3. Описание установки:

Лабораторная установка для изучения физического эффекта передачи с помощью лазерного пучка информации о звуковой частоте и для изучения влияния звукопоглощающих материалов приведена на рисунке

Установка содержит:

1 - Гелий-неоновый лазер, закрепленный на оптической скамье - 11;

2 - Рейтер с закрепленной в нем стеклянной пластинкой;

3 - Рейтер с закрепленным динамиком, подключенным к генератору звуковой частоты - 10;

4 - Фотоумножитель;

5 - Блок питания лазера;

6 - Источник постоянного тока для питания фотоумножителя;

7 - Осциллограф;

8 - Усилитель;

9 - Динамик;

10 - Генератор низкочастотный ГЗ.

4. Ход работы:

4.1. Подаю с генератора на динамик гармонический сигнал одной из приведенных звуковых частот: 1) 70 Гц, 2) 200 Гц, 3) 500 Гц.

4.2. Получаю на экране осциллографа гармонический сигнал с выхода фотоумножителя (этот сигнал представляет собой изменение во времени с частотой звукового давления интенсивности отраженного от стекла лазерно­го пучка). Причем, убеждаюсь, что частота сигнала совпадает с частотой звукового сигнала с генератора, поданого на динамик.

4.3. Изменяю амплитуду выходного сигнала генератора, затем определяю по показанию осциллографа амплитуду отраженного сигнала с выхода фотоумножителя.

4.4. Подключаю к выходу фотоумножителя наушники через вольтметр. Выхожу из аудитории с наушниками и убеждаюсь в том, что возможно прослушивание речи, произносимой перед поверхностью стеклянной пластинки.

4.5. Рассчитываю величину деформации пластинки, если давление, дейст­вующее на нее, соответствует обычной человеческой речи.

f - приложенная сила;

R - радиус окна (считаю окно стеклянным иллюминатором) и принимаю значение R=0.5 м;

D - жесткость стекла, которая рассчитывается по формуле:

v- коэффициент Пуассона для стекла (определяю по таблице), т.е. v=0.25;

Е' - модуль Юнга для стекла (определяю по таблице), т.е. Е'=50*10⁹ Па;

h - толщина стекла (задаю самостоятельно), т.е. h=3*10^-3 м;

r – расстояние разговаривающего до окна (задаю самостоятельно), т.е. r=2 м;

p=0,05 Па – величина давления, соответствующая нормальной человеческой речи.

На основании вышеизложенного провожу вычисления:

а). 120=120 Н·м.

б). Теперь предстоит вычислить приложенную силу f:

Мы знаем, что p=, поэтому f=p·S

S=·R²=3,14·0,5²=0,785 м².

f=0,05 Па·0,785 м²=0,03925 Н.

в). Теперь вычисляю величину деформации пластинки:

==

=4,7789·10^-5 =4,7789·10^-5 м.

Ответ: деформация пластинки равна 4,7789·10^-5 м.

4.6. Рассчитываю коэффициенты Френеля и напряжённость электрическо­го поля отраженного пучка лазера при изменении угла падения на 10%, на 1 % (в большую и меньшую сторону), если напряжённость электрического поля падающего пучка составляет 10 В/м.

E_i=E_i·cos=5· В/м.

E_i||=E_i·sin=5· В/м.

Коэффициенты Френеля рассчитываются по следующей формуле:

Абсолютные показатели преломления стекла и воздуха, равны: n_стекла=1,5; n_{воздуха}=1.

Теорема об отражении: угол падения всегда равен углу отражения.

Теорема о преломлении: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды.

а). При задании фиксированного угла:

- угол падения и отражения; - угол преломления.

Задаю угол падения =30⁰, соответственно по теореме об отражении, угол отражения будет также 30⁰.

По теореме о преломлении

=arcsin(sin30⁰/1,5)=arcsin(1/3)=19,47⁰.

R===0,2879.

E_r=R_·E_i=-0,24·5· В/м=-1,697 В/м.

E_r||=R_||· E_i||=-0,159·5· В/м=-1,124 В/м.

E_r===2,035 В/м.

б). Угол падения увеличивается на 1%:

- угол падения и отражения; - угол преломления.

Угол падения становится равным =30,3⁰, соответственно по теореме об отражении, угол отражения будет также 30,3⁰.

По теореме о преломлении

=arcsin(sin30,3⁰/1,5)=arcsin(0,336)=19,65⁰.

