四、微波探測聲音方法的實現

　　微波在現實生活中有多種用途，例如：微波通信、微波雷達、微波測速等。本文介紹一種以微波作為載波來實現探測聲音的實驗方法，并且在實驗室進行了測試。從實驗結果看，能達到利用微波探測聲音的目的。本實驗原理簡明，所用微波器件為實驗室常見的微波器件，電路結構簡單，易于實現。

　　1 實驗原理

　　微波探測聲音的原理與廣播類似，它利用高頻的微波信號來“載馱”所要傳送的聲頻信號，也就是高頻微波信號的振幅隨所傳送的聲頻信號的變化而變化。高頻微波信號為“載波”，調制微波的聲頻信號為“調制信號”。經過調制后的高頻信號為調幅波。

　　式(1)和(2)中Ω、F分別為調制信號的角頻率和頻率。載波為遠高于調制信號頻率的正弦波。

　　調制的作用是使載波的振幅Vcm隨調制信號vΩ而相應的變化，從而得到調幅波。調幅波振幅變化的軌跡即波峰點的連線稱為包絡線。調幅波包絡線的瞬時值為：

　　式(4)中，VΩm/Vcm稱為調幅指數，用ma表示。

　　語言、音樂等都不是單音頻信號，而是由很多不同頻率的波合成，它們不是標準的正弦信號。對于非正弦的周期信號，可以分解為多個不同頻率的正弦波信號。典型的調幅波的頻率成分，可以由它的瞬時值表示式推導出來，即

　　這表明單音信號(即調制信號是正弦信號)的調幅波由三部分頻率分量組成，即載波分量ω0、上邊頻分量ω0+Ω和下邊頻分量ω0-Ω。

　　調幅信號的解調是振幅調制的反過程，是從高頻已調信號中取出調制信號，常將這種解調稱為檢波。實現這種解調作用的電路稱為振幅檢波器。檢波器由高頻輸入回路、非線性器件和低通濾波器三部分組成。因振幅調制信號由載波頻率ω0和邊頻(ω0±Ω)組成，沒有調制信號本身的頻率分量Ω，但載頻ω0與上邊頻(ω0+Ω)或下邊頻(ω0-Ω)之差可得到Ω。為了取出原調制信號頻率Ω，從高頻輸入回路輸入的高頻已調信號，通過非線性器件產生新的頻率分量，其中就包含所需的Ω分量，再用低通濾波器濾除不需要的高頻分量，即可得所需的聲音信號。

　　2 實驗裝置與基本器件

　　本實驗裝置與基本器件組成圖如圖1所示。微波振蕩器產生的微波，經隔離器和環形器由天線投射到待測聲源處，作為載波的微波被聲源處的音頻信號調制后被反射回來，由天線接收(發射、接收天線為同一天線)，再經過微波晶體檢波器檢波和電流、電壓及功率放大，最后還原出聲源處的音頻信號。實驗裝置中所用到的振蕩器、隔離器、環形器、角錐天線和晶體檢波器均為實驗室中常見的3厘米波段(X波段)的微波器件。

　　3 電路結構

　　本實驗所用的前置放大電路如圖2所示。它包括兩級，第一級由OP07構成的弱電流放大電路。由于一般情況下，檢波后得到的電流形式的音頻信號很微弱，為了達到較好的放大效果，實驗中加了一級弱電流放大電路。根據運放電路的相關知識可知，輸入電流I1流經R2和R3的流I2和I3的關系為

，即輸出電流的放大倍數為

倍;第二級用NE5532運放構成一個低噪聲的電壓放大電路。NE5532是一種高速低噪聲運算放大器。它的帶寬為10 MHz，相比大多數標準運算放大器，它顯示出更好的噪聲性能，更高輸出驅動能力和小信號帶寬。

　　自動增益放大電路(AGC)如圖3所示。其基本原理是當輸入信號幅度較大時，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數減小，當輸入信號幅度較小時，AGC電壓控制可變增益放大器的放大倍數增加。

　　圖3中，輸入信號從運放F1的同相端輸入，二極管VD對運放F1的輸出信號整流后，經一個∏形濾波電路得到一個負向AGC電壓，這一電壓經過運放F2放大后送往場效應管3DJ6的柵極。當輸入信號幅值較大時，相應地得到較大的AGC電壓，運放F2輸出較大的負壓至場效應管3DJ6的柵極，增大了場效應管3DJ6的源漏極間的電阻，從而減小了運放F1的放大倍數;反之，當輸入信號的幅值較小時，AGC電壓也很小，運放F2輸出也很小，場效應管3DJ6的源漏極間的電阻很低，使運放F1得到較大的放大倍數。

　　功放采用低電壓音頻功率放大器LM386，電路圖如圖4所示。其電路電壓增益可調，外接元件少，總的諧波失真小，對低電壓信號的放大效果良好，且驅動能力強，輸出信號可直接驅動8 Ω的揚聲器。

　　4 實驗結果及分析

　　根據所設計的實驗方案，我們在實驗室制作了相關電路和進行了實驗測試。實驗結果如圖5示：

　　由圖5可知，在圖5(a)中，聲源頻率為5 kHz的正弦波，接收解調后信號較好的還原回正弦信號;在圖5(b)中，聲源為通常的聲音信號時，接收解調后的信號能夠較清晰的還原為原來的聲音信號，此時輸出端接音頻喇叭能還原出聲源處的聲音。

　　5 結束語

　　通過在實驗室中的實驗實測，由接收電路得到的信號能較好地還原原來的音頻信號，證明本實驗方法可行。本實驗可作為一種趣味性或演示性實驗開設，對拓展學生的知識面、提高學生的動手能力，加深學生對有關知識的理解有很好的幫助。