Tiểu luận Ứng dụng truyền âm thanh bằng Laser

Nội dung text: Tiểu luận Ứng dụng truyền âm thanh bằng Laser

1. Danh sách phân công công việc Xây dựng slide thuyết trình Nguyễn Thành Khánh An Nguyễn Xuân Trực Tổng hợp và xây dựng báo cáo Bùi Việt Minh Quân Đặng Văn Dũng Giới thiệu về Laser Đặng Văn Dũng Truyền âm thanh dựa trên Aplitude Modulation Nguyễn Thành Khánh An Truyền âm thanh dựa trên hiện tượng quang âm Bùi Việt Minh Quân Ứng dụng của Laser Nguyễn Xuân Trực
2. Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính 1 Giới thiệu về laser - Đặng Văn Dũng 1.1 Nguồn gốc của Laser Laser là từ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức) - một trong những dụng cụ có hiệu suất thuộc vào loại tồi - chỉ trên dưới 1% - nhưng những tia sáng laser kì diệu ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống của con người. Trong những bộ phim khoa học viễn tưởng nổi tiếng hồi thập niên 1950, các con quái vật thường được miêu tả có khả năng phát ra những tia sáng gây chết người từ đôi mắt của chúng ), nhưng cho tới khi phát minh ra laser thì các chùm năng lượng mãnh liệt và tập trung như thế cũng chỉ là tưởng tượng mà thôi. Ngày nay, người ta có thể sửa đổi, thăm dò, hay phá hủy vật chất bằng cách sử dụng các bức xạ tập trung cao phát ra từ các nguồn năng lượng gọi là laser. Hầu như tất cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng Mặt Trời, các vì sao, các bóng đèn nóng sáng và đèn huỳnh quang, cho đến các bộ ti vi, đều xảy ra tự phát khi các nguyên tử và phân tử tự giải phóng năng lượng thừa của chúng. Hình 1.1: Minh họa hình ảnh của laser ( Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển laser với việc nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ. Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức. Trong nhiều năm, các nhà vật lí cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng đều phải yếu hơn nhiều lần. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta Bài tiểu luận Trang 3/14
3. Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính Còn ở trạng thái kích thích, nếu nguyên tử được rọi với photon đến có cùng năng lượng chính xác như năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, nguyên tử có thể bị cưỡng bức bằng photon đến để quay trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn và đồng thời phát ra một photon có cùng năng lượng chuyển trạng thái. Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử bị kích thích do đó có thể tạo ra hai photon phát xạ. Nếu các photon phát xạ được xem là sóng, thì sự phát xạ cưỡng bức sẽ dao động cùng tần số với ánh sáng tới, và cùng pha (kết hợp), kết quả là làm khuếch đại cường độ của ánh sáng ban đầu. Hình ảnh minh họa sự phát xạ tự phát (a) và cưỡng bức (b) với hai sóng kết hợp Hình 1.2: Các quá trình tự phát và cưỡng bức ( Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường, dân cư, hay số nguyên tử hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Thật vậy, dưới những điều kiện bình thường, đối với một sự chuyển mức năng lượng ứng với một bước sóng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt), tỉ số của số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái cơ bản thấp hơn có lẽ là 1017. Nói cách khác, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến. Một lý do khiến bức xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Bài tiểu luận Trang 5/14
4. Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính 1.3 Tính chất của Laser 1.3.1 Độ định hướng cao: Độ định hướng cao: Tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán 1.3.2 Tính đơn sắc rất cao: Tính đơn sắc rất cao: Chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có. 1.3.3 Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn. 2 HỆ THỐNG TRUYỀN NHẬN ÂM THANH DỰA TRÊN AMPLITUDE MODULATION - Nguyễn Thành Khánh An 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 AMPLITUDE MODULATION(Điều chế biên độ): Điều chế biên độ (hay còn gọi là điều biên, tiếng Anh: Amplitude Modu- lation, viết tắt là "AM") là một kỹ thuật được sử dụng trong điện tử viễn thông, phổ biến nhất là dùng để truyền thông tin qua một sóng mang vô tuyến. Kỹ thuật này là thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo biên độ của tín hiệu thông tin cần gửi đi, hay nói cách khác là điều chế sóng mang bằng biên độ theo tín hiệu mang tin. Ví dụ, thay đổi cường độ tín hiệu có thể được dùng để phản ánh các âm thanh được tái tạo lại bởi một người nói, hoặc để xác định độ chói của các điểm ảnh truyền hình. Hệ thống thông tin bằng Laser hoạt động dựa trên nguyên lí của quá trình “Điều chế biên độ” (hay còn gọi là điều biên – Amplitude Modulation). Trong quá trình này, biên độ của sóng mang thay đổi tương ứng với biên độ tức thời của tín hiệu điều chế được đưa vào. Đôi với hệ thống truyền âm Bài tiểu luận Trang 7/14
5. Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính như dây cáp. 2.3.2 Nhược điểm - Chịu ảnh hưởng của môi trường truyền tín hiệu - Đường truyền laser giữa thiết bị thu và phát phải không có vật cản. 3 Hệ thống truyền âm thanh bằng laser dựa trên hiện tượng quang âm - Bùi Việt Minh Quân 3.1 Giới thiệu Trong lĩnh vực truyền âm hiện nay, các phương thức giao tiếp trực tiếp với một đối tượng xác định mà không đòi hỏi đối tượng phải có các thiết bị hỗ trợ thu tín hiệu âm thanh đang mở ra những tiềm năng ứng dụng hấp dẫn trong cuộc sống, như khả năng cảnh báo nguy hiểm, giao tiếp tại môi trường nhiều tiếng ồn hay thậm chí truyền âm thanh trong quân sự. Ngày 25/1/2019 phòng nghiên cứu của Đại học MIT đã công bố một nghiên cứu về hệ thống truyền âm bằng tia laser dựa trên hiện tượng quang-âm. Hệ thống có thể truyền âm thanh trực tiếp đến người nghe mà không cần bất cứ thiết bị hỗ trợ khác nào. Hệ thống truyền âm bằng laser này cho phép người nói “thì thầm” từ xa với một đối tượng xác định, đồng thời đặc biệt không gây ảnh hại đến mắt và da. 3.2 Hiện tượng quang - âm Hiện tượng quang – âm được lần đầu quan sát bởi Alexander Graham Bell năm 1880. Đây là hiện tượng xảy ra sự hình thành sóng âm do sự hấp thụ ánh sáng của một loại vật liệu nhất định. Khi được chiếu sáng, vật liệu xảy ra sự hấp thụ ánh sáng, làm nhiệt độ tăng, dẫn đến giãn nở nhiệt của vật liệu, từ đó tạo nên sự thay đổi áp lực đối với môi trường xung quanh, hình thành sóng cơ và tạo nên tính hiệu âm thanh. Bài tiểu luận Trang 9/14
6. Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính 3.3.3 Các cơ sở lý thuyết và tính toán Một tín hiệu thanh gồm có hai đặc điểm cơ bản là: cường độ âm và tần số. Cường độ âm biểu thị độ to và rõ của tín hiệu âm thanh, tần số đại diện cho nội dung của âm thanh. Trong hệ thống truyền âm thanh bằng laser dựa trên hiện tượng quang âm, cường độ âm và tần số của sóng âm sinh ra và truyền đến tai người nghe được lần lượt xác định như sau: βI D1/2Av2 P = √safe (1) 1/2 2 2fLCpr v f = (2) L Với P là cường độ âm, β là hệ số giãn nở nhiệt của vật chất trong môi trường, Isafe là cường độ của chùm laser ,D là đường kính của chùm tia laser, A là độ hấp thụ ánh sáng, v là tốc độ của âm thanh, fL là tần số của chùm tia laser, Cp là nhiệt độ môi trường, r là khoảng cách đến người nghe, f là tần số của tín hiệu âm thanh phát ra, L là độ dài của cung tròn mà chùm tia quét được. 3.3.4 Thông số kỹ thuật của hệ thống và tiềm năng 3.3.4.a Thông số kỹ thuật Nhằm đảm bảo an toàn về sức khỏe của người tiếp xúc với hệ thống, bước sóng của chùm tia laser được giữ ở mức cận hồng ngoại là: 1.9072 µm, đồng thời đường kính cũng như cường độ của chùm tia laser luôn được giữ ở mức sao cho công suất tác dụng trên một đơn vị diện tích không vượt quá 100mW/cm2. 3.3.4.b Tiềm năng Hệ thống truyền âm thanh dựa trên hiện tượng quang âm không chỉ mang tiềm năng phát triển lớn do ứng dụng của nó mà còn do khả năng hiện thực và đưa vào sự dụng. Lý do chủ yếu chính là hệ thống này dựa vào sự hấp thụ laser của hơi nước trong không khí để phát ra tín hiệu âm thanh, mà hơi nước luôn tồn tại trong môi trường xung quanh đặc biệt kể cả những nơi khô hanh nhất. Bài tiểu luận Trang 11/14
7. Trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính Hình 4.1: Minh họa truyền âm bằng laser ( dang-duoc-rao-riet-nghien-cuu-a420207.html) Nhờ đó, công nghệ truyền âm thanh bằng laser được kì vọng sẽ được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau: quân sự, bảo mật thông tin, thông tin và truyền thông, đặc biệt là trong đời sống hằng ngày. Chẳng hạn, trong một môi trường đông đúc vào ồn ào, hoặc trong một tình huống nguy hiểm, hệ thống truyền âm thanh bằng laser có thể truyền trực tiếp một thông điệp đến tai người nghe. Ngoài ra, hệ thống truyền âm thanh bằng laser tạo ra một âm thanh trong và rõ hơn. Điều này có thể được ứng dụng rộng rãi bằng việc thay thế cách truyền âm thông thường, chẳng hạn ứng dụng trong thông tin đại chúng, tại các sân bay, trong các cuộc họp , liên lạc trong tòa nhà cao tầng, hoặc nói chuyện trong một số môi trường ồn ào, 5 Kết luận Sử dụng tia laser để truyền âm là một công nghệ mới. Nghiên cứu và ứng dụng laser vào lĩnh vực công nghệ, đời sống, đặc biệt truyền âm bằng laser đã, đang và sẽ dần mở ra trong tương lai với nhiều triển vọng, đột phá trong lĩnh vực khoa học nói riêng và đời sống nói chung. Bài tiểu luận Trang 13/14