本实用新型涉及光通信演示仪技术领域，具体涉及一种新型多功能光通信演示仪。
背景技术：
通信，即信息的传输。而通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统的总称。信号由信源(发端设备)转换并发出，通过信道(传输媒介)传输，再由信宿(收端设备)接收进行信号的转换。而光通信则是以光波为载波的通信方式。光通信作为现代通信技术领域的"佼佼者",影响着人们生活的方方面面。近年来，无线激光技术迅速发展，不断完善，在军事和航天上得到了广泛的运用，而随着科学技术的发展，也逐步应用于地面通信。
在当今中学物理课堂中，物理教学不仅仅停留于课本知识，而是更加注重前沿新型科技文化知识，而对光通信知识的学习对中学生科学核心素养的发展具有极为重要的促进作用。但是，现有中学物理教科书中有关光通信的知识很少，仅有的相关知识基本为描述性和介绍性的，缺乏让学生深入了解光通信的可操作性的实验，有关光通信相关演示实验也存在一定的缺陷，这对学生科学核心素养以及科学创新能力的培养是不利的。
例如：在中国人民教育出版社出版的《义务教育教科书·物理九年级(全一册)》中有专题介绍光通信，但是只是设计演示了光在水流中的传导，用以类比演示光在光纤中的传导，但是，此实验的缺陷在于只能演示光在弯曲水流柱中传导而不能呈现光携带信息的过程，也就是无法演示光通信“光信号可以携带信息”这一本质特征，学生无法真切地感受到信号传递的实质过程，这一专题的设计也就失去了它原本存在的意义。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种结构设计合理、结构简单、能够完成光电信号的转化、光路可见、实验效果明显、功能多且实用性好的新型多功能光通信演示仪。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种新型多功能光通信演示仪，包括底座，所述底座上设置有玻璃缸，所述玻璃缸的一端面上设置有镜子，所述底座一端设置有光源，所述光源的下端设置有光源支架，所述光源一端设置有声信号输出设备，且声信号输出设备与光源之间设置有调制电路，声信号输出设备与光源通过调制电路连接；所述底座相对于光源另一端设置有音响设备，所述音响设备一端设置有硅光电池板，所述硅光电池板与音响设备之间设置有放大电路，所述硅光电池板与音响设备通过放大电路连接，且放大电路上设置有彩灯。
本实用新型进一步设置为：所述调制电路包括激光电路、电感和隔直电容，所述电感与激光电路串联，当音频信号通过隔直电容加于电感两端，激光的亮度会随输入信号变化，从而实现用音频对光的调制。
本实用新型还进一步设置为：多功能光通信演示仪还包括光导纤维，光导纤维是由内外两层折射率不同的玻璃组成，内层光内芯直径为1μm至99μm，外层直径为0.1至0.2mm。
本实用新型还进一步设置为：所述玻璃缸内设置有介质，所述介质为空气或水。
本实用新型还进一步设置为：所述音响设备包括音响，所述音响为矩形结构或圆形结构。
本实用新型还进一步设置为：所述光源为led灯或激光器。
本实用新型还进一步设置为：当普通光的通信演示时，在调制电路上接入声信号，通过调制电路及光源将声信号转化为光信号进行输出，光信号经大气传播至硅光电池板，在硅光电池板上进行光电转换，经音响设备解调之后音响设备播放音频；输出的光信号随着声音强弱变化发生振动。
本实用新型还进一步设置为：当激光的远距离光通信演示时，在调制电路上接入声信号，声信号通过调制电路及激光发射器转化为光信号，光信号经大气传播至硅光电池板，在硅光电池板上进行光电转换，经音响设备解调之后音响设备播放音频。
本实用新型的优点是：与现有技术相比，本实用新型结构设置更加合理，以可见光和激光作为光源，以光导纤维、大气和水等作为传输介质，可以将声音信息调制到光源载体上，实现信息的远距离传输。将普通光通信、激光远距离通信、光纤全反射激光通信、水槽光路多次反射的光通信等多种光通信系统融于一体，并在电路中增加放大电路，使声信号传输的同时实现led灯的闪烁，相比与现有科学教具，本实用新型多功能光通信演示仪将科技性、趣味性、教学性融于一体，结构设计合理、结构简单、能够完成光电信号的转化、光路可见、实验效果明显、功能多且实用性好。
