Hören mit Licht

Hören mit LichtBau einer LaserabhöranlageMax Burggraf; Gymnasium TutzingFach PhysikJugend forscht 2009Kurzfassung:Ziel meines Projektes ist eine Laserabhöranlage für Gespräche hinter einer Fensterscheibe. Die Schallwellen, die einSchallerzeuger dahinter verursacht, regen die Scheibe zum Schwingen an. Diese Schwingungen werden detektiert, verstärktund wieder in Töne umgesetzt. Dazu habe ich zwei verschiedene Versuchsprinzipien ausprobiert und miteinanderverglichen: 1) Die Reflexion eines Laserstrahles an der schwingenden Scheibe und 2) Interferenzen, die durch dieschwingende Scheibe mit dem Prinzip eines Michelson Interferometers entstehen. Mit geeigneten Empfängern und Verstärkerngelang es, mit beiden Prinzipien Töne im Laborversuch an Glasscheiben abzuhören.

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 1A INHALTSVERZEICHNISA INHALTSVERZEICHNIS ........................................................................................................................ 1B EINLEITUNG ........................................................................................................................................... 1C EXPERIMENTE ....................................................................................................................................... 21 Allgemeine Vorversuche ....................................................................................................................... 21.1 Ziele der Experimente ................................................................................................................... 21.2 Verschiedene Empfänger ............................................................................................................... 21.3 Verschiedene Verstärker ................................................................................................................ 22 Ablenkung an der Scheibe – An/Aus Signal ......................................................................................... 32.1 Prinzip............................................................................................................................................ 32.2 Vorversuche An-/Aussignal: Lochscheibe .................................................................................... 32.3 Ablenken eines Laserstrahls an einer bewegten „Fenster“-Scheibe.............................................. 53 Interferometer – Veränderung der Helligkeit ........................................................................................ 93.1 Vorversuch: Amplitudenmodulation ............................................................................................. 93.2 Laserabhöranlage mit Hilfe eines Michelson Interferometers ..................................................... 12D DISKUSSION ......................................................................................................................................... 14E DANK ..................................................................................................................................................... 15F QUELLEN ............................................................................................................................................... 15G ANHANG ................................................................................................................................................... ITeileliste ......................................................................................................................................................... IAbbildung zur Zeitverzögerung...................................................................................................................... ISchaltpläne .................................................................................................................................................... IIProgramm .................................................................................................................................................... IIIDiagramme .................................................................................................................................................. IVB EINLEITUNGAuf 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, denSie 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 abgehörtwerden sollen, müssen sich dabei in einem Raum hinter einem Fenster befinden, sonst kann mein Mikrophonnicht 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 Lasermikrofonesogar 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 Lasermikrofonzu bauen, testete ich zwei dieser Möglichkeiten.1) 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 zeitlichenVerlauf etwa dem zeitlichen Verlauf des Schalls, der auf beiden Seiten der Fensterscheibe verläuft, soauch 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).2) Ein technisch aufwendigeres Lasermikrofon benutzt das Prinzip der Michelson-Interferenz. Hierbeiwird der Laserstrahl durch Teilreflexion aufgespalten und nur einer der beiden Strahlen zur schwingendenFensterscheibe geschickt. Dieser wird reflektiert und gelangt wieder zurück. Die beiden Strahlenwerden dann überlagert. Dabei kommt es zur Interferenz, deren Änderung den Schwingungen derScheibe entspricht und mit einem Empfänger-Verstärker System hörbar gemacht werden kann.

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 2C EXPERIMENTE1 Allgemeine Vorversuche1.1 Ziele der ExperimenteZu 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 Versucheverwendet. 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 (sieheQuellen).1.2 Verschiedene EmpfängerEs sollten Lichtwellen detektiert werden, also muss es sich beim Empfänger um lichtempfindliche Sensorenhandeln. Folgende Empfänger wurden getestet und nach den Schaltplänen (siehe Anhang) gelötet:1. Einen lichtempfindlichen Widerstand FW300: Je mehr Licht auf den lichtempfindlichen Widerstandfällt, desto geringer wird der Widerstand. Er benötigt eine Stromquelle, um zu funktionieren.2. Die Fotodiode BPW 34 von Osram: Eine Fotodiode wirkt wie eineSolarzelle. Fallen Lichtwellen auf die Fotodiode, bzw. Solarzelle,erzeugt diese Strom, deshalb ist in diesem Empfänger keine Batterieerforderlich. Mehrere Fotodioden sollten mehr Licht „auffangen“können. Also habe ich eine Platine gelötet mit einer, zwei und vierFotodioden. Mit einem Drehschalter konnte ich zwischen den verschiedenenEmpfängern umschalten (siehe Abbildung 1). DiesenAufbau verwendete ich auch später bei der zweiten Laserabhöranlage.Abbildung 11.3 Verschiedene VerstärkerDa die Ausgangsspannung der Empfänger zu klein war (max. 50mV), wurde ein Verstärker benötigt, um dieAusgangsspannung zu erhöhen, bevor sie an einen 8 Ω Lautsprecher angelegt werden konnte. Ich testete verschiedeneVerstärkertypen:1.3.1 NF-Verstärker TBA 820 MDen Schaltplan für diesen Niederfrequenzverstärker fand ich im Anleitungsheft des Kosmos ElektronikkastensXN2000 (S.72/73). Er funktioniert mit dem Verstärker-IC-Chip TBA 820 M. Die maximale Verstärkerleistungliegt bei 2 Watt (Abbildung 2 und Abbildung 3).Abbildung 2: Niederfrequenzverstärker mit dem IC-ChipTBA 820 M. Mit dem Potentiometer stellt man die Verstärkerleistungein.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 Verstärkerleistungbeträgt 1 Watt. Er hat sich allerdings als nicht leistungsfähig genug erwiesen. Der Schaltplan befindet sichim Anhang.1.3.3 NF-Verstärker TBA 820 M als Vorverstärker mit KEMO-VerstärkerDieser Verstärkeraufbau besteht aus der Kombination von zwei Verstärkern: dem NF-Verstärker mit demTBA 820 M (siehe 1.3.1) und einem KEMO-18W-Verstärker, den ich gekauft habe. In meinem Aufbau habe

