2015/2016K – Spioonimikrofon

Tegijad

Joosep Kivastik, Rando Avarmaa, Sander Alvin Kelder

Töö eesmärk

Ehitatakse optiline spioonimikrofon, millega on võimalik tuvastada ühekordse aknaklaasi taga räägitavat inimkõnet. 

Seadme komponendid (neid arvasime vajaminevaks enne projekti tegemist)

  1. Infrapunalaser (Oleks hea kui valguse lainepikkus ei oleks nähtavas piirkonnas) LINK 12.90 USD (11.72 EUR) 
  2. Infrapuna-Fotodiood. LINK 1.5 EUR
  3. (Koondav lääts.)
  4. Vooluvõimendi. LINK 3.42 USD (3.1 EUR)
  5. 3.5mm otsik 
  6. 2 statiivi LINK  (2*13€)

Hind kokku: 42.32€

Töötava seadme komponendid (siin esitame lõppversiooni komponendid)

  1. Roheline laser – LINK  (1 EUR)  
  2. Fotodiood. LINK 1.5 EUR
  3. Vooluvõimendi. LINK 3.42 USD (3.1 EUR)
  4. 3.5mm otsik 
  5. Muu elektroonika (alla 10 EUR)
  6. Nõuka-aegne rauast statiiv (vastuvõtja hoidmiseks) (tasuta)
  7. Elektroonikat sisaldav kena, musta värvi karp (tasuta)

Hind kokku: alla 20€

 

Ülevaade seadme tööpõhimõttest

Laserist suunatakse laserkiir uuritava akna pinnale. Optiline spioonimikrofon seatakse üles kahes osas: laser ja vastuvõtja.

uuritav_aken2

 

Valgus peegeldub aknaklaasilt, ning püütakse kinni vastuvõtjas. Aknaklaasilt peegeldunud valguse intensiivsus muutub ajas, kuna aknaklaas vibreerib.  Seadme tõõpõhimõte seisneb aknaklaasi vibreerimises. Kui aknaklaas hakkab vibreerima, siis tekivad aknalaasil seisulained, mis toob kaasa ka selle, et maksimaalne võnkumise hälve on aknaklaasi äärtel väiksem kui aknaklaasi keskel, ehk võib öelda, et aknaklaas kumerdub. Kui aknaklaas kumerdub, siis peegelduv kiir vastuvõtja seadmes hakkab liikuma. Kui peegelduv kiir liigub fotoelemendilt minema, siis valguseintensiivus vastuvõtjas väheneb ja vastupidi: kui kiir liigub fotoelemendile, siis valgusintensiivusus suureneb vastuvõtjas.

Kuna laserkiire intensiivsus fotodioodil  ei ole ajas konstantne, tekitab fotodioodile pealelangev kiirgus ajas muutuva pinge. Põhimõtteliselt nüüd ongi aknaklaasi vibreerimise ajast sõltuvus käes. Pinge sõltuvuse ajast võib muundada heliks helivõimendiga, mis võimaldab reaalajas kuulata aknaklaasi tagust heli.

NB! Kui aega jääb üle või töö osutub oodatust lihtsamaks, võib proovida järgmiseid asju:

  1. Kui fotodioodile langev valgus on liiga hajunud, siis parema tulemuse saavutamiseks võiks fotodioodile pealelangevat valgust läätsega koondada.
  2. Heli reaalajas esitamise võimaluse kõrval võiks eksisteerida ka võimalus heli salvestada. Antud ülesanne ei ole niivõrd füüsikalise sisuga, vaid pigem IT-alane. Kui antud ülesanne läheb realiseerumisele siis oleks vaja Raspberry PI arvutit. Ajas muutuv pinge tuleks konventeerida helifailiks.