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图；
图2为本实用新型实施例光电转换过程示意图；
图3为本实用新型实施例调制电路的原理示意图；
其中，l是0.1～1.0mh之间的电感，c是200μf大小左右的电容，e是电源，k是开关；
图4为本实用新型实施例硅光电池板光电转换的原理示意图；
其中，spd是光电二极管，rf是1.0k的偏置电阻；ic1是一个电流-电压变换电路；v0是输出电压；
图5为本实用新型实施例的放大电路示意图；
图6为本实用新型实施例的通信演示实验示意图；
图7为本实用新型实施例激光通信系统的原理示意图；
图8为本实用新型实施例激光的远距离光通信演示实验示意图；
其中：1是声信号输出设备，2是调制电路，6是硅光电池板，7是放大电路，8是音响设备，9是彩灯，11是红色激光发射器；
图9为本实用新型实施例激光在光纤中的光通信演示实验示意图；
其中：1是声信号输出设备，2是调制电路，6是硅光电池板，7是放大电路，8是音响设备，9是彩灯，11是红色激光发射器，12是光纤；
图10为本实用新型实施例激光在水中和镜面中多次反射的光通信演示实验示意图；
其中：1是声信号输出设备，2是调制电路，5是玻璃缸，6是硅光电池板，7是放大电路，8是音响设备，9是彩灯，11是红色激光发射器。
具体实施方式
在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1至图10，本实用新型公开的一种新型多功能光通信演示仪，包括底座4，所述底座4上设置有玻璃缸5，所述玻璃缸5的一端面上设置有镜子，所述底座4一端设置有光源10，所述光源10的下端设置有光源支架3，所述光源10一端设置有声信号输出设备1，且声信号输出设备1与光源10之间设置有调制电路2，声信号输出设备1与光源10通过调制电路2连接；所述底座4相对于光源10另一端设置有音响设备8，所述音响设备8一端设置有硅光电池板6，所述硅光电池板6与音响设备8之间设置有放大电路7，所述硅光电池板6与音响设备8通过放大电路7连接，且放大电路7上设置有彩灯9。
作为优选的，所述光源支架3内含轨道；所述玻璃缸5是四个侧面由平面镜组成的开口水缸；所述硅光电池板6是规格5.5cm*6.0cm硅光电池板。
为使本实用结构设置更加合理，作为优选的，本实施例作为优选的，所述调制电路2包括激光电路、电感和隔直电容，所述电感与激光电路串联，当音频信号通过隔直电容加于电感两端，激光的亮度会随输入信号变化，从而实现用音频对光的调制。
作为优选的：多功能光通信演示仪还包括光导纤维，光导纤维是由内外两层折射率不同的玻璃组成，内层光内芯直径为1μm至99μm，外层直径为0.1至0.2mm。
作为优选的：所述玻璃缸5内设置有介质，所述介质为空气或水。
作为优选的：所述音响设备8包括音响，所述音响为矩形结构或圆形结构。
作为优选的：所述光源10为led灯或激光器。
下面对本实用新型实施例进行详细说明：
调制电路：
信号调制是使一种波形的某些特性按另一种波形或信号而变化的过程或处理方法。信息一般是待传输的基带信号(即调制信号)，其特点是频率较低、频带较宽且相互重叠，为了适合单一信道传输，必须进行调制，是频谱搬移的过程。
而声波在空气中传播很慢，约为340m/s,且衰减很快，不会传播很远，所以直接接收音频信号难度相对较大，所以为了减少在传输时的耗损，在本实施例多功能光通信演示仪中，将需要传输的声信息通过设计好的电路调制到载运信息的光波上，然后再进行传递，就能有效的减少损耗。
电光转换：
如图2所示，音频信号经过调制后，将电信号的转换成为光信号的核心器件是激光发射器或者是led发光二极管。作为优选的，激光发射器或者是led发光二极管在它的两脚加上电压它发出的是激光或者普通可见光。当我们在激光发射器或者是led发光二极管两脚加上的是脉冲电压时，它发出的就是脉冲光信号。
调制电路原理：