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 3ich noch einen Drehschalter eingebaut (Abbildung 4 und Abbildung 5), mit welchem man zwischen demEinsatz entweder des NF-Verstärker alleine oder beider Verstärker zusammen umschalten kann.Abbildung 4: Niederfrequenzverstärker mit dem IC-Chip TBA 820 M. Mit demPotentiometer stellt man die Verstärkerleistung ein.Abbildung 5: KEMO Verstärker mitUmschaltpult von vorne und hinten.2 Ablenkung an der Scheibe – An/Aus Signal2.1 PrinzipEin Laserstrahl wird auf die Scheibe gelenkt und von dort reflektiert. In der Ruheposition, d.h. wenn dieScheibe nicht schwingt, sollte der reflektierte Strahl genau auf einen Empfänger bzw. Fotodiode treffen. Redenhinter der Scheibe Personen, oder es werden z.B. durch Musik andere Schallwellen erzeugt, fängt dasFenster an minimal zu schwingen. Das heißt, die Position der Scheibe verändert sich ein kleines bisschen. Esist auch denkbar, dass die Fensterscheibe sich durch die Schallwellen ein klein wenig biegt, und sich so derReflexionswinkel verändert. Der Laserstrahl wird von der neuen Position gespiegelt, also trifft der reflektierteStrahl an einer anderen Stelle oder nicht mehr auf den Empfänger (siehe Abbildung 6). Es entsteht dabeiein Signal, das einem An-/Aussignal ähnelt; dieses entspricht genau den Schwingungen der Scheibe. DerEmpfänger kann es in ein Spannnungsmuster umwandeln, siehe Experiment mit der Lochscheibe.ABAbbildung 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 Ausgangssignaldes Empfängers.2.2 Vorversuche An-/Aussignal: Lochscheibe2.2.1 Ziel des ExperimentsIch wollte testen, ob ich einen Ton erzeugen kann, indem ich eine Fotodiode mit einer schnellen, gleichmäßigenFolge von Lichtsignalen beleuchtete. Die Idee war, die Diode 660-mal in der Sekunde, das heißt miteiner Frequenz von 660 Hz, zu beleuchten. Dabei sollte der Ton „E2“ zu hören sein.

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 42.2.2 VorgehenUm ein An-/Aussignal aus Licht von 660 Hz zu erhalten, baute ich eine sich drehende Lochscheibe. Den Laserstrahlstellte ich so ein, dass er immer durch die Löcher leuchtete. Dreht sich die Scheibe mit einer bestimmtenGeschwindigkeit, kann man Lichtsignale von 660 Hz erreichen (siehe Abbildung 9).2.2.3 Bau des GerätsAls erstes baute ich eine Drehscheibe, bei der ich die Drehgeschwindigkeit bestimmen konnte. Dazu habe ichFischertechnik und ein selbstgeschriebenes RoboPro Programm (siehe Anhang) verwendet.Abbildung 7: LochscheibeDer Motor trieb eine Welle mit einem möglichst großenZahnrad an (40 Zähne), das wiederum ein anderes, möglichstkleines Zahnrad antrieb (10 Zähne). So erhielt icheine Übersetzung, mit der ich die Lochscheibe mit einerhohen Geschwindigkeit drehen lassen konnte. An der Welle,die vom Motor angetrieben wurde, befestigte ich einNockenrad mit vier Nocken. Es betätigte bei jeder ViertelUmdrehung einmal den Tastschalter (Abbildung 7). EinComputerbaustein (ROBO Interface, Fischertechnik)steuerte den Motor an und überprüfte den Taster(Abbildung 7). Aus diesen Impulsen berechnete meinProgramm die Anzahl der Tastungen pro Zeiteinheit unddie Umdrehungen pro Sekunde. Daraus berechnete ich dieerforderliche Anzahl der Löcher in der Scheibe um Lichtblitzeder Frequenz von ca. 660 Hz zu erhalten. Diesebohrte ich in eine Plastikscheibe (siehe Abbildung 7).2.2.4 Durchführung und VersuchsaufbauDer Laser leuchtete durch die Löcher der sich drehenden Scheibe auf die Empfängerdiode. Der Laserstrahlwird dabei jeweils für die Zeit, die von der Scheibe benötigt wird, um sich von einem Loch zu dem nächstenzu drehen, unterbrochen. So detektierte die Fotodiode in schnellem Wechsel so etwas wie ein An/Aus Licht-Signal. Dieses wurde von meinem NF-Verstärker verstärkt. Von dort aus wurde das Spannungssignal entwederan einen Lautsprecher, der den durch meine Lochscheibe entstehenden Ton wiedergab, oder in den LineInder Soundkarte meines Laptops weitergegeben (siehe Abbildung 8). Mit dem Programm „Zelscope evaluationversion“ (www.zelscope.com) konnte ich die Wellen des Tones sichtbar machen und auch dieFrequenz messen. Um dieseMesswerte zu überprüfen, habe ichzur Bestimmung des Tones zusätzlichdas Stimmgerät meiner Gitarreverwendet. Anschließend verglichich die Messergebnisse mitden theoretischen Werten, diemein Programm ausgehend vonder Drehgeschwindigkeit berechnetAbbildung 8: Skizze zum Versuchsaufbau des Experiments „Lochscheibe“.hatte.2.2.5 ErgebnisseMit 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 sowohlmit dem Gitarrenstimmgerät als auch mit dem Oszilloskop gemessen (siehe Abbildung 9). Dieser Wertstimmte mit dem berechneten Wert aus der Drehgeschwindigkeit aus dem RoboPro Programm gut überein(siehe Abbildung 10).Damit habe ich gezeigt, dass dieIdee die Laserabhöranlage nachdem Prinzip des abgelenkten Laserstrahlsan einer schwingendenScheibe funktionieren kann.Abbildung 9: Anzeige des Tons der durchdas An/Aus des Lichtsignals an der Lochscheibeentstand.Abbildung 10: Anzeige des RoboProProgramms mit der aus der Drehzahltheoretisch berechneten Frequenz.

