Wellen übereinander liegen.
Abbildung 26: Die Amplitude der Welle 1 wird zur Amplitude
der Welle 2 addiert => „resultierende Welle“ (Abbildung aus:
www.physik.fu-berlin.de/schulkontakte/physlab/labor/img/ Interferometer.pdf; 6.1.2009)
Abbildung 27: Wellen löschen sich gegenseitig aus => Amplitude = null (Abbildung aus: www.physik.fu-berlin.de/schulkontakte/physlab/labor/img/Interferometer.pdf; 6.1.2009)
Dadurch entsteht ein Interferenzmuster (siehe Abbildung 28). Bei meinem
Versuch ändert sich die Phasenlage einer der beiden Lichtwellen, je nachdem
an welcher Position sich der Spiegel, der die „Fensterscheibe“ darstellen soll,
befindet. Dieser verändert seine Position, da er schwingt, wenn hinter ihm
Schallwellen erzeugt werden. Durch die unterschiedliche Position wird die
Laufzeit des Lichts verändert und dadurch das Interferenzmuster. Die unterschiedlich hellen bzw. dunklen Wellen sieht man hier als Interferenzringe
(siehe Abbildung 28).
Abbildung 28
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
Interferenznuster mit dem
roten Laser ohne Konvexlinse
Interferenznuster mit dem
grünen Laser ohne
Konvexlinse
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Interferenznuster mit dem
grünen Laser mit Konvexlinse
Interferenznuster mit dem
grünen Laser mit Konvexlinse
Abbildung 29
3.2.2 Ziel des Experiments
Das Ziel dieses Experimentes war es zu zeigen, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, eine Laserabhöranlage
zu bauen. In diesem Teilprojekt wollte ich das Prinzip der Interferenz verwenden, da ein Interferometer sehr
sensibel ist. Ich vermutete, dass meine Interferenz-Laserabhöranlage viele Einzelheiten der Schallwellen hinter dem Spiegel übertragen kann.
3.2.3 Versuchsdurchführung
Als erstes baute ich ein Interferometer auf. Ich befestigte dazu 2 Spiegel auf dreh- und kippbaren Plattformen
aus Fischertechnik. Dazu stellte ich noch einen Laser, einen weißen Schirm und einen Strahlenteiler
(Abbildung 30A). Nachdem ich den Laser eingeschaltet hatte, stellte ich die beiden Platten, auf denen die
Spiegel befestigt waren, so ein, dass sich die drei Punkte, die auf dem Strahlenteiler erschienen (1=Laser;
2=Spiegel 3=Spiegel 2) auf einen Punkt trafen. Zwischen dem Strahlenteiler und dem Schirm stellte ich eine
Konkavlinse, also eine Zerstreuungslinse auf. Auf dem Schirm erschien nun ein Interferenzmuster
(Abbildung 29). Die geschlossenen Interferenzringe konnte ich darstellen, indem ich vor den Laser eine
Konvexlinse (Sammelinse) stellte. Da dies für meine Versuche aber nicht so wichtig war, ließ ich die Linse
dafür weg.
A
B
Abbildung 30: Aufbau und Foto meines Interferometers: Das Foto der Laserstrahlen im Interferometer habe ich mit einer Langzeitbelichtung einer Spiegelreflexkamera auf einem Stativ erhalten. Zum Sichtbarmachen der Laserstrahlen habe ich Wasserdampf von
kochendem Wasser in die Strahlen des Lasers gewedelt.
Das Interferenzmuster, das bei dem Interferometer entsteht (siehe 3.2.1), wird auf den Schirm projiziert. Sobald man einen Lautsprecher hinter einen der beiden Spiegel stellt und dabei Musik anschaltet, fängt der
Spiegel an zu schwingen. Dabei verändert sich die Position des Spiegels immer ein wenig. Das wiederum hat
zur Folge, dass sich das Interferenzmuster dauernd verändert. Mit einer Fotodiode, bzw. mit mehreren, kann
man diese Änderungen des Musters, das heißt die Änderungen der Helligkeit des Musters auf der Diode,
wieder in ein Spannungssignal verwandeln, das den Schwingungen der Musik gleicht. Mit meinem Verstärkeraufbau (NF-Verstärker mit dem TBA 820 M) konnte ich das Signal mit einem 8Ω Lautsprecher hörbar
machen (siehe Abbildung 30).