如图3所示，在激光电路中串联一个电感，再将要传递的音频信号通过隔直电容c加于电感l两端。激光的亮度就会随输入信号而变。实现了用音频信号对光的调制，使光束中包含了要传递的信息。
硅光电池板光电转换：
如图4所示，光讯号接收部分采用硅光电二极管spd作为光电检测元件，实现光讯号到电信号的转换，还原原始信号，并通过放大电路进行放大，然后经i/v转换电路再把光电流转换成电压输出，最后可从电阻上测量输出信号大小或用扬声器输出音频信号。
信号解调：
解调是调制的逆过程，是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。在各种信息传输或处理系统中，发送端用所欲传送的消息对载波进行调制，产生携带这一消息的信号。接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用，这就是解调。
而本实施例的信号通过硅光电池进行光电转换后，接入音响进行解调，从而输出原来音频信号，最终完成信息的传输。
放大电路：
如图5所示，放大电路亦称为放大器，它是使用最为广泛的电子电路之一、也是构成其他电子电路的基础单元电路。所谓放大，就是将输入的微弱信号(简称信号，指变化的电压、电流等)放大到所需要的幅度值与原输入信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。只有在不失真的情况下放大才有意义。放大电路的本质是能量的控制和转换。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。
在本实施例中，运用放大电路来使得音频中声信号转化为的电信号的效果增益，避免因为人为的电路焊接中而使相关电信号在连接处的减弱。在原先的基本线路中，经过加强增益的音频电信号与原先输出端电信号相整合，在本实施例中激光将经过几种不同的介质传输，放大电路使得光信号在传输过程中的损失上限增大，这意味着激光的传输距离大大的增大，而在被接收端接收后相关信号的强度依旧保持着良好情况。
普通光的通信演示：
如图6所示，在调制电路上接入声信号，通过调制电路及led手电筒将声信号转化为光信号进行输出，光经大气传播至硅光电池板，在硅光电池板上进行光电转换，经音响解调之后音响播放音频；同时，我们可以清晰地看到输出的光信号随着声音强弱变化发生振动，说明光信号中携带了音频信号；并且，由于电路中放大电路的设计，led彩灯明暗与音响播放音量同时变化。
另外，激光通信技术是把声音、图像或其他信息调制到激光载波上进行发送。如图7所示，激光以其突的高度相干性，扩散性小，亮度高，方向性好等特点被广泛应用。而在本实施例中，为使光路可见，增强实验的演示效果，增加实验趣味性和观赏性，更能让学生切身体会光信号的传播，采用激光进行下列演示实验。
激光的远距离光通信演示：
如图8所示，红色激光发射器与硅光电池板之间间隔较长距离；在调制电路上接入声信号，声信号通过调制电路及激光发射器转化为光信号，光信号经大气传播至硅光电池板，在硅光电池板上进行光电转换，经音响解调之后音响播放音频，通过此演示实验，我们证明，激光在远距离的传输当中依旧可以携带音频信号，完成信号的传输。
激光在空气中传播时，会由于大气衰减造成能量损失，大气衰减是指由于大气吸收散射使激光能量损失，从而影响传输距离和可靠性。大气中的介质对激光在大气中的传输引起的随机变化和衰减效应，会降低激光系统原有的功能但是，通过此演示实验，了解到在大气当中，激光的损失较小，依旧可以完成信号的传输。
激光在光纤中的光通信演示：
如图9所示，光纤即为光导纤维的简称，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是‘光的全反射’。以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，即有线激光通信技术，由于光纤的长度和方向是可控的，所以可以随意控制激光传播的方向，有效控制光束的传播。
光导纤维是由两层折射率不同的玻璃组成。内层光内芯直径为1μm至99μm，外层直径为0.1至0.2mm。一般内芯玻璃的折射率比外层玻璃大1％。根据光的折射和全反射原理，当光线射到内芯和外层界面的角度大于产生全反射的临界角时，光线透不过界面，全部反射。
