Comunicación LASER
I.E.S. Leonardo da Vinci –Majadahonda-
COMUNICACIONES ÓPTICAS Modulación, envío y recepción de una señal acústica mediante un rayo LASER
IES Leonardo da Vinci Avda. Guadarrama nº42 – 28220 Majadahonda –MADRIDTel. 91 638 74 23 FAX 91. 638 75 13 iesleonardodavinci@iesleonardodavinci.es http://www.iesleonardodavinci.es Tutor Raúl Baños raul.banos@educa.madrid.org Miembros del equipo de 4ºESO Ana Belén Gallego María Alcaide Pablo Fontes Irene Miguel Javier Arribas Mariana León
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INDICE 1. Radiación electromagnética. La luz 2. Luz Láser 3. Transporte de la información en ondas: modulación en amplitud y modulación en frecuencia 4. Comunicaciones ópticas: La fibra óptica Comunicación láser: enlaces terrestres y enlaces satelitales. Otras aplicaciones 5. Nuestro proyecto: Fundamento teórico: codificación analógica de la señal Prototipo de ensayo: Lista de materiales, secuencia de construcción y primeras pruebas. Versión definitiva del comunicador LASER: construcción y pruebas finales. Otros ensayos: escuchador a través del cristal.
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Nota del tutor del proyecto: El presente dossier pretende ser un trabajo no sólo de investigación teórica sino también de experimentación práctica. Ha sido llevado a cabo por un grupo de alumnos de 4º de ESO durante un período de dos meses en el taller de tecnología y el laboratorio de física del instituto. En el trabajo describimos cómo llevar a cabo la fabricación de un sistema capaz de enviar sonido en un rayo láser y de decodificarlo posteriormente con un dispositivo receptor. Antes de ello se ha hecho una introducción teórica al tema de ondas electromagnéticas describiendo además qué es y cómo funciona un láser, cómo se modula la información en ondas y la utilidad que tienen sistemas como este en la tecnología espacial de nuestro tiempo. El proyecto se completa con el diseño de una página web donde se ha incluido toda la información de este dossier además de un vídeo con el proceso de construcción de nuestro comunicador LASER experimental y las pruebas realizadas, invitamos pues a los evaluadores de este trabajo a visitar nuestra web: www.comunicadorlaser2011.tk
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1. Radiación electromagnética. La luz. La radiación electromagnética resulta de la combinación de campos eléctricos y magnéticos, que se propagan a través del espacio en forma de ondas portadoras de energía. Ejemplos de estas radiaciones son las ondas de radio, las microondas, las ondas infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Las vibraciones de las ondas electromagnéticas son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda (ondas transversales). Las ondas viajan a través del espacio, y no necesitan de un medio material para propagarse. James Clerk Maxwell fue el primero en realizar la observación teórica de que un campo electromagnético variable admite una solución cuya ecuación de movimiento se corresponde a la de una onda, capaz de propagarse tanto en un medio material como en el vacío. Las ecuaciones de Maxwell también sugieren que la velocidad de propagación en el vacío es constante.
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Albert Einstein, en su teoría espacial de la relatividad, dio con la solución teórica que explica la constancia de la velocidad de la luz, que en 1983 se fijó en 299.792.458 m/s, aunque comúnmente se dice que es de 300.000 Km/s. ese mismo año se definió la unidad de longitud Metro, como la distancia recorrida pos la luz en el vacío en 1/299.792.458 de segundo.
Heinrich Hertz, en 1888, realizó los primeros experimentos para detectar físicamente las ondas electromagnéticas. El comportamiento de las radiaciones electromagnéticas depende de su longitud de onda. Cuando la radiación electromagnética interactúa con átomos y moléculas puntuales, su comportamiento también depende de la cantidad de energía que lleve. La luz es un tipo de onda electromagnética, que presenta tres características fundamentales: •
Se propaga en línea recta.
•
Se refleja cuando choca contra la superficie de separación de dos medios diferentes.
•
Se refracta, es decir, cambia de dirección cuando pasa de un medio a otro.
Podemos diferenciar luz como: •
Espectro electromagnético (rango entero de radiación).