Um die Musikübertragung messen zu können, schloss ich sowohl den Mp3-Player, also die Ursprungsmusik,
als auch den Verstärker, also das übertragene Signal, verbunden über ein Interface (siehe meine Jufo Arbeit
2008 und Schaltplan im Anhang) an den LineIn Eingang meines Computers. Dort konnte ich mit Hilfe eines
Oszilloskops (www.Zelscope.com) beide Kanäle gleichzeitig aufzeichnen und miteinander vergleichen.
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
Seite 14
3.2.4 Ergebnisse
Bei diesem Versuch verwendete ich zwei verschiedene „Fensterscheiben“
an Stelle des „Spiegel 2“: eine Zellophanfolie und einen großen Spiegel.
Ich testete als Musikstücke „Monsterparty“, „give a little bit“ und eine
Stelle aus dem Hörbuch „Löcher“, jeweils sowohl mit einer als auch mit
vier Fotodioden als Empfänger.
Das Interferometer mit der Zellophanfolie hat kaum funktioniert. Dies
konnte man auch an den Signalen im Oszilloskop sehen. Es war nur ein
Rauschen zu hören. Deshalb habe ich dazu keine weiteren Ergebnisse beschrieben (Abbildung 31).
Abbildung 31: Musikübertragung mit
dem Michelson Interferometer und
einer Zellophan Scheibe.
Setzt man bei diesem Versuchsaufbau einen großen Spiegel (25 x 25 cm, 2
mm dick) ein, so konnte man mit einer Diode als Empfänger ein verständliches Musik-Signal erhalten. Die Qualität war nicht besonders gut, aber die Musik war zu verstehen
(Abbildung 32). Versucht man die Qualität mit vier Dioden zu verbessern, erhält man ein sehr deutliches
Signal im Oszilloskop (siehe Abbildung 33) und auch aus dem Lautsprecher. Mit diesem Aufbau (dem hellen Laser, vier Fotodioden und der Verstärker TBA 820 M) war es auch möglich gesprochene Texte über die
Spiegelscheibe „abzuhören“. Im 2-Kanal-Oszilloskop waren die Sprachsignale deutlich, mit vielen Einzelheiten zu erkennen (Abbildung 34Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.).
Abbildung 32: Musikübertragung mit
dem Michelson Interferometer mit einem
Spiegelglas und einer Empfängerdiode
Abbildung 33: Musikübertragung mit
dem Michelson Interferometer mit einem
Spiegelglas und vier Empfängerdioden
Abbildung 34: Sprachübertragung mit
dem Michelson Interferometer mit einem
Spiegelglas und vier Empfängerdiode
3.2.5 Diskussion
Das Interferometer war extrem sensibel, denn im Gegensatz zu der Laserabhöranlage mit dem abgelenktem
Strahl an einer Fensterscheibe, reichten bei diesem Prinzip schon minimale Veränderungen der Position des
Spiegels aus, um das Signal komplett zu verändern. Aus diesem Grund kam bei jeder Bewegung im Raum
ein lautes Störgeräusch aus dem Lautsprecher.
Wird eine Spiegelscheibe bei dem Interferometer verwendet, lässt sich Sprache und leise Musik sehr gut
übertragen. Sobald die Musik zu laut wird oder die Bässe zu stark, ertönt aus dem Lautsprecher nur noch
Krachen, da dadurch die Scheibe zu stark schwingt. Wird eine „Fensterscheibe“ aus Zellophan verwendet,
funktioniert die Tonübertragung nicht, da die Folie den Laserstrahl fast nicht reflektiert hat. So kommt ein zu
schwaches Signal zustande, das von meiner Anlage nicht mehr detektiert werden kann. Mit einer Glasscheibe müsste das Interferometer auch funktionieren. Leider wird aber der Laserstrahl auch daran zu wenig reflektiert. Laut Literatur werden nur 6-8% Laserlicht an einem Glas reflektiert (http://de.wikipedia.org/wiki/
Laser-Mikrofon).
D DISKUSSION
In meinem Projekt habe ich zwei verschiedene Methoden getestet, mit denen eine Laserabhöranlage funktionieren könnte.
Das einfachere Prinzip funktionierte dadurch, dass ein Laserstrahl an einer Scheibe, die durch Schallwellen
dahinter zum Schwingen gebracht wurde, abgelenkt wurde. Bei meinen Versuchen zu dem ersten Prinzip
fand ich heraus, dass die Übertragungsqualität am höchsten ist, wenn die verwendete Scheibe leicht zum
Schwingen zu bringen ist. Das zeigte ich mit der Zellophanfolie. Außerdem funktionierten stark spiegelnde
Scheiben gut, da von ihnen das Licht am stärksten reflektiert wird. Die schlechteste Übertragungsqualität
ergab sich mit der Glasscheibe, da diese weder gut spiegelte noch sonderlich flexibel war. Dieses Lasermikrofon funktionierte, wenn man die richtigen Scheiben verwendete, recht gut, war aber nicht sehr sensibel.