R===0,288.

E_r=R_·E_i=-0,241·5· В/м=-1,704 В/м.

E_r||=R_||· E_i||=-0,158·5· В/м=-1,117 В/м.

E_r===2,037 В/м.

в). Угол падения увеличивается на 10%:

- угол падения и отражения; - угол преломления.

Угол падения становится равным =33⁰, соответственно по теореме об отражении, угол отражения будет также 33⁰.

По теореме о преломлении

=arcsin(sin33⁰/1,5)=arcsin(0,364)=21,3⁰.

R===0,291.

E_r=R_·E_i=-0,25·5· В/м=-1,768 В/м.

E_r||=R_||· E_i||=-0,149·5· В/м=-1,054 В/м.

E_r===2,058 В/м.

г). Угол падения уменьшается на 1%:

- угол падения и отражения; - угол преломления.

Угол падения становится равным =29,7⁰, соответственно по теореме об отражении, угол отражения будет также 29,7⁰.

По теореме о преломлении

=arcsin(sin29,7⁰/1,5)=arcsin(0,330)=19,29⁰.

R===0,2876.

E_r=R_·E_i=-0,239·5· В/м=-1,69 В/м.

E_r||=R_||· E_i||=-0,16·5· В/м=-1,131 В/м.

E_r===2,034 В/м.

д). Угол падения уменьшается на 10%:

- угол падения и отражения; - угол преломления.

Угол падения становится равным =27⁰, соответственно по теореме об отражении, угол отражения будет также 27⁰.

По теореме о преломлении

=arcsin(sin27⁰/1,5)=arcsin(0,303)=17,62⁰.

R===0,2864.

E_r=R_·E_i=-0,232·5· В/м=-1,64 В/м.

E_r||=R_||· E_i||=-0,168·5· В/м=-1,188 В/м.

E_r===2,025 В/м.

4.7. Изображаю взаимное расположение плоскостей отражения (поверхность стекла) и падения (плоскость, где лежит падающий и отраженный луч). Определяю в каком случае они вертикальные, а в каком – горизонтальные и отмечаю вектора , вектор Умова-Пойнтинга .

4.8. Предотвращение съема информации с помощью лазера:

а). Таким образом, для создания противодействия съему информации с помощью лазера, необходимо разрабатывать методы, позволяющие уменьшить до нуля R путем создания на стекле специального слоя покрытия. Таким образом, следует использовать зву­копоглощающие материалы и конструкции перед оконным стеклом в поме­щении (например, пористые поглощающие материалы, но они дают преимущественное поглощение в области высоких частот (>1000 Гц) и очень неэффективны в нижней части частотного диапазона). Лучшее звукопоглощение в помещении обеспечивается, если иметь ряд узких портьер, чем одну широкую (при равной общей ширине). Чтобы создать поглощение в области низких частот может быть использована такая конструкция поглощающего материала как резонансные поглотители, одним из видов которых является мембранный поглотитель - натянутый холст, прикрывающий окно. Резонансные поглотители эффективны в области частот <1000Гц.

б). Также противодействовать съему информации с помощью лазера можно простым и эффективным способом: достаточно перед началом важного разговора открыть на 1 – 2 см окно. Следовательно изменится угол падения лазерного луча, а значит и угол отражения, т.е. человеку с фотоумножителем (злоумышленнику) приходится бегать по крыше или по этажу (перпендикулярная плоскость) или по этажам (вертикальная плоскость), а если во время разговора несколько раз закрывать и приоткрывать окно. Фактически, этому злоумышленнику будет невозможно оперативно менять место приема лазерного луча. Таким образом, мы избегаем съема информации.

5. Вывод: данная лабораторная работа позволила мне изучить работу гелий-неонового лазера. Я изучил эффект пе­редачи речевой информации с помощью отраженного от поверхности оконного стекла лазерного излучения. Изучил возможности противо­действия съему такой информации с помощью звукопоглощающих материа­лов и конструкций.

Также необходимо отметить, что величина деформации пластинки уменьшается, если увеличивать толщину пластинки. Если же увеличивать радиус пластинки (окна), то в свою очередь увеличится площадь окна, а это повлечет за собой увеличение деформации окна. Если увеличивается расстояние говорящего до окна, то в свою очередь умньшается и деформация окна.

Напряженность электрического поля отраженного пучка лазера при увеличении угла падения – увеличивается, при уменьшении угла падения – уменьшается.