Elektroonikaskeem ja tööpõhimõte

spioon

Alustades skeemi vasakust otsast, kus asetseb 9V-ine patarei, mille jagab pingejagur kolmeks rajaks, mille väärtused on 0V, 4.5V ja 9V. Seda teeme selleks, et pingevõimendi, milleks on pingejagurile järgnev operatsioonivõimendi, saaks võimendada fotodioodist tulevat signaali, kui me seda ei teeks, siis me saaksime võimendada vaid signaali ühte poolt, kuna operatsioonivõimendi saab töötatada vaid nende pingete piires, mis talle sisse söödetakse, ehk kui meie signaal tuleb 4.5V ümbruses, siis suudab see seda võimendada alt poolt 0V-ni ja ülevalt poolt 9V-ni.

Operatsioonivõimendi töötab negatiivse tagasiside põhimõttel, ehk ta üritab hoida oma mõlemat sisendit(+/-) võrdsena. Kuna ta saab mõjutada vaid oma inverteeritud sisendit(-),  ning sisendi ja väljundi vahel on suur takistus, siis sellest tuleneb pinge võimendus, kuhu kanduvad edasi fotodioodilt tulevad signaalid.

Operatsioonivõimendile järgneb võimsusevõimendi ehk ta võimendab voolutugevust, sest operatsioonivõimendil endal ei ole piisavat võimet, et draivida taha ühendatud kõlarit.

Lõpuks jõuab signaal 3.5mm emasesse 3.5mm audio pistikusse, et sinna saaks taha ühendada kas siis kõrvaklapid, rüperaali või midagi muud vastavalt vajadusele.

Vahepealsed kondensaatorid ja takistid on kas signaali silumiseks või müra filtreerimiseks.

Algne tegevusplaan (ehk mida arvasime oktoobris ülesannetele kuluvast ajast)

Tegevus Ajakulu
Fotodiood-heligeneraatori ehitamine. 26-31 okt
Fotodiood-heligeneraatori katsetamine laseriga. 2-8 nov
Vajadusel fotodiood-heligenraatori täiustamine. 9-16  nov
(Huvi ja aja olemasolul)
Salvestamismeetodi ehitamine.
17-31 nov

Reaalne tegevusplaan

Tegevus Ajakulu
Elektroonikaskeemi protüübi ehitamine Oktoober-November
Tarvaaraga Eagle prototüübist elektroonikaskeemi koostamine November-Jaanuar
Elektroonikaskeemi väljaprintimine Veebruar
Spioneerimine Veebruar-Mai
Projekti esitlus 16.05.2016

Kahe tabeli võrdlusest näeb,  et projekti täideviimisele aeg oli kõvasti pikem kui algselt arvatud.  Samuti on tegevuste nimetused erinevad – näiteks algses versioonis on tegevus “Salvestamismeetodi ehitamine”, mida lõppversioonis  ei ole. Põhjus on see, et algne “Salvestamismeetodi ehitamine” langeb lõppversioonis “Spioneerimise” tegevuse alla, kuna salvestamine oli vägagi triviaalne (elektrooniskeemist tuleb mikri juhe arvutisse ja kasvõi Windows Recorder’iga saab kõne salvestada).

Alamülesannete jagunemise plaan grupi liikmete vahel

Ülesanne Tegija
Elekroonikaskeemi kokkupanemine Joosep
Elektroonikaskeemi karbi ehitamine Rando
Blogi pidamine ja kokkusaamiste organiseermine Alvin

 

 

Päevik

Enne esimest juhendajatega kokkusaamist (28.10.2015)

Enne esimest juhendajatega kokkusaamist mõistsime efekti võimalikkust valesti:

“Määravaks efektiks võiks osutuda klaaspinna liikumise kiirus, mis mõjutaks temalt peegeldunud valguskiirguse intensiivsust. Tunduks loogiline, et kui klaaspind liigub valguse poole, siis peegeldunud valguse intensiivsus on suurem võrreldes paigalseisva klaaspinnaga, ning vastupidi, kui klaaspind liigub valgusest eemale, siis peegeldunud valguse intensiivsus on väiksem võrreldes paigalseisva klaaspinnaga.“