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 52.2.6 Aufgetretene ProblemeDie Frequenzen, die mein Fischer Technik Programm berechneten, waren ungenau, da das Programm nurmit Integer-Zahlen, das heißt nur mit ganzen Zahlen, rechnen konnte. Demnach musste oft gerundet werdenund das führte dazu, dass die Ergebnisse sich nur in Sprüngen von 32 verändert haben. Daher waren die berechnetenZahlen ungenau.Die „Zacken“ in dem Oszilloskop Bild entstehen vermutlich durch die etwas ungleichmäßigen Löcher inmeiner Scheibe und eine leichte Unwucht beim Drehen.2.3 Ablenken eines Laserstrahls an einer bewegten „Fenster“-Scheibe2.3.1 Ziel des ExperimentsIm Vorversuch der sich drehenden Lochscheibe hatte ich gezeigt, dass das Prinzip der Tonübertragung perLaserreflexion an einer Fensterscheibe funktionieren kann. Jetzt wollte ich versuchen die Schwingungen einerFensterscheibe, die durch Geräusche hinter dem Fenster erzeugt wurden, in Tonsignale umzuwandeln.2.3.2 VersuchsaufbauAls erstes habe ich die Scheibe aufgestellt. Dahinter stellte ich eine Lautsprecherbox die mit meinem Mp3-Player verbunden war. 75 cm 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 Musikübertragungmessen 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). Damitbeide Signale von der Soundkarte aufgezeichnet werden konnten wurden sie über ein selbstgelötetes Interfacemiteinander gekoppelt (siehe meine Jufo Arbeit 2008; Schaltplan siehe Anhang). So konnte ich mit Hilfedes Zwei-Kanal Oszilloskops (Zelscope) beide Kanäle gleichzeitig aufzeichnen und miteinander vergleichen.ABAbbildung 11: Hier sieht man den Aufbau der Laserabhöranlage als Skizze und als Foto.2.3.3 Durchführung allgemeinIch testete meinen Aufbau des Laserabhörgeräts mit verschiedenen Parametern:1) Verschiedene „Fensterscheiben“: Zellophanfolie, Spiegel und Glas.2) Verschiedene Laser: roter Laser (633 nm) und grüner Laser (532 nm).3) Verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Übertragungsqualität.2.3.4 ErgebnisseBei diesen Versuchen habe ich verschiedene Scheiben, verschiedene Musikstücke, verschiedene Laser undverschieden viele Empfänger-Dioden getestet.Als Musikstücke verwendete ich: a) bubble (Klingelton eines Motorola Razr V3 Handys) b) Anfang des LiedesMachine 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 Abbildung12 sind die Tonspuren der Lieder zu sehen.

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 6Bubble, Handyton machine gun Monsterpartygive a little bitgesprochener TextAbbildung 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 Zellophanscheibemit einer Fotodiode als Empfänger und dem grünen Laser funktioniert. Allerdings war ein Störgeräuschfestzustellen. Die Ausgangsmusik wurde mit dem übertragenen Signal nicht exakt abgebildet. Diesbedeutet, dass die Qualität der übertragenen Musik nicht besonders gut war (siehe Abbildung 13).ABAbbildung 13: In A sieht man oben die Tonspur des Handytons “bubble“, unten die des dazugehörigen, übertragenen Signals. UnterB kann man oben die Aufzeichnung des Liedes „give a little bit“ und darunter das Ausgangssignals des Empfängers, bei demselbenLied, 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 Fotodiodenwurden folgende Ergebnisse erzielt (Abbildung 14).Es wurde eine bessere Qualität erreicht; das kommt daher, dassmehr Licht von den Fotodioden detektiert werden konnte. MehrEinzelheiten der Musik wurden übertragen, das konnte ich auchsehr gut in der Ausgabe des Oszilloskop-Programms sehen. Ausdemselben Grund war die Spannung höher, und somit die übertrageneMusik lauter.Das Störrauschen, das bei allen Versuchen vorhanden war, änderteim Gegensatz zu dem Musiksignal seine Intensität nicht.Abbildung 14: Signale des Oszilloskops überden LineIn Eingang des ComputersDabei stellte ich fest, dass das empfangene Signal mit einer Zeitverzögerungvon 2,71 Millisekunden eintraf. Das war darauf zurückzuführen,dass der Schall von dem Lautsprecher ein kleines bisschen Zeit brauchte um bei der Scheibeanzugelangen (siehe Anhang).2.3.5 Verschiedene Scheiben, Töne und LaserAußerdem testete ich unter welchen Bedingungen meine Laserabhöranlage auch an „echten“ Glasscheibenfunktionieren kann. Dazu verglich ich die Modellscheibe aus Zellophan mit einem Spiegelglas (250 x 250 x2 mm) und einer Glasscheibe (250 x 300 x 2 mm). Es wurde dabei jeweils der synthetische Handyton, einMusikstück und Sprache übertragen. Als Laser setzte ich den roten Laser, den grünen Laser mit und ohneVerstärkung der Laserleistung ein. Als Empfänger benutzte ich eine und vier Fotodioden und den TBA Verstärker.2.3.6 ErgebnisseBei der Ablenkung an einer Zellophanscheibe funktionierte die Laserabhöranlage am besten. Die übertragenenTöne 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 synthetischeHandyton übertragen, da er nur aus ein paar einfachen Tonfolgen besteht. Mit der Musik und dem Hörbuchkonnte 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 mehrmit vier Dioden durchführte.Überträgt man Sprache an einem Glas-Spiegel auf eine Diode, so waren die übertragenen Signale zuschwach. Man konnte zwar verstehen, dass gesprochen wird, aber keinen Inhalt. Auch hier zeigte der hellegrüne Laser das beste Ergebnis. Das Experiment, die Musik durch eine Fensterglasscheibe zu übertragen,

