Come costruire un microfono laser

La comunicazione attraverso la modulazione della radiazione elettromagnetica è diventata una tecnica di base nella tecnologia moderna. In questo articolo discutiamo un metodo moderno di intercettazione vocale basato sulla modulazione della luce laser riflessa da un vetro della finestra, che viene usato da decenni anche dai servizi segreti di mezzo mondo per spiare e captare le conversazioni. In particolare, illustreremo una semplice e economica dimostrazione in classe di un “microfono laser”, o fotofono. Infatti, si tratta di una sfida e di un’esperienza molto istruttiva sia dal punto di vista scientifico che tecnico.

L’idea di comunicare mediante l’uso di luce modulata esiste almeno dal 1880. A quel tempo, Alexander Graham Bell – noto ingegnere e inventore – ha ideato un sistema per modulare la luce del sole e ricevere questa luce modulata a una certa distanza, dove può essere convertita in suono udibile. Il suo sistema usava un bocchino che concentrava il suono su un diaframma riflettente. La luce del sole che era rivolta al diaframma veniva riflessa e ricevuta da un camera trasparente riempita di gas.

Bell ha scoperto che poteva rilevare il suono udibile dalla camera quando la luce che si rifletteva su di essa era modulata dalle vibrazioni nel diaframma riflettente. Quello che Bell aveva scoperto è ora noto come effetto “fotoacustico” e il sistema in questione come “fotofono”. Il fenomeno è ora ben compreso. La modulazione della luce che viene ricevuta dall’assorbimento da parte della sostanza gassosa produce una modulazione della temperatura nella sostanza attraverso un effetto fototermico.

Il trasmettitore del fotofono di Bell.

Poiché il gas è limitato in volume dal suo contenitore, la modulazione della temperatura, a sua volta, produce modulazione della pressione, e quindi un segnale acustico. Le versioni successive del fotofono usavano celle di selenio cristallino invece della camera piena di gas. La resistenza elettrica del selenio, infatti, varia con l’illuminazione. Un auricolare sensibile collegato alle celle di selenio potrebbe riprodurre chiaramente la voce dal bocchino. L’esperienza è abbastanza facilmente ripetibile.

Bell, ovviamente, è famoso per la sua invenzione del telefono (in realtà inventato dal nostro Meucci) ma, in una lettera che scrisse a suo padre il 26 febbraio 1880 per annunciare il successo del test del fotoamplificatore telefonico, considerava il suo fotofono un’invenzione maggiore rispetto al telefono. Bell aveva ragione sul significato della sua invenzione. Il suo fotofono è comunemente riconosciuto come il progenitore di molti moderni dispositivi di comunicazione ottica.

Un moderno e semplice sistema di comunicazione ottica fai-da-te basato sul laser.

Di interesse qui è il fatto che il concetto del fotofono è stato utilizzato da varie agenzie di intelligence nel corso degli anni: organizzazioni come l’FBI, la CIA e il KGB. Questo concetto ha reso possibile l’ascolto di conversazioni all’interno di una stanza che aveva una finestra senza mai avvicinarsi alla stanza in questione. Unità di sorveglianza laser simili nel design a quello che descriviamo qui sono anche commercialmente disponibili ora su Internet semplicemente digitando su Google “microfono laser”.

Il sistema di microfono laser descritto in questo articolo, che è una moderna variante del fotofono di Bell, produce risultati che imitano quelli creati da sistemi professionali utilizzati dalle suddette agenzie di intelligence. Tuttavia, questo sistema produrrà una decente fedeltà per una frazione del costo dei sistemi utilizzati per la sorveglianza dalle agenzie governative. Naturalmente, usare un microfono laser per una dimostrazione in aula è legale, usarlo per spionaggio reale senza permesso non lo è.

Schema del sistema di microfono laser illustrato nella prossima sezione.

Il sistema di spionaggio laser è considerato da molti il ​​Santo Graal dei dispositivi di spionaggio ad alta tecnologia, perché può dare all’utente la possibilità di ascoltare le conversazioni che si svolgono in un edificio lontano senza dover installare una cimice o un trasmettitore sul posto. Si dice che il microfono laser spia sia stato inventato nell’Unione Sovietica da Leon Theremin – famoso per aver inventato il primo strumento elettronico al mondo – alla fine degli anni ’40.

Utilizzando una sorgente di luce a infrarossi non basata su laser, il sistema di Theremin è in grado di rilevare il suono da una finestra vicina rilevando le deboli vibrazioni sulla superficie del vetro. Il KGB ha successivamente utilizzato questo dispositivo per spiare le ambasciate britanniche, francesi e statunitensi a Mosca. Il microfono laser funziona sicuramente bene in condizioni ideali, ma ha molti punti di forza e di debolezza che verranno discussi più avanti in questo articolo.