•
Espectro visible (luz visible).
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Luz visible: Nuestros ojos solamente reaccionan a las ondas electromagnéticas que ocupan un rango de longitud de onda que va de los 380 nanómetros (ultravioleta) a los 780 nanómetros (infrarrojo). La luz puede modularse y así ser usada para transmitir información. Las ondas de luz pueden transmitirse en el espacio libre usando un haz de luz láser o bien a través de un cable de fibra óptica. Las ondas inmediatamente más largas que la de la luz, son las llamadas microondas. Las que son inmediatamente más cortas, son los rayos X y los rayos gamma.
2. Luz Láser ¿Qué es? Un láser produce ondas luminosas con una única longitud de onda, emitidas a la misma dirección. El concentrarse todas esas ondas provoca que la luz láser sea muy intensa y con un color muy puro. Los láseres más antiguos estaban fabricados con una varilla de rubí, unos espejos y un tubo de xenón (ahora se utilizan otras fuentes de radiación). La luz del tubo de xenón excita a los electrones de los átomos de cromo del rubí, y los electrones suben a capas de energía superiores, algo que se conoce como “inversión de la población”. Para volver a su estado normal liberan energía en forma de fotones. Los fotones que inciden sobre otros átomos provocan la emisión de nuevos fotones idénticos al primero, y se desplazan por el tubo gracias a los espejos que los hacen reflejarse y que a su vez crean el haz láser. Uno de ellos no es completamente reflectante (un 99%) y es el que permite salir al haz de luz.
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Historia del LASER. La historia de láser comienza en 1916, Albert Einstein escribió las pautas para el desarrollo de los láseres y de los láseres posteriores, los máseres, utilizando para la formación la ley de radiación de Max Planck, En 1953, Townes y los estudiantes Gordon y Zeiger construyeron el primer máser: un aparato que funcionaba con los mismos principios que utiliza el láser pero que producen un haz de luz coherente de microondas el problema era que no era capaz de funcionar en continuadamente. Básov y Prójorov resolvieron el problema anterior, utilizando sistemas con más de dos niveles de energía. Estos últimos ganaron el Premio Nobel de Física en 1964. El primer láser funcionó la primera vez el 16 de mayo de 1960. Fue inventado por Theodore Maiman. Nueve años más tarde se encuentra la primera aplicación industrial del láser que era utilizarlo en las soldaduras de chapa en la fabricación de vehículos. En 1980, se encontró otro uso que era la utilización del láser en los rayos X. Más tarde se fueron descubriendo otros usos que fueron: un disco compacto por el cual se pudo oír música; ya en el siglo XXI crean un láser que puede manipular objetos muy pequeños, también se teletransporta un haz de luz láser de un lugar a otro, además otro es un chip láser facilitando el desarrollo de redes de comunicaciones mucho más rápidas y eficaces. -Aplicaciones. Hay muchos tamaños de láseres, desde diodos láser microscópicos, al láser de cristales de neodimio, que se usa para la investigación sobre armas nucleares de destrucción masiva u otros experimentos físicos. Cuando se inventó en 1960, se creyó que era una solución buscando un problema que resolver. Desde entonces se encuentran en todos los lados; se pueden encontrar en muchísimos tipos de aplicaciones, en cualquier parte de nuestra sociedad. Estas incluyen tanto como la electrónica de consumo, las tecnologías de la información, análisis en la ciencia, métodos de diagnóstico en medicina, así como el mecanizado, soldadura o sistemas de corte en sectores industriales y militares. En bastantes aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas como la coherencia, la alta mono cromaticidad y la capacidad de poder alcanzar potencias altas. Cuando se enfoca el láser potente sobre un punto, este punto recibe una enorme cantidad de
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energía. Esta propiedad hace que el láser pueda grabar gigabytes de información en los CD, DVD o Blu-ray. También esta propiedad hace posible que un láser de media o baja potencia pueda alcanzar altas intensidades y las cuales de pueden usar para cortar, quemar. El láser se utiliza en el proceso grabación o para marcar metales, plásticos y vidrio. Otra formas del uso de los láseres son: •
Diodos láser.