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 7funktionierte mit diesem Versuchsaufbau gar nicht. Obwohl auf dem Oszilloskop ein genaues Signal derübertragenen 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“ Handysignalkonnte man hinter einem Glasspiegel nur mit dem grünen hellen Laser abhören. Der zusätzlicheKemo Verstärker brachte bei dem „Bubble“ keine Verbesserung. Wählt man ein Musikstück mit vielen Bässenaus (z.B „machine gun“), dann werden mit der zusätzlichen Lichtleistung bei dem grünen Laser notwendigeEinzelheiten 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 Liedwie 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 LeistungHandytonZellophanfolieMusikSpracheHandyton Ging nicht Ging nicht Ging nichtMusik Ging nicht Ging nicht Ging nichtSpiegelSpracheGlasscheibeHandyton Ging nicht Ging nicht Ging nichtMusik Ging nicht Ging nicht Ging nichtSprache Ging nicht Ging nicht Ging nicht4 Dioden grüner Laser grüner Laser, viel LeistungNur TBA 820 M Mit KEMO Nur TBA 820 M Mit KEMOHandytonKein UnterschiedKein UnterschiedSpiegelMusik(machinegun)Glas Ging nicht Ging nicht Ging nichtTabelle 1: Signale im 2-Kanal Modus des Oszilloskops

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 82.3.7 DiskussionDie Laserabhöranlage funktioniert fast gar nicht bei der verwendeten Glasscheibe; dies liegt zu einem Teildaran, dass die Scheibe sehr schwer ist und deswegen nur schwach schwingt. Außerdem wird das Laserlichtan 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 derGlas-Spiegel auch sehr schwer ist, funktioniert bei diesem die Abhöranlage nur schlecht. An einer großenFensterscheibe habe ich meine Anlage nicht getestet.Der helle, grüne Laser hat immer das präziseste und lauteste Signal erzeugt. Das liegt daran, dass dieses Laserlichtbesonders hell und somit über die höchste Lichtleistung verfügt.Der rote Laser mit der Wellenlänge 633nm liegt näher am Maximum der Empfindlichkeit der FotodiodeBPW 34 (siehe Abbildung 24) als der grüne Laser (531nm). Obwohl der grüne Laser einen wesentlich schärferenLichtstrahl erzeugt, unterscheiden sich die Ergebnisse bei manchen Experimenten deswegen kaum. Diebesseren optischen Eigenschaften des grünen Lasers werden erst bei den Versuchen mit den schweren Scheibenbemerkbar. Hier konnte ich mit dem roten Laser kein erkennbares Signal erzeugen.2.3.8 Maßnahmen zur QualitätsverbesserungMehr Laserleistung; weniger VerstärkerleistungJe mehr Laserlicht (oder generell Licht) auf die Fotodiode trifft, desto höher ist die Eingangsspannung. Sokann man mit niedriger Verstärkerleistung und hoher Eingangsspannung denselben Effekt erzielen wie mitwenig Eingangsspannung und hoher Verstärkerleistung. Der einzige Unterschied dabei ist, dass die Störungennicht mehr mit verstärkt werden, wenn man die Verstärkerleistung verringert. Somit kann man die Störgeräuscheetwas reduzieren (siehe Abbildung 15 und Abbildung 16).Abbildung 15: Auf der linken Seite kann man hier das Ausgangssignaldes Empfängers sehen, wenn das Laserlicht normal starkistAbbildung 16: Hier kann man links das Signal, das der Empfängerdetektiert, sehen, wenn die Laserleistung höher ist.Rechts sieht man das Signal nach dem Verstärken.Störlicht eliminierenDa ich Fremdlicht, wie Tageslicht, Zimmerlampen oder ähnliches ausschließen wollte führte ich einen Großteilder 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 eswar schwer, die Röhre und den eingehende Laserstrahl richtig auszurichten. Deshalb hat sich diese Maßnahmenicht bewährt.Leitungen und Stromversorgungen überprüfen (Antenneneffekte, Wechselstrom, Leitungsverluste)Bei der Verwendung des KEMO Verstärkers setzte ich einen Trafo zur Stromversorgung aus der Steckdoseein. Dabei entstand ein Störbrummen von ca. 50 Hz. Dies entspricht der Frequenz des Wechselstroms aus derStreckdose. Um dies zu vermeiden, verwendete ich stattdessen eine 9V Blockbatterie.

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 9ReflexionswinkelAbbildung 17: Vergleich der Musikübertragung bei kleinem und großem Einfallswinkel. Die dabei erhaltenenErgebnisse 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 (αund 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 Entfernungzwischen Empfänger und Laser vergrößert, wird der Laserstrahl auf dem Empfänger bzw. schon aufder Scheibe zu einem Oval. Derselbe Lichtstrahl beleuchtet nun eine viel größere Fläche (Abbildung 17). DieFotodioden nehmen jetzt auf ihrer ganzen Sensorfläche Signale auf, was die Intensität des empfangenen Signalesverbessert, die Musik wird lauter (siehe Abbildung 17).Diesen Versuch führte ich mit einer Diode, der Zellophanfolie, dem grünen Laser, zwei verschiedenen Winkelnα =5° und α =41° und dem Musikstück „bubble“ durch.2.3.9 Weitere aufgetretene ProblemeBei meinen Versuchen bemerkte ich, dass ich durch die langen Kabel, die wie Antennen funktionieren, ganzleise im Hintergrund Mittelwellenradio empfing. Dies könnte man vermeiden indem man bessere Abschirmungenfür die Kabel mit Metallgewebe verwendet.3 Interferometer – Veränderung der Helligkeit3.1 Vorversuch: Amplitudenmodulation3.1.1 PrinzipBei 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 Wellesehen.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 VersuchsIn diesem Experiment versuchte ich Musik mit Hilfe der Amplitudenmodulation zu übertragen, um zu testenwelche Diode als Empfänger mit welchem Licht am besten funktioniert. Bei einem meiner Versuche zur La-