Occorrente e configurazione del fotofono

La dimostrazione del microfono laser, o fotofono, richiede i seguenti elementi:

• Un laser a bassa potenza (una comune penna laser o un laser a elio-neon didattico)
• Una cella solare al silicio
• Un amplificatore audio
• Un altoparlante (oppure delle cuffie)
• Un sistema stereo portatile di una certa potenza (opzionale)
• Una lastra di vetro per finestra spessa 2,2 mm (di circa 75 cm x 75 cm).

Un comune puntatore laser utilizzabile per questo progetto e un possibile supporto stabile. Se non hai un puntatore laser, ne puoi trovare diversi online, ad es. qui.

Il rischio derivante da un laser è espresso dalla “classe” del laser. Ad un’estremità della scala, i puntatori laser di Classe 1 (potenza < 0,04 mW) sono sicuri per la normale visualizzazione. I danni agli occhi causati dalla visualizzazione diretta del raggio di una penna laser (ad es. per lavagna luminosa) di Classe 2 (potenza < 1 mW) sono in genere evitati dalla risposta del battito di ciglia. Per questa esperienza NON usare assolutamente laser di potenza superiore a 1 mW (Classe 3 e 4), che richiedono cautele speciali e l’uso di occhiali di protezione adeguati.

La cella solare può essere acquistata presso un negozio locale di elettronica locale oppure online (ad esempio qui) e il vetro da finestra è comunemente disponibile nei negozi di bricolage per la casa. Vale la Anche l’amplificatore e il laser sono economici e facilmente ottenibili. Durante le prime sperimentazioni, infatti, un puntatore laser a penna è stato usato con successo al posto di un laser a elio-neon. Però, un amplificatore audio di qualità e un laser più potente possono fornire una migliore fedeltà.

Una piccola cella solare utilizzabile per questo progetto. Ne puoi trovare diversi tipi qui.

Abbiamo usato con successo una finestra come diaframma riflettente per questa dimostrazione, ma un pezzo indipendente di vetro per finestre è generalmente migliore perché la sua posizione può essere facilmente regolata. Il vetro da finestra è posto su un tavolo e sostenuto con una piccola quantità di contatto vicino al bordo superiore del vetro. Il dispositivo di supporto non è critico. Potete usare scatole di cartone. La chiave è che il vetro sia appoggiato in modo che sia libero di vibrare.

Una radio stereo viene quindi posizionata dietro il vetro, il più vicino possibile ad esso senza toccarlo effettivamente. Il laser è puntato sulla finestra con un angolo di incidenza di circa due gradi dalla normale. Il ricevitore è posizionato vicino al trasmettitore ed è anch’esso collocato ad un angolo di due gradi rispetto alla normale alla finestra. Questo angolo è stato scelto arbitrariamente dopo sperimentazione con una vasta gamma di angoli. Il piccolo angolo consente di posizionare i componenti più vicini.

Ovviamente, angoli di incidenza minori consentono al sistema di essere spostato più lontano dal vetro. Abbiamo usato con successo questo microfono laser con sia il trasmettitore che il ricevitore fino a 25 m di distanza dalla finestra. Si raccomanda che tutte le luci ambientali siano spente e che siano appannate tutte le finestre, tranne quella eventualmente oggetto dell’esperimento. Ciò, naturalmente, è necessario anche se si fa l’esperimento con un vetro isolato anziché con una finestra.

Il microfono laser è un classico strumento di spionaggio usato dai servizi segreti (a destra). Se il raggio è perpendicolare alla finestra, trasmettitore e ricevitore possono essere un unico apparecchio (schema a sinistra).

Ciò infatti impedisce alla cella solare di ricevere luce da queste fonti, in quanto verrebbe anch’essa riprodotta in suono, ma come rumore udibile indesiderato, molto probabilmente nella gamma di frequenza a 60 Hz. In pratica, abbiamo ottenuto risultati soddisfacenti proteggendo la cella solare dalla luce indesiderata posizionandola in una scatola coperta con un foro di entrata tagliato dalla parte anteriore, permettendo così a un po’ di luce ambiente di essere presente nella stanza.

In pratica, utilizzando il treppiede o un altro modo per mantenerlo stabile, dirigi il puntatore laser su una finestra (o sul vetro isolato ad hoc per l’esperimento) in modo che il riflesso si trovi in un punto non troppo difficile da raggiungere. Ora basta posizionare la cella solare (o una fotocellula) in modo che sia sul raggio riflesso. Dopo averlo fatto, collega il cavo di uscita a un plug-in microfonico e, tramite un’uscita realizzata in parallelo, controlla la tensione di uscita della cella con un multimetro digitale (opzionale).

I segnali dalla cella solare possono essere inviati all’ingresso audio di un amplificatore collegato a un altoparlante da 8 Ω. Se si esegue la dimostrazione in una piccola classe, usare le cuffie al posto dell’altoparlante può essere utile, poiché consentono di distinguere facilmente l’audio del microfono laser dal suono proveniente dal sistema stereo portatile. L’alternativa è quella di porre l’altoparlante in una stanza diversa da quella in cui si trova il vetro (o la finestra) e il resto dell’apparato.