•
Láser de punto cuántico.
•
Láser de helio-neón.
•
Láser de dióxido de carbono - usado en industria para corte y soldado.
•
Láser excimer, que se obtiene luz ultravioleta y se utiliza en la fabricación de
elementos semiconductores y también en la cirugía ocular. •
Láser neodimio, que es un láser con mucho poder que opera con luz infrarroja; se
utiliza para cortar, soldar y marcar metales. •
Láser de Zafiro dopado con Titanio, es un láser infrarrojo el cual se sintoniza
muy fácilmente, este láser se utiliza en espectroscopia (que es el estudio de la cantidad de luz que absorbe, dispersa un objeto lo que se hace es descomponer la luz; también se utiliza para medir diferentes longitudes de onda de luz visible y no). •
Láser de fibra dopada con ebrio, un tipo de láser formado de una fibra óptica
especial, este se utiliza como amplificador para comunicaciones ópticas presenta una ventaja muy buena porque permite enviar datos a largas distancias, otra también es que no le afectan las interferencias electromagnéticas; esta aplicación es la que nosotros utilizamos en nuestro proyecto. •
Láser de colorante, que se usa en la espectroscopia porque es muy fácil
sintonizarlo y también por su bajo precio. Otros usos del láser normalmente son: •
Medicina: En las operaciones sin sangre, de la vista y también las odontológicas,
tratamientos quirúrgicos y de las piedras en el riñón, por último ayuda a la cicatrización de heridas. •
Industria: En el cortado, guiado de maquinaria y de los robots de fabricación,
también en mediciones de distancias precisas. •
Defensa: Guiado de balas, como una alternativa al radar, en otros casos como
cegando a las tropas enemigas.
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Ingeniería Civil: Guiando de máquinas tuneladoras, en diferentes aplicaciones en
la topografía como por ejemplo en las mediciones de distancias a lugares inaccesibles o en la realización de un modelo digital del terreno. •
Investigación: espectroscopia, interferometría láser (que es una tecnología que
permite medir la distancia, contando el número de las franjas de interferencia sobre un rayo de luz láser cuando se mueve un espejo reflector en una distancia). •
Desarrollos en productos comerciales: en las impresoras láser, CD, lectores de
código de barras, punteros láser, termómetros, hologramas, también se aplican en la iluminación de espectáculos. •
Tratamientos cosméticos y cirugía estética: en los tratamientos de acné, celulitis,
estrías y por último en la depilación. -¿En qué se diferencia de la luz normal? Lo que diferencia la luz natural de la luz láser es que la primera se expande en ondas desordenadas, está policromada y no es coherente, mientras que la luz láser se expande en ondas ordenadas, es coherente: las ondas no interfieren unos con otros a medida que viajan y por lo tanto pueden viajar a grandes distancias de manera colimada es decir, el haz se “abre” un ángulo muy pequeño y por tanto la energía permanece concentrada; la luz láser, además es monocromática, una sola longitud de onda: el conjunto de la luz es de un color exacto.
3. Transporte de la información mediante ondas Modulación en Frecuencia (FM): La modulación en frecuencia (FM) es el proceso de combinar una señal de Audio Frecuencia (AF) con otra de Radio Frecuencia (RF) en el rango de frecuencias entre 88MHz y 108MHz, tal que la amplitud de la AF varíe la frecuencia de la RF. Señal portadora RF
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Señal moduladora
Señal modulada Si la señal moduladora varía en frecuencia, no tiene efecto en las excursiones máxima y mínima de la frecuencia portadora, sino que solo determina la rapidez o lentitud con que ocurren las variaciones en la frecuencia. Es decir, que una frecuencia mas baja de modulación provoca que ocurran variaciones a una tasa más lenta, y una frecuencia mas alta de modulación hace que ocurran a una tasa más rápida. Sin embargo, las variaciones en amplitud de la señal moduladora sí afectan las excursiones máxima y mínima de la frecuencia portadora. Una señal de mayor amplitud provoca un mayor cambio en la frecuencia y una señal más pequeña provoca un cambio menor en la frecuencia. Modulación en Amplitud (AM):
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Modulación en Amplitud La modulación en amplitud es una mezcla de señales de AF y RF, de manera que las variaciones de amplitud de la señal de AF (moduladora) alteran la amplitud de la señal de RF (portadora). La onda modulada de RF mantiene una forma simétrica respecto a la amplitud cero.