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 10serabhöranlage wird das Prinzip der Interferenz verwendet. Sowohl bei der Amplitudenmodulation als auchbei der Interferenz verändert sich die Helligkeit des Signals, das auf dem Empfänger trifft. Das heißt, fürbeide Versuche können die gleichen Detektoren verwendet werden. Die Fotodiode detektiert eine Änderungder 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 einemMp3 Player sollte als Signalspannung dienen.3.1.3 Bau der SenderAlle drei Sender lötete ich nach dem gleichem Schaltplan (Abbildung 20). Außerdem schaltete ich zwischendie Batterie und den Sender einen An-/Ausschalter und steckte das Ganze jeweils in eine „Tic-Tac“-Dose. Inden Deckel kam noch die Klinkenbuchse, um das Eingangssignal (Signalspannung), also die Musik vomMp3-Player (Abbildung 21), auf das Trägersignal – das konstante Licht der LEDs - zu übertragen. Dadurchändert sich die Spannung und damit die Amplitude des Lichts (Amplitudenmodulation). Das heißt, dass dieDiode heller oder dunkler wird.Abbildung 20: Schaltplan für die Sender(gezeichnet mitTarget 3001 .Abbildung 21: Hier sind die IR und die rote LED gezeigt.3.1.4 Aufbau und DurchführungUm 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 aufgestelltund mit dem Verstärker TBA 820 M verbunden. Dann leuchtete ich mit den Sendern auf den Empfänger undspielte 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 undEmpfänger miteinander vergleichen zu können, maß ich die Lautstärke des Signals aus dem Lautsprecherund außerdem die Ausgangsspannung aus dem Verstärker. Dazu verwendete ich ein Multimeter (VoltcraftVC160) und ein Schallpegelmessgerät (Voltcraft SL100). Außerdem testete ich, ob die Reichweite der Musikübertragungzunimmt, wenn man eine Sammellinse verwendet.Abbildung 22: Versuchsaufbau Amplitudenmodulation.3.1.5 ErgebnisseDie höchste Lautstärke wurde mit der IR Diode bei kurzer Entfernung erreicht. Für die IR LED zeigte sichdabei 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 manschon ab 70 cm Entfernung nichts mehr hören; mit der BPW 34 Fotodiode als Empfänger betrug die Reichweitezur Musikübertragung 200cm (Abbildung 23A).Ebenfalls hohe Lautstärken mit Werten über 75 dB wurden mit der superhellen roten LED erreicht. Dabeifiel die Lautstärke mit dem lichtempfindlichen Widerstand als Empfänger sehr langsam ab. Auch in einerEntfernung von 200 cm betrug die Lautstärke noch 75 dB. Mit der Fotodiode als Empfänger konnte manschon nach 100 cm nichts mehr hören (Abbildung 23B).Verwendet man einen Laserpointer zur Amplitudenmodulation sinkt die Lautstärke bei keinem der beidenEmpfänger bei zunehmender Entfernung (bis zu 3m) ab. Auch in 8 m Abstand war es möglich Musik zuübertragen. Benutzt man die Fotodiode als Empfänger liegt die gemessene Lautstärke bei ca. 75 dB. Derlichtempfindliche Widerstand ist sensitiver (Abbildung 23C).

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 11Diese Ergebnisse werden auch von den Messungen der Ausgangsspannungen des Verstärkers bestätigt. DieDaten sind im Anhang zu finden.A B CDEAbbildung 23: Auswertung des Versuchs Amplitudenmodulation. Es wurden die erreichten Lautstärken in Abhängigkeit vondem Abstand zwischen Sender und Empfänger aufgetragen. In Abbildung D und E wurde zwischen Sender und Empfänger imAbstand von 15 cm vom Sender eine Linse gehalten.Allerdings waren die Qualitäten bei den verschiedenen Empfängerdioden stark unterschiedlich. Die Qualitätdes Signals der Fotodiode BPW 34 war um einiges besser als die des lichtempfindlichen Widerstandes. Hierwar Krachen, Knistern und ein Rauschen zu hören. Lautstärke und die Spannung waren aber bei dem lichtempfindlichenWiderstand größer.Bündelt man mit einer Sammellinse das Licht der Dioden, konnte man feststellt, dass die Reichweite derMusikübertragung stark zunimmt. Mit der roten LED konnte sogar bei einem Abstand von 8m noch Musikübertragen werden. Außerdem waren die empfangenen Signale stärker als ohne Linse. Mit der IR-Diodekonnte ich keine höhere Übertragungsreichweite als im Versuch ohne Linse, feststellen. Das lag wahrscheinlichdaran, dass ich die Diode nicht mehr richtig auf den Empfänger ausrichten konnte, da das infrarote Lichtja unsichtbar ist. Hier wurde das Lichtsignal kaum durch die Verwendung einer Sammellinse verstärkt (sieheAbbildung 23E).3.1.6 DiskussionDie Reichweite des Laserpointer ist vergleichbar hoch wie das gebündelteSignal der roten LED. Dies liegt daran, dass der Laserstrahl sich nur minimalaufweitet und dadurch kaum Lichtsignale verloren gehen.Die IR Diode erzielte bei der Fotodiode BPW 34 als Empfänger bessere Ergebnisseals die rote LED. Der Grund dafür ist, dass die Fotodiode bei Wellenlängenum 900 nm am sensitivsten reagiert (siehe Abbildung 24). Die IR LEDhat eine Wellenlänge von 940 nm (Datenblatt Conrad) und erreicht damit ca.90% der Empfängerleistung der BPW 34. Die rote LED hat eine Wellenlängevon 400 nm und liegt bei 10% der Sensitivität der Fotodiode. Da man infrarotesLicht nicht sehen kann, war es sehr schwer die IR Diode auszurichten. DieReichweite für die Musikübertragung war mit der IR Diode gering, das kommtvielleicht daher, dass der IR-Lichtstrahl sehr weit auf geweitet ist. Das ist jedochnicht beweisbar, da das infrarote Licht unsichtbar ist.Abbildung 24: Sensitivität derFotodiode BPW 34 hinsichtlichder Wellenlänge (aus DatenblattOsram)Die erzielte Lautstärke und Spannung mit dem lichtempfindlichen Widerstand war vermutlich deshalb sohoch, weil bei dessen Aufbau eine externe Stromquelle eingesetzt werden muss. Die schlechte Übertragungsqualitätin Kombination mit dem Laserpointer stammt vielleicht daher, dass der lichtempfindliche Widerstandeine sehr große Sensorfläche hat und deswegen nur ein Bruchteil des gesamten Sensors von demkleinen Laserpunkt beleuchtet wird.Der lichtempfindliche Widerstand hat eine Reaktionszeit von ca. 25-60 ms. Die Fotodiode BPW 34 ist dagegenum den Faktor 1.000.000 schneller (siehe Datenblätter bei Quellen). In den unten dargestellten Oszilloskopbildernsieht man deutlich, dass dies Reaktionszeit um ein Vielfaches zu lang ist, um die kompliziertenEinzelheiten der Musik in guter Qualität abzubilden. Dies ist vermutlich der Grund für die geringe Übertragungsqualitättrotz der großen Reichweite und der guten Signalstärke.

