Передача музыки светом

23.01.2018

Недавно мы исполь­зо­вали крем­ни­е­вый сол­неч­ный эле­мент вместо мик­ро­фона, полу­чив, таким обра­зом, детек­тор мер­ца­ния. Мы «слу­шали» лам­почки, ком­пью­тер­ные мони­торы и экраны теле­ви­зо­ров, опре­де­ляя нали­чие вред­ных для здо­ро­вья пуль­са­ций света.

В каче­стве «побоч­ного» эффекта обна­ру­жи­лась спо­соб­ность фото­элек­три­че­ских ячеек при­ни­мать инфор­ма­цию, пере­да­ва­е­мую через свет. Мы гене­ри­ро­вали раз­лич­ные частоты, пода­вая полу­чив­шийся элек­три­че­ский сигнал на све­то­диод, а с помо­щью сол­неч­ного эле­мента и науш­ни­ков полу­чали соот­вет­ству­ю­щие звуки. Например, мер­ца­ние све­то­ди­ода с часто­той 440 Hz (440 раз в секунду) совер­шенно неза­метно для глаз, но в науш­ни­ках звучит нота «ля» первой октавы.

Наиграв­шись с про­стыми элек­трон­ными мело­ди­ями, мы решили про­ве­рить спо­соб­ность такой системы пере­да­вать «живой» сте­рео­звук высо­кого каче­ства. Для этого мы собрали про­стей­шую двух­ка­наль­ную схему: по одному све­то­ди­оду, рези­стору и кон­ден­са­тору на каждый канал. Питание решили исполь­зо­вать 5-воль­то­вое, через USB. Получился пре­об­ра­зо­ва­тель зву­ко­вого стерео-сиг­нала в све­то­вой:

В каче­стве при­ем­ника мы исполь­зо­вали два сол­неч­ных эле­мента от старых садо­вых фона­ри­ков, под­клю­чая их к науш­ни­кам для про­слу­ши­ва­ния или к пор­та­тив­ному рекор­деру для записи звука.

Сначала звук полу­чился ужас­ным: тихим, хри­пя­щим и совер­шенно без басов. Но, испы­тав около 100 ком­би­на­ций с раз­лич­ными номи­на­лами элек­трон­ных ком­по­нен­тов, нам уда­лось полу­чить чистое и сочное зву­ча­ние, почти неот­ли­чи­мое от ори­ги­нала. Рекомен­дуем слу­шать в хоро­ших науш­ни­ках:

Подбор ком­по­нен­тов

Яркость све­то­ди­о­дов кос­венно влияет на гром­кость звука. Добиться гром­кого зву­ча­ния при исполь­зо­ва­нии обыч­ных инди­ка­тор­ных све­то­ди­о­дов не полу­чи­лось, поэтому мы пере­шли на более мощные осве­ти­тель­ные све­то­ди­оды.

Хороший звук полу­чался при работе све­то­ди­о­дов в диа­па­зоне 5÷50% от их мак­си­маль­ной мощ­но­сти. Чем мень­ший ток мы через них про­пус­кали — тем силь­нее были заметны пуль­са­ции света на низких часто­тах, при этом сни­жа­лось и каче­ство зву­ча­ния. А при мак­си­маль­ной мощ­но­сти звук ста­но­вится плос­ким. Резисто­рами мы огра­ни­чили ток, про­хо­дя­щий через све­то­ди­оды, и, соот­вет­ственно, их яркость до мини­маль­ного зна­че­ния, при кото­ром звук еще оста­вался гром­ким и чистым.

Конден­са­торы поз­во­лили нам про­пус­кать ток от источ­ника звука к нашему устрой­ству, но не пус­кать его обратно. Кроме того, кон­ден­са­торы влияют на соот­но­ше­ние низких и высо­ких частот: при повы­ше­нии их емко­сти басы ста­но­вятся мощнее.

Подборку ком­по­нен­тов мы осу­ществ­ляли на слух, про­слу­ши­вая музыку раз­лич­ных жанров в сту­дий­ных науш­ни­ках. Остано­ви­лись на таких номи­на­лах:

При данной кон­фи­гу­ра­ции, через каждый све­то­диод про­хо­дит ток 85 mA при напря­же­нии на них около 3 V. Это значит, что фак­ти­че­ская мощ­ность све­то­ди­о­дов состав­ляет 0.25 W — около 8% от мак­си­маль­ной. В таком режиме све­то­ди­оды не нагре­ва­ются выше +50 °C даже в закры­том кор­пусе, поэтому мы не стали уста­нав­ли­вать на них ради­а­торы, кото­рые были в ком­плекте.

Все устрой­ство потреб­ляет всего лишь 0.9 W без под­клю­че­ния к линей­ному выходу ком­пью­тера и 0.7 W при под­клю­че­нии к нему:

Такая система устой­чива к внеш­нему осве­ще­нию. Даже на ярком солнце звук оста­ется гром­ким и чистым. Помехи может вызвать лишь мер­ца­ю­щий источ­ник света.

Истори­че­ская справка

Александр Белл, один из осно­во­по­лож­ни­ков теле­фо­нии и созда­тель жур­нала National Geographic, в 1880 году смог пере­дать первое теле­фон­ное сооб­ще­ние без про­во­дов. Он исполь­зо­вал для этого отра­жен­ный сол­неч­ный свет, моду­ли­ро­ван­ный голо­сом. Белл назвал свое изоб­ре­те­ние «Фотофон», и считал его глав­ным дости­же­нием своей жизни. Он даже хотел назвать так свою вторую дочь, но жена не раз­ре­шила. Пришлось назвать Мариан.

Сегодня тех­но­ло­гия пере­дачи данных с помо­щью света назы­ва­ется VLC (Visible Light Communication). Она совер­шенно неза­метна для глаз, и поз­во­ляет пере­да­вать инфор­ма­цию со ско­ро­стью до 10 Гбит/сек и более. Одной из раз­но­вид­но­стей VLC явля­ется Li-Fi (Light Fidelity) — све­товой аналог Wi-Fi.