En esta imagen podemos ver una comparación de la señal modulada en AM y FM por una misma señal moduladora.
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Nuestro proyecto es un ejemplo de modulación en amplitud. Siendo el láser la señal portadora, en este caso una frecuencia visible, y la música la señal moduladora. Lo que produce en la luz del láser es que tenga más o menos intensidad. 4. Comunicaciones ópticas La fibra óptica. La fibra óptica es una vía de transmisión que tiene uno de sus principales usos en redes de datos. Consta de un fino hilo, el cual está formado de un material transparente, que va desde vidrio hasta materiales plásticos, a través de los cuales se transmiten pulsos de luz que se corresponden con los datos a transmitir. El haz luminoso transportado viaja por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión que se sitúa por encima del ángulo límite de reflexión total, que se ajusta a los parámetros establecidos por la ley de Snell (refracción). Tal y como hemos hecho en nuestro proyecto, la fuente de luz es láser, aunque también puede provenir de un LED. Su uso está muy difundido en lo que a telecomunicaciones se refiere, ya que presenta la gran ventaja de que permite enviar datos a largas distancias. Además, al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, se aplica a las redes locales. En el interior del cable se albergan unos filamentos, cada uno de los cuales consta de un núcleo central de plástico o cristal que presenta un alto índice de refracción, y que se encuentra rodeado de una capa del mismo material, pero con un índice de refracción mas bajo. En el momento en el que el haz de luz alcanza la superficie que limita con una zona de menor refracción, se refleja en gran parte, a medida que sea mayor la diferencia de índices y el correspondiente ángulo de incidencia. Es entonces cuando podemos hablar de reflexión interna total. En su interior, la luz se refleja chocando contra las paredes de la fibra, describiendo durante su transito ángulos muy abiertos. De esta manera, se pueden enviar señales luminosas sin demasiadas pérdidas a lo largo de grandes distancias.
Entre las principales ventajas que presenta podemos destacar:
1.
Por ella pueden transcurrir flujos muy elevados.
2.
Debido a su escaso volumen, no ocupa mucho espacio.
3.
Presenta una enorme flexibilidad, ideal para diversos tipos de instalaciones.
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4.
Es muy ligero.
5.
Total inmunidad a elementos electromagnéticos, lo que comporta gran calidad de
transmisión. 6.
No es fuente de posibles interferencias.
7.
Buenas propiedades mecánicas, como frente a la tracción.
8.
Resistente a medios adversos, como frío, corrosión…
9.
Facilidad en reparaciones gracias a un eficaz sistema de telemetría.
Por el contrario, también puede presentar ciertos inconvenientes: 1.
Las fibras son bastante frágiles.
2.
Para su uso se requieren transmisores y receptores más caros.
3.
Se presenta gran dificultad a la hora de empalmar las fibras.
4.
La incapacidad para transmitir potencias elevadas por parte de la fibra óptica
tradicional. 5.
La inexistencia de memorias ópticas.