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
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Das hatte auch etwas Gutes, da so nicht so viele Störgeräusche übertragen werden. Die Qualität wurde zwar
besser wenn man mehr Sensorfläche verwendete, aber dadurch wurde auch mehr Störlicht aufgefangen.
Das Prinzip des zweiten Lasermikrofons basierte auf dem Prinzip der Interferenz mit einem Michelson Interferometers.
Für dieses Mikrofon stellte sich heraus, dass sich besonders stark reflektierende Scheiben eigneten, da sonst
zu wenig Licht auf die Sensoren übertragen wurde. Auf Grund der vielen Linsen und Spiegel ging viel Licht
verloren. Deswegen wurden die besten Ergebnisse mit dem hellen Laser erzielt. Das Interferometermikrofon
war extrem sensibel und konnte schon kleinste Schwingungen darstellen. Es war deswegen sehr anfällig für
Störungen. Zusätzlich zu den Störlichteffekten kam, dass alle Umgebungsschwingungen, wie Bodenschwingungen (z.B. Schritte) und auch leise Umgebungsgeräusche Störungen verursachten. Diese zweite Variante
eines Lasermikrofons konnte die Schallwellen hinter der Scheibe sehr gut abbilden, wenn es sich um ein Gespräch, bzw. einen gesprochenen Text oder leise Musik handelte. Bei lauter Musik eignete sich dieses Prinzip nicht, da die Schallwellen hinter der Scheibe eine zu hohe Amplitude hatten. In diesem Fall war nur noch
Krachen zu hören. Auch hier verbesserte sich die Übertragungsqualität um ein Vielfaches, wenn mehr Sensorfläche benutzt wurde.
Als Laserabhöranlage in der Praxis würde sich das Interferometermikrofon am Besten eignen, da es schon
sehr kleine Schwingungen übertragen kann.
Es war zwar cool einmal auszuprobieren wie ein Laserabhörgerät funktioniert, aber es ist natürlich verboten
es zu verwenden.
E DANK
Als erstes wollte ich mich beim Sponsorpool-Bayern bedanken, der mir, bzw. meiner Schule, den grünen Laser und einen Spiegel, den ich für das Interferometer benötigte, bezahlt hat. Des Weiteren wollte ich mich bei
meinem Mathelehrer Herrn Blobner bedanken, der mich fast ein ganzes Jahr bei meiner Arbeit betreut hat,
mir viele Tipps zur Durchführung gab und mich auf wertvolle Ideen brachte.
F QUELLEN
Kosmos electronic XN2000, Franckh-Kosmos Verlags GmbH & Co; 7.Auflage; Stuttgart; 2003
Franzis Lernpaket Elektronik; Franzis Verlag; Poing; 2008
www.physikdidaktik.uni-bayreuth.de
www.de.wikipedia.org/wiki/lasermikrofon; 02.05.2008
www.members.aol.com./glykophy/int-mik.htm; 02.05.2008
http://www.007shop.de/Audioueberwachung /Lasermikrofon.html; 08.01.2009
http://williamson-labs.com/laser-mic.htm; 02.05.2008
http://www.woerter.at/dud/stuff/modulationsverfahren.pdf;
http://de.wikipedia.org/wiki/Amplitudenmodulation
http://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000-174999/153005-da-01-ml-PINPhotodiode_BPW34_de-en.pdf 20.05.2008
http://www.lexikon.meyers.de/wissen/Kohärenz; 02.01.2009
http://www1.conrad.de/scripts/wgate/zcop_b2c/~flN0YXRlPTE3NzE0MzMyNTU=?... 28.12.2008
http://de.wikipedia.org/wiki/Michelson-Interferometer
Verwendete Programme und Software:
Target 3001; Programm zum Entwurf von Schaltplänen; www.ibfriedrich.com
GeoGebra; dynamische Mathematik Software für Schulen; www.geogebra.at
Zelscope; „Windows software that converts your PC into a dual-trace storage oscilloscope”;
www.zelscope.com
Robo Pro Software 1.1.2.41; Fischertechnik
Folgende Abbildungen wurden mit MS Powerpoint erstellt: 1,2,4,5,7,11B,21,28,29,30