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 12Auf Grund der besseren Qualität wurde für die weiteren Experimente die Fotodiode BPW 34 als Empfängerverwendet.3.2 Laserabhöranlage mit Hilfe eines Michelson Interferometers3.2.1 Prinzip des Michelson InterferometersDamit Interferenzphänomene beobachtet werden können, müssen die Lichtwellen bestimmte Bedingungenerfüllen. 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 fastvollkommen kohärent (http://www.lexikon.meyers.de/wissen/Kohärenz; 02.01.2009). Ein Interferometerfunktioniert folgender Maßen. Ein Laserstrahl teilt sich an einem Strahlteiler, einem halbdurchlässigemSpiegel, und jeder Teil des Strahls trifft auf Spiegel, die im rechten Winkel zueinander stehen. Die Strahlenwerden reflektiert und laufen auf demselben Punkt, an dem sie sich geteilt haben, wieder zusammen. DieLichtwellen werden dabei überlagert. Sie werden mit sich selbst zur Interferenz gebracht. Das besondere amMichelson-Interferometer ist, dass der Strahlteiler und der teildurchlässige Spiegel, in dem die Strahlen wiedervereinigt werden, derselbe ist (http://de.wikipedia.org/wiki/Michelson-Interferometer) (Abbildung 25).Abbildung 25: Prinzip des Michelson- InterferometersDurch die Phasenverschiebung (unterschiedliche Lage der Wellen, siehe Abbildung 27) können zwei extremeSituationen eintreten. Entweder die Wellen treffen genau so aufeinander, dass ein Wellenberg der erstenWelle direkt über einem Wellenberg der zweiten Welle liegt, so vereinen sich die beiden Wellen zu einerWelle mit doppelter Amplitude bzw. Wellenbergen und das Licht wird heller (siehe Abbildung 26). Dasheißt konstruktive Interferenz. Im anderen Fall kommt ein Wellenberg der einen Welle über einem Wellentalder anderen Lichtwelle zu liegen und die beiden Wellen löschen sich aus. Das hat zur Folge, dass an dieserStelle Dunkelheit herrscht (siehe Abbildung 27). Dies nennt man destruktive Interferenz. Dazwischen gibt esnatürlich Abstufungen in der Helligkeit, je nachdem wie die Wellen übereinander liegen.Abbildung 26: Die Amplitude der Welle 1 wird zur Amplitudeder 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 meinemVersuch ändert sich die Phasenlage einer der beiden Lichtwellen, je nachdeman welcher Position sich der Spiegel, der die „Fensterscheibe“ darstellen soll,befindet. Dieser verändert seine Position, da er schwingt, wenn hinter ihmSchallwellen erzeugt werden. Durch die unterschiedliche Position wird dieLaufzeit des Lichts verändert und dadurch das Interferenzmuster. Die unterschiedlichhellen bzw. dunklen Wellen sieht man hier als Interferenzringe(siehe Abbildung 28).Abbildung 28

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 13Interferenznuster mit demroten Laser ohne KonvexlinseInterferenznuster mit demgrünen Laser ohne KonvexlinseInterferenznuster mit demgrünen Laser mit KonvexlinseInterferenznuster mit demgrünen Laser mit KonvexlinseAbbildung 293.2.2 Ziel des ExperimentsDas Ziel dieses Experimentes war es zu zeigen, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, eine Laserabhöranlagezu bauen. In diesem Teilprojekt wollte ich das Prinzip der Interferenz verwenden, da ein Interferometer sehrsensibel ist. Ich vermutete, dass meine Interferenz-Laserabhöranlage viele Einzelheiten der Schallwellen hinterdem Spiegel übertragen kann.3.2.3 VersuchsdurchführungAls erstes baute ich ein Interferometer auf. Ich befestigte dazu 2 Spiegel auf dreh- und kippbaren Plattformenaus 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 dieSpiegel 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 eineKonkavlinse, also eine Zerstreuungslinse auf. Auf dem Schirm erschien nun ein Interferenzmuster(Abbildung 29). Die geschlossenen Interferenzringe konnte ich darstellen, indem ich vor den Laser eineKonvexlinse (Sammelinse) stellte. Da dies für meine Versuche aber nicht so wichtig war, ließ ich die Linsedafür weg.ABAbbildung 30: Aufbau und Foto meines Interferometers: Das Foto der Laserstrahlen im Interferometer habe ich mit einer Langzeitbelichtungeiner Spiegelreflexkamera auf einem Stativ erhalten. Zum Sichtbarmachen der Laserstrahlen habe ich Wasserdampf vonkochendem Wasser in die Strahlen des Lasers gewedelt.Das Interferenzmuster, das bei dem Interferometer entsteht (siehe 3.2.1), wird auf den Schirm projiziert. Sobaldman einen Lautsprecher hinter einen der beiden Spiegel stellt und dabei Musik anschaltet, fängt derSpiegel an zu schwingen. Dabei verändert sich die Position des Spiegels immer ein wenig. Das wiederum hatzur Folge, dass sich das Interferenzmuster dauernd verändert. Mit einer Fotodiode, bzw. mit mehreren, kannman 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 hörbarmachen (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 Arbeit2008 und Schaltplan im Anhang) an den LineIn Eingang meines Computers. Dort konnte ich mit Hilfe einesOszilloskops (www.Zelscope.com) beide Kanäle gleichzeitig aufzeichnen und miteinander vergleichen.