Comunicación láser: enlaces terrestres y satelitales. Aplicaciones. En la actualidad los dispositivos láser desempeñan un papel primordial en el futuro de las comunicaciones. Los haces de luz que se derivan de un láser tienen la capacidad de transmitir simultáneamente mensajes de forma muy superior al que poseen los sistemas telefónicos tradicionales. Los prototipos de sistemas de comunicación vía láser ya son una realidad y puede que en un futuro no muy lejano veamos como sustituyen en gran medida a las ondas de radio. La luz láser tiene la propiedad de viajar largas distancias por el espacio con una pequeña reducción de la intensidad que se le aplica a la señal. Es debido también a su alta frecuencia que tiene la capacidad de transportar aproximadamente 1000 veces más cadenas televisivas de los que pueden transportar las microondas convencionales. Por todo ello el láser resulta un instrumento muy eficaz en la aplicación a comunicaciones espaciales, como las que se realizan entre satélites. E incluso se han llegado a desarrollar fibras ópticas de baja pérdida que transmiten luz láser para comunicaciones terrestres, tales como redes telefónicas o informáticas. Las comunicaciones láser terrestres y satelitales emplean una tecnología de propagación de la luz en el espacio para enviar información entre dos puntos. Las transmisiones de láser de infrarrojo directo envuelven las mismas técnicas empleadas en la transmisión por fibra óptica, excepto que el medio en este caso es el aire libre. El láser tiene un alcance de hasta 10 millas, aunque casi todas las aplicaciones en la actualidad se realizan a
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distancias menores de una milla. Típicamente, las transmisiones en infrarrojo son utilizadas donde la instalación de cable no es factible entre ambos sitios a conectar. Las velocidades típicas de transmisión a esas distancias son 1.5 Mbps. La ventaja del láser infrarrojo es que no es necesario solicitar permiso ante las autoridades para utilizar esta tecnología. Debe de tenerse mucho cuidado, en la instalación ya que los haces de luz pueden dañar al ojo humano. Por lo que se requiere un lugar adecuado para la instalación del equipo. Ambos sitios deben de tener línea de vista. Para distancias cortas las transmisiones vía láser / infrarroja es una excelente opción. Lo cual resulta en poco tiempo más económico que el empleo de estaciones terrenas de microondas. Se utiliza bastante para conectar LANs localizadas en diferentes edificios.
Uno de los principales usos actuales que se hace del láser es en el ámbito de la ingeniería aeroespacial, el cual situado en determinados lugares puede ofrecer fines militares o logísticos. El hecho de que se recurra a la colocación de este dispositivo en el espacio responde a dos necesidades: una mayor zona de alcance, ya que un láser montado en un satélite que orbite a varios kilómetros alrededor de la Tierra tiene un alcance mucho mayor que cualquier láser móvil terrestre; y también una mayor eficiencia de los paneles solares, ya que estos pueden ser la fuente de alimentación del láser, al ser muy efectivos en el vacío espacial, donde no hay atmósfera alguna que disperse la energía solar. Un rayo láser puede ser transmitido a través de largas distancias mediante una pequeña reducción de su intensidad de señal. Actualmente se este experimentando con la comunicación láser en las misiones Smart de la Luna, y en el 2010 fue probada en Marte.
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Hace poco más de un año, se consiguió que dos satélites intercambiasen información usando la tecnología láser. Este logro es de gran relevancia, ya que podría suponer un más eficaz y rápido sistema de transmisión de información entre naves espaciales. Este empréstito fue llevado a cabo por dos sondas espaciales, una japonesa, Kirari, y la otra europea, llamada ARTEMIS. El éxito de la misión es una gran proeza ingeniera, ya que mantener una conexión láser entre dos satélites es muy difícil, debido a los posibles miles de kilómetros de separación entre ellos y a la gran velocidad a la que se mueven. Los científicos esperan utilizar los láseres para la comunicación porque funcionan en frecuencias más altas que los radiotransmisores convencionales, y pueden así transmitir más información en menos tiempo. La Agencia Espacial Japonesa (JAXA), ha comunicado que la prueba puede contribuir a facilitar la manera en que los satélites de observación ambiental en órbita baja envían datos eficientemente a otro en orbita geoestacionaria.
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5. Nuestro proyecto -Fundamento teórico: En nuestro proyecto tratamos de transmitir sonido a distancia haciendo uso de un láser, modulando su intensidad (modulación AM) mediante el uso de un transformador cuya misión es superponer la señal del sonido sobre la del láser. La señal analógica es recogida en el sistema receptor mediante una resistencia LDR y es decodificada mediante el programa de tratamiento de sonido Audacity (software libre). -Prototipo de ensayo El proyecto lo hemos dividido en dos partes: sistema emisor y sistema receptor. Para el sistema emisor se necesitan, una pila, un transformador 8:8000, un puntero láser de 5mW, una clavija mono de audio y cables de conexión. Para el sistema receptor se necesitan, una resistencia LDR, otra clavija mono y un dispositivo que recoja y codifique la señal analógica, en nuestro caso, un ordenador con el programa de sonido mencionado con anterioridad instalado. También requerimos dos soportes de los utilizados en los laboratorios de Física y Química para el equipo emisor y receptor respectivamente.