Antud efekt peaks  tegelikult eksisteerima, aga selle mõju on väga väike ja arvatavasti mittetuvastatav vastuvõtjas. Rühmaliige Alvin kahtles sügavalt väljakäidud tööpõhimõttes, aga kuna keegi rühma liikmetest alternatiivset toimemehhanismi välja käia ei suutnud, siis pidime olude sunnil leppima ainukese väljakäidud mehhanismiga.  Youtube videos oli näha, et samasugune seade töötas (paraku ei oldud videos tööpõhimõtet selgitatud). Youtubest nähtud skeemi arvasime me suutvat kokku panna. Rühmaliige Alvin arvas isegi, et antud projekt peaks olema vaheldus enamus ülikoolis esitavale teooriale, ehk täpset tööpõhimõtet võib-olla polegi vaja üldse teada. Umbes saranase analoogia võiks tuua rallisõitjaga: ega tema pea teadma, mis juhtub mootoris kui ta vajutab gaasipedaalile. Tähtis on tema jaoks see, et auto läheb siis jõudsamalt edasi. Rühmaliige Rando arvas hoopis vastupidiselt: projekt peaks andma lõbusa ja praktilise kuue õpitavale teooriale.

Vahepealsed juhtumised (31.03.2016)

Kui vaadata algset prognoositavat ajakava ja selle postitituse kuupäeva, siis võib leida kuupäevades väikese ebakõla. Oleme projekti ajakulu ilmselgelt alahinnanud.

Anname nüüd ülevaate, mis me tegime alates novembrist.

Elektroonikaskeemi koostamine

Peamine töö oli elektroonikaskeemi koostamine.  Tuli välja, et skeemi on vaja ka sellist komponenti nagu operatsioonivõimendi. Kuna mina (Alvin) olin enne õppinud kõigest Tarkpea “Elektrit ja magnetismi”, siis tundisn ennast väga ebakindlalt elektroonikaskeemi koostamisel, mis reaalselt midagi ka teeb. Õnneks oli meie grupis tore liige Joosep, kes oli enne võtnud elektoonikaskeemide koostamise aineid. Kusagil novembri lõpuks oli Joosep paberile kirja pannud elektroonikaskeemi, millega me läksime Agu Anijala jutule. Elektroonikaskeemis olid mõned vead, millele Agu tähelepanu juhtis. Pärast Agu seletamist läks lahti skeemi prototüübi koostamine breadboardi peale. Mina ja Rando seisime tuimade nägudega kui Agu arvuti juurest Joosepile mingeid numbreid karjus, mille tulemusena valmis see:

20151123_174414

Joosep pidi koostama tarkavaraga “Eagle” väljaprinditava skeemi, kuna teised polnud enne sellest tarkvarast sõnagi kuulnud.  Skeem sai valmis 2016 aasta veebruaris  ning näeb välja selline:

skeemike

Uus liige ja seadme katsetamine

Uuel aastal liitus meie grupiga Liisi Metsoja, kuna tema enda rühm, mis tegeles samuti spioonimikrofoniga, oli laiali lagunenud. Pärast skeemi valmimist arvasime, et suurem töö on tehtud ja vaja on kõigest paar korda kokku saada. Paraku tuli välja, et seadme ülesseadmine on raskem kui arvasime. Esimene kord proovisime seadet katsetada Physicumi esimese korruse koridoris, kus vahemaa vibreeriva klaasi ja vastuvõtja vahel oli umbes 40 meetrit, samas vibreeriv klaas oli väga paks. Esimese katsetuse tulemused olid rahuldavad:  oli kuulda koptust ja karjumist. Teine kord proovisime Teadusbussi ruumides mingisuguse akvaariumi pealt signaali lugeda, paraku tollel korral ei saanud positiivset tulemust.    Esimesel kahel korral kasutasime koondavat läätse klaasilt peegeldunud valguse koondamiseks, kuna valguslataka läbimõõt oli umbes 15 mm, samal ajal kui fotodioodi läbimõõt on umbes 3 mm. Samas on kõigest ühe läätse kasutamisel see probleem, et kui valgus liigub läätse peal palju siis fookus liigub fokaaltasandis vähem. Parem oleks kasutada teleskoopi ehk kiirte kitsendajat.