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 143.2.4 ErgebnisseAbbildung 31: Musikübertragung mitdem Michelson Interferometer undeiner Zellophan Scheibe.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 eineStelle aus dem Hörbuch „Löcher“, jeweils sowohl mit einer als auch mitvier Fotodioden als Empfänger.Das Interferometer mit der Zellophanfolie hat kaum funktioniert. Dieskonnte man auch an den Signalen im Oszilloskop sehen. Es war nur einRauschen zu hören. Deshalb habe ich dazu keine weiteren Ergebnisse beschrieben(Abbildung 31).Setzt man bei diesem Versuchsaufbau einen großen Spiegel (25 x 25 cm, 2mm dick) ein, so konnte man mit einer Diode als Empfänger ein verständlichesMusik-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 deutlichesSignal im Oszilloskop (siehe Abbildung 33) und auch aus dem Lautsprecher. Mit diesem Aufbau (dem hellenLaser, vier Fotodioden und der Verstärker TBA 820 M) war es auch möglich gesprochene Texte über dieSpiegelscheibe „abzuhören“. Im 2-Kanal-Oszilloskop waren die Sprachsignale deutlich, mit vielen Einzelheitenzu erkennen (Abbildung 34).Abbildung 32: Musikübertragung mitdem Michelson Interferometer mit einemSpiegelglas und einer EmpfängerdiodeAbbildung 33: Musikübertragung mitdem Michelson Interferometer mit einemSpiegelglas und vier EmpfängerdiodenAbbildung 34: Sprachübertragung mitdem Michelson Interferometer mit einemSpiegelglas und vier Empfängerdiode3.2.5 DiskussionDas Interferometer war extrem sensibel, denn im Gegensatz zu der Laserabhöranlage mit dem abgelenktemStrahl an einer Fensterscheibe, reichten bei diesem Prinzip schon minimale Veränderungen der Position desSpiegels aus, um das Signal komplett zu verändern. Aus diesem Grund kam bei jeder Bewegung im Raumein lautes Störgeräusch aus dem Lautsprecher.Wird eine Spiegelscheibe bei dem Interferometer verwendet, lässt sich Sprache und leise Musik sehr gutübertragen. Sobald die Musik zu laut wird oder die Bässe zu stark, ertönt aus dem Lautsprecher nur nochKrachen, 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 zuschwaches Signal zustande, das von meiner Anlage nicht mehr detektiert werden kann. Mit einer Glasscheibemüsste 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 DISKUSSIONIn meinem Projekt habe ich zwei verschiedene Methoden getestet, mit denen eine Laserabhöranlage funktionierenkönnte.Das einfachere Prinzip funktionierte dadurch, dass ein Laserstrahl an einer Scheibe, die durch Schallwellendahinter zum Schwingen gebracht wurde, abgelenkt wurde. Bei meinen Versuchen zu dem ersten Prinzipfand ich heraus, dass die Übertragungsqualität am höchsten ist, wenn die verwendete Scheibe leicht zumSchwingen zu bringen ist. Das zeigte ich mit der Zellophanfolie. Außerdem funktionierten stark spiegelndeScheiben gut, da von ihnen das Licht am stärksten reflektiert wird. Die schlechteste Übertragungsqualität ergabsich mit der Glasscheibe, da diese weder gut spiegelte noch sonderlich flexibel war. Dieses Lasermikrofonfunktionierte, wenn man die richtigen Scheiben verwendete, recht gut, war aber nicht sehr sensibel. Das