实验操作及结果同上，通过此实验我们证明，激光在光纤中传播后，依然可以完成信号的传输。
激光在水中和镜面中多次反射的光通信演示：
如图10所示，5是玻璃缸，四壁装上镜子，再装有水；激光在水中和镜面中多次反射的光通信演示实验示意图。实验操作及结果同上，但通过对比我们可以发现，与激光在光纤中的传播相比，此时音响声音不如在光纤中传播清晰，这是由于激光传播后能量损失较大。
水中含有各种各样的矿物质，造成了水的不均匀性，使得光在水中传输时能力衰减比在大气中严重。研究发现，激光在水中的衰减与水中含有的矿物质有密切的关系，这是由于光在非纯水中的衰减主要来自吸收和散射两种不同的过程。
而在空气中传播时，我们通过加少量烟雾来增加空气的浑浊程度，增加激光的散射，从而能够看清光路，使实验现象更加明显，更准确地控制光束的传播方向。这一操作也增加了激光的损失。
综上所述，本实用新型结构设置更加合理，以可见光和激光作为光源，以光导纤维、大气和水等作为传输介质，可以将把声音信息调制到光源载体上，实现信息的远距离传输。将普通光通信、激光远距离通信、光纤全反射激光通信、水槽光路多次反射的光通信等多种光通信系统融于一体，并在电路中增加放大电路，使声信号传输的同时实现led灯的闪烁，相比与现有科学教具，本实用新型多功能光通信演示仪将科技性、趣味性、教学性融于一体，结构设计合理、结构简单、能够完成光电信号的转化、光路可见、实验效果明显、功能多且实用性好。
上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围之内。
1.一种新型多功能光通信演示仪，包括底座(4)，其特征在于：所述底座(4)上设置有玻璃缸(5)，所述玻璃缸(5)的一端面上设置有镜子，所述底座(4)一端设置有光源(10)，所述光源(10)的下端设置有光源支架(3)，所述光源(10)一端设置有声信号输出设备(1)，且声信号输出设备(1)与光源(10)之间设置有调制电路(2)，声信号输出设备(1)与光源(10)通过调制电路(2)连接；所述底座(4)相对于光源(10)另一端设置有音响设备(8)，所述音响设备(8)一端设置有硅光电池板(6)，所述硅光电池板(6)与音响设备(8)之间设置有放大电路(7)，所述硅光电池板(6)与音响设备(8)通过放大电路(7)连接，且放大电路(7)上设置有彩灯(9)。
2.根据权利要求1所述的一种新型多功能光通信演示仪，其特征在于：所述调制电路(2)包括激光电路、电感和隔直电容，所述电感与激光电路串联，当音频信号通过隔直电容加于电感两端，激光的亮度会随输入信号变化，从而实现用音频对光的调制。
3.根据权利要求1所述的一种新型多功能光通信演示仪，其特征在于：多功能光通信演示仪还包括光导纤维，光导纤维是由内外两层折射率不同的玻璃组成，内层光内芯直径为1μm至99μm，外层直径为0.1至0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种新型多功能光通信演示仪，其特征在于：所述玻璃缸(5)内设置有介质，所述介质为空气或水。
5.根据权利要求1所述的一种新型多功能光通信演示仪，其特征在于：所述音响设备(8)包括音响，所述音响为矩形结构或圆形结构。
6.根据权利要求1所述的一种新型多功能光通信演示仪，其特征在于：所述光源(10)为led灯或激光器。
7.根据权利要求1所述的一种新型多功能光通信演示仪，其特征在于：当普通光的通信演示时，在调制电路(2)上接入声信号，通过调制电路(2)及光源(10)将声信号转化为光信号进行输出，光信号经大气传播至硅光电池板(6)，在硅光电池板(6)上进行光电转换，经音响设备解调之后音响设备播放音频；输出的光信号随着声音强弱变化发生振动。
8.根据权利要求1所述的一种新型多功能光通信演示仪，其特征在于：当激光的远距离光通信演示时，在调制电路(2)上接入声信号，声信号通过调制电路(2)及激光发射器转化为光信号，光信号经大气传播至硅光电池板(6)，在硅光电池板(6)上进行光电转换，经音响设备解调之后音响设备播放音频。
技术总结