Vahepeal saime aru, et kõrvaklappidega signaali kuulamise asemel peaks hoopis signaali salvestama, selle jaoks sai ostetud 3.5  mm combo jack splitter,  kuna ühelgi grupi liiikmetest ei olnud lap-topil eraldi mikrofoni auku.

Kolmandal katsetamiskorral võtsime kasutusele paar abinõu, mis võiksid tulemust parandada

  • katsime skeemi pappkastiga, et valgusite valgus tulemust ei häriks
  • panime laseri aluse peale, et valgusekiir peegelduks klaasi keskelt. Esimesel korral olime lasknud laseri valguse klaasi alaossa, kus klaasi paindumine on väiksem ja seega ka lasekiire liikumine fotodioodil on väiksem.
  • eemaldasime läätse ja asetasime fotodioodi valguslataka äärde, nii et kui valguslatakas liigub paremale siis fotodioodi näit väheneb, ning kui valguslatakas liigub vasakule, siis fotodioodi näit suureneb

Tulemuse saime salvestada  wav failina.

Siin on meie skeem valgust koondava teleskoobiga: paremal on 7 cm fookuskaugsega lääts ja vasakul 2 cm fookukaugusega lääts. Seega vähendus(või suurendus, sõltuvalt kumbapidi teleskoopi kasutada) on 7/2=3.5

20160331_192516

Mida oleks vaja edasi teha:

  • vabaneda labori juppidest ja osta enda jupid
  • oleks vaja umbes 7 kordse suurendusega teleskoopi.
  • hallfiltrid erinevate neelavustega (90%, 80%, 50%,  jne) et valguse intensiivsust korrigeerida vastavalt vajadusele
  • kogu skeem on vaja ümber kolida mingisugusesse tumedasse karpi

 

Vahepealsed juhtumised (29.04.2016)

Meie grupp sai kokku 22.04.2016 ja sellel päeval me tegime kahte asja:

  1. Rando ehitas Agu Anijala abiga elektroonikaskeemile ümber karbi. Lisaks paigutati fotodiood ~5cm pikkuse toru lõppu, mis peaks suurema osa valgusmürast eemaldama.
  2. Katsetasime kenama väljanägemise saanud seadet

Nagu enne sai öeldud, oleme loobunud teleskoobi või läätse abiga laservalguse koondamisest, sest ka ilma saab normaalseid tulemusi  (nagu järgnevatelt helilõikudelt kuulete).  Samuti, nagu hea komme ette näeb, siis vajaminevate asjade arvu tuleb hoida miinimumis.

VIDEO

Teisel korral, kui oli valmis karp elektroonika jaoks, ilmnes ka ebameeldiv probleem. Nimelt on spioonimikrofonil ainult 1 audio auk. Et saada parim asend tooli peal asuvale spioonimikrofonile, kuulas esimene inimene  kõrvaklappidega väljundist tulevat heli ja teine inimene inimene koputas spioneeritavale aknale ja rääkis midagi. Esimene inimene otsis spioonimikrofonile parima asendi, kus oleks koputusi ja juttu kõige paremini kuulda. Kui hea asend käes, oli vaja kõrvaklappide otsik vaja välja vahetada teise juhtmega, mis suubus salvestavasse arvutisse. See protseduur ajas suure tõenäosusega parima asendi paigast ära (isegi parima tahtmise korral nihkus seadeldis tooli peal).  Selle probleemi vältimiseks on vaja järgmine kord mingi kindlama kinnitusega spioonimikrofon kinnitada, nii et juhet saab nii vahetada, et seade ei liiguks.

Järgmine katsetamise kord peame me mõõtmisi dokumenteerima, st kasutama mingit kindlat salvestatud heliteost, kindlatel kaugustel, kindlatel helitugevustel. Iga kauguse ja valjuse jaoks vastab siis erinev helifail, nii on lihtsam asju dokumenteerida.