Especificaciones técnicas del transformador de audio utilizado
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Construcción: Sistema emisor: se conectan en serie la pila, el circuito de 1000 Ohm de resistencia del transformador y el puntero láser, al que anteriormente le hemos quitado las pilas y lo hemos conectado a nuestra propia batería. El lado de 8 Ohm del transformador hay que conectarlo con el dispositivo reproductor de audio mediante la clavija mono jack de 3.5mm. Para “encapsularlo” todo hemos utilizado una caja de madera rígida y aislante de aproximadamente 10x10x10 cm. En ella hicimos un agujero con una broca del diámetro del puntero, para colocarlo de manera que quede todo el tiempo pulsado. Al introducir el circuito en la caja, tuvimos especial cuidado en utilizar materiales aislantes y separar los cables para que no se produjese ningún cortocircuito. Gracias a la forma de la caja no se tuvo que hacer un agujero por donde pasara la clavija mono de audio. Para finalizar, después de comprobar su funcionamiento añadimos un pulsador en la parte superior de la caja y lo conectamos al circuito, haciéndolo más manejable. En principio, el sistema emisor era alimentado por un pila de 4,5V pero sacamos dos cables más para
una
posible
alimentación
externa
mediante fuente.
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Sistema receptor: conectamos la LDR al ordenador mediante la otra clavija mono
jack
de
audio.
Para
el
“encapsulado” escogimos un cilindro hueco de cartón sin una de sus bases, colocando
dentro
la
resistencia
dependiente de la luz, de manera que quedara lo suficientemente aislada de la luz del entorno y siendo cómoda a la hora de apuntar con el láser. La LDR y la clavija mono jack de 3.5mm fueron conectadas mediante un cable de aproximadamente 1 metro y una clema. Aislar la LDR de la luz del medio, supuso mucha mas nitidez al recibir la reproducción con respecto a las pruebas iniciales. Con un móvil para reproducir sonido y con todo montado probamos con un transformador sacado de un cargador de un móvil, con el cual el ordenador no distinguía apenas variación y no se escuchaba
nada.
transformador
Cuando
adecuado
conseguimos y
se
el
escuchaba
decentemente descubrimos que no hacía falta pila en el sistema receptor dado que el ordenador alimentaba todo el circuito. Primeras pruebas en el taller de tecnología
Puntero láser 5mW
Transformador de audio 8:1000 Ohm 8ohm
5V
Conectores mono 3.5mm
1000ohm
LDR
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Tanto los ensayos de pruebas como el montaje del prototipo definitivo tuvo lugar en el taller de Tecnología del Instituto.
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Pruebas finales. Las pruebas finales tuvieron lugar en el Gimnasio del Instituto, para hacer la prueba de distancia decidimos colocar los equipos emisores y receptores en la diagonal del campo de baloncesto. Para ver el vídeo de las pruebas www.comunicadorlaser2011.tk
Emisor
35m.
Receptor
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Otros ensayos.
Escuchador a través del cristal: un experimento curioso que tuvimos ocasión de realizar fue el de tratar de captar las vibraciones de un cristal utilizando nuestro dispositivo: pusimos el emisor apuntando al cristal, y el láser que rebotaba recogido por el receptor, de manera que se percibieran todas las vibraciones del cristal ocasionadas bien por pequeños golpes o por las ondas de presión de una voz que grita cerca de él. Las vibraciones del cristal provocan mínimos cambios en el ángulo de incidencia del láser pero suficiente para que la LDR
capte
una
variación
de
intensidad que el ordenador se encarga de transformar de nuevo en sonido. Hemos comprobado que la nitidez de la voz es mejor si se apunta lejos del marco del vidrio, por que es en el centro donde hay mas vibración.