„Hören mit Licht“ von Max Burggraf Seite 15hatte auch etwas Gutes, da so nicht so viele Störgeräusche übertragen werden. Die Qualität wurde zwar besserwenn 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 Spiegelging viel Licht verloren. Deswegen wurden die besten Ergebnisse mit dem hellen Laser erzielt. Das Interferometermikrofonwar extrem sensibel und konnte schon kleinste Schwingungen darstellen. Es war deswegensehr anfällig für Störungen. Zusätzlich zu den Störlichteffekten kam, dass alle Umgebungsschwingungen,wie Bodenschwingungen (z.B. Schritte) und auch leise Umgebungsgeräusche Störungen verursachten. Diesezweite Variante eines Lasermikrofons konnte die Schallwellen hinter der Scheibe sehr gut abbilden, wenn essich um ein Gespräch, bzw. einen gesprochenen Text oder leise Musik handelte. Bei lauter Musik eignetesich dieses Prinzip nicht, da die Schallwellen hinter der Scheibe eine zu hohe Amplitude hatten. In diesemFall 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 schonsehr kleine Schwingungen übertragen kann.Es war zwar cool einmal auszuprobieren wie ein Laserabhörgerät funktioniert, aber es ist natürlich verbotenes zu verwenden.E DANKAls erstes wollte ich mich beim Sponsorpool-Bayern bedanken, der mir, bzw. meiner Schule, den grünen Laserund einen Spiegel, den ich für das Interferometer benötigte, bezahlt hat. Des Weiteren wollte ich mich beimeinem 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 QUELLENKosmos electronic XN2000, Franckh-Kosmos Verlags GmbH & Co; 7.Auflage; Stuttgart; 2003Franzis Lernpaket Elektronik; Franzis Verlag; Poing; 2008http://www.physikdidaktik.uni-bayreuth.dehttp://www.de.wikipedia.org/wiki/lasermikrofon; 02.05.2008http://www.members.aol.com./glykophy/int-mik.htm; 02.05.2008http://www.007shop.de/Audioueberwachung /Lasermikrofon.html; 08.01.2009http://williamson-labs.com/laser-mic.htm; 02.05.2008http://www.woerter.at/dud/stuff/modulationsverfahren.pdf;http://de.wikipedia.org/wiki/Amplitudenmodulationhttp://www2.produktinfo.conrad.com/datenblaetter/150000-174999/153005-da-01-ml-PIN-Photodiode_BPW34_de-en.pdf 20.05.2008http://www.lexikon.meyers.de/wissen/Kohärenz; 02.01.2009http://www1.conrad.de/scripts/wgate/zcop_b2c/~flN0YXRlPTE3NzE0MzMyNTU=?... 28.12.2008http://de.wikipedia.org/wiki/Michelson-InterferometerVerwendete Programme und Software:Target 3001; Programm zum Entwurf von Schaltplänen; www.ibfriedrich.comGeoGebra; dynamische Mathematik Software für Schulen; www.geogebra.atZelscope; „Windows software that converts your PC into a dual-trace storage oscilloscope”;www.zelscope.comRobo Pro Software 1.2.1.33; FischertechnikFolgende Abbildungen wurden mit MS Powerpoint erstellt: 1,2,4,5,7,11B,21,28,29,30Folgende Abbildungen sind Screenshots aus dem Oszilloskop Programm:9,12,13,14, Tab.1, 31,32,33,34Abbildung 3 und 20 wurde im Target 3001 erstelltVerwendete Messgeräte:Multimeter (Voltcraft VC160)Schallpegelmessgerät (Voltcraft SL100)Gitarrenstimmgerät; Yamaha; Chromatic Tuner; YT 250

„Hören mit Licht“ von Max BurggrafSeite IG ANHANGTeilelisteIch habe nur einige wichtige Bausteine aufgelistet:Verstärkerchip LM 386: Conrad Prod.Nr. 176303Verstärker-IC-Chip TBA 820 M: Conrad Prod.Nr. 178950 - 62KEMO-18W-Verstärker: Conrad Prod.Nr. 130082lichtempfindlicher Widerstand FW300: Conrad Prod.Nr. 183598Fotodiode BPW 34 von Osram: Conrad Prod.Nr. 153005superhelle LED mit kleinem Öffnungswinkel: Conrad Prod.Nr. 143146 – 62eine Infrarot LED: Conrad Prod.Nr. 154380 -62Abbildung zur ZeitverzögerungDie obere Tonspur ist die Orginalmusik,die untere die empfangene Musik

„Hören mit Licht“ von Max BurggrafSeite IISchaltpläneEmpfängerEmpfänger mit dem lichtempfindlichen Widerstand Empfänger mit der Fotodiode BPW 34VerstärkerVerstärker mit dem IC Chip LM386InterfaceSchaltplan für das Mikrofon Interface (siehe meine Jugendforscht Arbeit („Wie schnell ist das Gewitter da“ 2007/2008).

„Hören mit Licht“ von Max BurggrafSeite IIIProgrammMit dem Fischertechnik Programm RoboPro 1.1.2.41 konnte ich die Umdrehungen der Scheibe pro Sekundemessen:Wird im Bedienfeld der „Start“ Button gedrückt (siehe unten), läuft der Motor mit Vollgas los. Das erste Unterprogrammaddiert bei jeder Betätigung des Tasters zu der Variablen „Kontakte“ eins dazu (siehe Programm1). Währenddessen fängt ein das Programm 2 an die Zeit in Zehntelsekunden zu zählen, also nach jederZehntelsekunde wird in die Variable "Zeit" eins dazu addiert.Ein weiteres Unterprogramm (Programm 3) frägt die Variable "Zeit" ab: Ist ihr der Wert ungleich 5, fängtdas Programm noch mal von vorne an mit dem Abfragen. Ist die Variable „Zeit“ gleich 5, also der Wertgleich 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. DerWert aus "Kontakte1" wird jetzt mit 100 multipliziert; das ist notwendig, da so das Rechenergebnis genauerwird, 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 dieAnzahl pro Sekunde gesucht ist, muss der Wert nun mit 10 multipliziert werden. Anschließend wird die neueZahl wieder durch 100 geteilt, da die Zahl am Anfang des Programmes mit 100 multipliziert wurde. DieseZahl wird im Bedienfeld unter „Umdrehungen/s“ angezeigt. Um daraus die Frequenz zu berechnen, mussteich nur noch die Umdrehungen pro Sekunde mit 32 multiplizieren, 32 daher, da in meiner Lochscheibe 32Löcher sind.Zum Beenden muss man im Bedienfeld den „Stopp" Button anklicken, das wird von dem letzten Unterprogrammgesteuert (siehe Programm 4).Bedienfeld

„Hören mit Licht“ von Max BurggrafSeite IVDiagrammeHier sind alle Diagramme zu den Empfindlichkeitsmessungen der verschiedenen Empfänger und Sender beidem Vorversuch Amplitudenmodulation gezeigt. Als Verstärker wurde der NF-Verstärker mit dem TBA 820M Chip verwendet.Messung der Lautstärke mitunterschiedlichen Sendern bei den zweiEmpfängernMessung der Ausgangsspannung an demVerstärker

„Hören mit Licht“ von Max BurggrafSeite V