 

Viimane katsetus(29.04.2016)

Eelmised spioonimikrofoni katsetused olid tehtud üpriski organiseerimatult – st, et mingit tabelit, kus oleks kirjas heliallika kaugus klaasipinnast, heliallika valjus ja salvestatava faili nimi, ei kasutatud. Viimase katsetuse ajal me hakkasime kasutama sellist tabelit:

Faili nimi Kaugus klaasist Valjus Rääkija
fail5 0,5 m (lõpus 0.1 m) 60 dB Alvin
fail6 0,5 m (lõpus 0.1 m) 60 dB Rando

Heli valjust mõõtsime me Rando telefoni äpiga ning loetava teksti jaoks kasutasime iga salvestuse ajal ühte teoloogilist teksti.  Me ei kasutanud mingit kindlat helifaili klaaspinna läheduses ettemängimiseks, sest me arvasime, et telefonikõlarist tulev heli on liiga vaikne saamaks hea tulemus ning samuti ei võtnud ükski rühmaliigi kaasa mingeid suuremaid kõlareid. Samas oleks parem kasutada kõlarit ja ühte kindlat helifaili, sest siis ei peaks üks inimene pidevalt klaasi juures viibima. Lisaks väsib teksti ette lugeva inimese hääl pikapeale ära.

20160511_102626

Meie spioonimikrofon kinnitatuna statiivi külge

20160511_102600

Liisi ja Rando spioneerimas Alvinit

Nagu ülalolevatelt piltidelt näha, siis oleme leidnud statiivi spioonimikrofoni kinnitamiseks. Eelmises postituses oli juttu sellest, et kõrvaklappide otsiku vahetamisel salvestava juhtme vastu nihkus seade enne veidi paigast. Pildil olev massiivne statiiv vähendab seda efekti, eriti siis kui oma jalaga sellele peale astuda otsikute vahetamise ajaks.

Esimesed 4 faili tulid põhimõtteliselt täiesti vaiksed, kuna mikrofoni juhe oli asetatud hoopis kõlarite auku. Pärast võhikliku vea avastamist tegime kaks salvestust veel ning neid võib kuulata siinolevalt lingilt. Videost on kuulda, et keegi midagi räägib ja üksikud sõnad on ka eristatavad, aga tervest tekstist pole lootustki aru saada.

Projekti kokkuvõte

Kokkuvõtteks võiks projekti hinnata õnnestunuks, kuna sellest videost on kuulda, mida Rando räägib, seega spioonimikrofoni proof of concept leidis kinnitust.  Paraku ei suutnud me realiseerida ühte peamist eesmärki: valmistada spioonimikrofon, mis oleks paigaldatav 15 minutiga, ning mis võimaldaks salvestada tuvastatavat kõne. Spioonimikrofoni parandamiseks võiks kasutada veel  järgnevaid meetodeid:

  1. kasutada väiksema diameetriga laserkiirt
  2. kasutada suure pindalaga jäigalt fikseeritud akent (Physicumi koridori ukseklaas oli umbes 1m*2m mõõtmetega,  ning suhteliselt “lõdvalt” fikseeritud. Lõtvus väljendus näiteks selles, et kui keegi avas koridoris oma kabineti ukse, siis muutuv õhurõhk liigutas suhteliselt palju klaasust.
  3. Värvida fotodioodi ümbritseva toru sisemus mustaks vähendamaks segavaid peegeldusi.
  4. Eksperimentide tegemise üldprintsiip väidab, et alati on mõistlik hoida vajaminevate komponentide arvu miinimumis, sest siis on väiksem tõenäosus, et midagi katki läheb. Seega võiks kasutada sellist läptopi, millel oleks eraldi augud mikrofoni ja kõrvaklappide jaoks. Meie tiimil jäi ükskord katsetamine katki, sest combo-jack oli märkamatult katki läinud, nii et me heli ei saanud kasutada.

Lisa kommentaar

Sinu e-postiaadressi ei avaldata. Nõutavad väljad on tähistatud *-ga