Folgende Abbildungen sind Screenshots aus dem Oszilloskop Programm:
9,12,13,14, Tab.1, 31,32,33,34
Abbildung 3 und 20 wurde im Target 3001 erstellt
Verwendete Messgeräte:
Multimeter (Voltcraft VC160)
Schallpegelmessgerät (Voltcraft SL100)
Gitarrenstimmgerät; Yamaha; Chromatic Tuner; YT 250
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G ANHANG
Teileliste
Ich habe nur einige wichtige Bausteine aufgelistet:
Verstärkerchip LM 386: Conrad Prod.Nr. 176303
Verstärker-IC-Chip TBA 820 M: Conrad Prod.Nr. 178950 - 62
KEMO-18W-Verstärker: Conrad Prod.Nr. 130082
lichtempfindlicher Widerstand FW300: Conrad Prod.Nr. 183598
Fotodiode BPW 34 von Osram: Conrad Prod.Nr. 153005
superhelle LED mit kleinem Öffnungswinkel: Conrad Prod.Nr. 143146 – 62
eine Infrarot LED: Conrad Prod.Nr. 154380 -62
Abbildung zur Zeitverzögerung
Seite I
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
Seite II
Schaltpläne
Empfänger
Empfänger mit dem lichtempfindlichen Widerstand
Empfänger mit der Fotodiode BPW 34
Verstärker
Verstärker mit dem IC Chip LM386
Interface
Schaltplan für das Mikrofon Interface (siehe meine Jugendforscht Arbeit („Wie schnell ist das Gewitter da“ 2007/2008).
„Hören mit Licht“ von Max Burggraf
Seite III
Programm
Mit dem Fischertechnik Programm RoboPro 1.1.2.41 konnte ich die Umdrehungen der Scheibe pro Sekunde
messen:
Wird im Bedienfeld der „Start“ Button gedrückt (siehe unten), läuft der Motor mit Vollgas los. Das erste Unterprogramm addiert bei jeder Betätigung des Tasters zu der Variablen „Kontakte“ eins dazu (siehe Programm 1). Währenddessen fängt ein das Programm 2 an die Zeit in Zehntelsekunden zu zählen, also nach jeder Zehntelsekunde wird in die Variable "Zeit" eins dazu addiert.
Ein weiteres Unterprogramm (Programm 3) frägt die Variable "Zeit" ab: Ist ihr der Wert ungleich 5, fängt
das Programm noch mal von vorne an mit dem Abfragen. Ist die Variable „Zeit“ gleich 5, also der Wert
gleich 5/10 sec, wird dieser in die Variable "Zeit 1" und gleichzeitig der Wert aus der Variablen "Kontakte"
in "Kontakte 1" übertragen. Danach wird der Wert von "Zeit" und "Kontakte" auf null zurückgesetzt. Der
Wert aus "Kontakte1" wird jetzt mit 100 multipliziert; das ist notwendig, da so das Rechenergebnis genauer
wird, weil ohne diese Multiplikation einige Nachkommastellen weggefallen wären. Dieser neue Wert „Kontakte1“ wird darauf durch "Zeit 1" dividiert, um die Anzahl pro Zehntelsekunden zu erhalten. Da aber die
Anzahl pro Sekunde gesucht ist, muss der Wert nun mit 10 multipliziert werden. Anschließend wird die neue
Zahl wieder durch 100 geteilt, da die Zahl am Anfang des Programmes mit 100 multipliziert wurde. Diese
Zahl wird im Bedienfeld unter „Umdrehungen/s“ angezeigt. Um daraus die Frequenz zu berechnen, musste
ich nur noch die Umdrehungen pro Sekunde mit 32 multiplizieren, 32 daher, da in meiner Lochscheibe 32
Löcher sind.
Zum Beenden muss man im Bedienfeld den „Stopp" Button anklicken, das wird von dem letzten Unterprogramm gesteuert (siehe Programm 4).
Bedienfeld
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Seite IV
Diagramme
Hier sind alle Diagramme zu den Empfindlichkeitsmessungen der verschiedenen Empfänger und Sender bei
dem Vorversuch Amplitudenmodulation gezeigt. Als Verstärker wurde der NF-Verstärker mit dem TBA 820
M Chip verwendet.
Messung der Lautstärke mit
unterschiedlichen Sendern bei den zwei
Empfängern
Messung der Ausgangsspannung an dem
Verstärker
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Seite V