Esempio di sistemi professionali di monitoraggio laser audio e video.

Naturalmente, è possibile anche registrare il segnale in uscita dall’amplificatore con un registratore tradizionale, oppure inviare direttamente il segnale in tensione in uscita dalla cella solare alla scheda audio di un PC, purché la tensione massima in uscita dalla cella solare sia inferiore a quella massima accettata dalla scheda audio, altrimenti la danneggerai in modo irreparabile. Essa ha un ingresso di linea (LINE IN) non amplificato, a differenza di quello “Mic”, che invia il segnale a un amplificatore.

Se non vuoi correre il rischio di danneggiare la scheda audio del tuo computer per semplice imperizia o inesperienza, puoi facilmente acquisire la tensione in uscita dalla cella solare su un PC tramite un convertitore analogico-digitale (ADC): ad es., tramite una scheda Arduino Mega (che ha un ADC con una migliore risoluzione rispetto alla classica Arduino Uno), in modo da poter ascoltare tramite il sistema audio del computer il segnale acquisito e da poterlo, volendo, più facilmente registrare.

Come  funziona il nostro microfono laser

La radio produce suono all’esterno della finestra, il che provoca evidentemente delle vibrazioni nel vetro della finestra. Le vibrazioni nel vetro provocano fanno sì che la finestra si fletta, cambiando il centro di curvatura della finestra stessa e facendo sì che pure la lunghezza focale della finestra cambi, anche se molto leggermente. Ciò crea una divergenza variabile nel raggio laser riflesso. Ciò è mostrato nella figura qui sotto, sebbene l’effetto sia stato notevolmente esagerato per chiarezza.

Mentre il riquadro della finestra vibra, il suo raggio di curvatura fluttua. Ciò crea una superficie riflettente con una lunghezza focale variabile. Di conseguenza, la divergenza del raggio laser riflesso fluttua.

Pertanto, anche le piccole vibrazioni provocano una variazione misurabile della densità di energia della luce che raggiunge la cella solare. Le variazioni della densità di energia corrispondono alle informazioni audio originali provenienti dalla radio. Infatti, la variazione della densità di energia nella cella solare provoca la fluttuazione della tensione attraverso la cella. La cella solare riceve le informazioni audio trasportate dalla densità di energia luminosa modulata e la trasforma in una tensione fluttuante.

Questo segnale di tensione porta le informazioni audio originali e viene quindi inviato a un amplificatore, dove viene amplificato a un livello tale da poter pilotare un altoparlante. Questo processo è rappresentato in figura. Il suono riprodotto è chiaramente riconoscibile, essendo prodotto dal sistema stereo portatile. Per dimostrare che il suono viene trasportato dal raggio laser ed è causato da vibrazioni nel vetro della finestra, basta interrompere il raggio laser con la mano, ed i suoni riconoscibili finiranno.

La luminosità fluttuante della luce riflessa viene convertita in un segnale di tensione dalla cella solare. Il segnale viene successivamente amplificato e inviato all’altoparlante.

Vale la pena notare che alcune celle solari possono essere sovraccaricate (o, come si dice in gergo, “saturate”) da un raggio laser riflesso troppo luminoso, facendo sì che parte del segnale luminoso modulato venga tagliato quando convertito in una tensione. Una prestazione migliore può essere raggiunta in questo caso permettendo solo al bordo del raggio laser riflesso di entrare in contatto con la cella a energia solare (per inciso, una cosa simile succederebbe in un sismografo laser a cella solare).

In particolare, il regolare l’angolo della cella solare in modo che il raggio laser riflesso contatti la cella solare con un ampio angolo di incidenza (vale a dire, quindi, in modo tale che il raggio laser sfiori la cella solare) può migliorare la fedeltà dell’intercettazione vocale. Questa geometria, infatti, consente alle lievi fluttuazioni del diametro del raggio laser riflesso di tradursi in maggiori fluttuazioni di tensione e, di conseguenza, di corrente nel circuito della fotocella.

L’allineamento del laser dalla sorgente al bersaglio e viceversa non è, in una situazione realistica, un compito banale e aumentando la distanza dal laser al bersaglio aumenta anche il livello di errore. A 100 metri di distanza da una finestra, infatti, il raggio diventerà così sensibile allo spostamento che dovrai stare attento quando ti muovi intorno al laser perché la deflessione del pavimento all’interno della tua casa sarà sufficiente per spostare il raggio di un paio di centimetri o più.

All’aumentare della distanza laser-finestra il sistema diventa più sensibile a ogni spostamento.

Quando finalmente riuscirai a creare una configurazione a lungo raggio di successo, scoprirai che l’allineamento è così sensibile che persino un’auto di passaggio può creare onde nel sistema a causa delle vibrazioni tra la casa e la strada. Il dispositivo laser è in grado di funzionare a molte centinaia di metri di distanza (anche attraverso alcuni isolati), ma le vibrazioni sarebbero così critiche che avresti bisogno di avere tutto montato su una base di cemento o metallo assai pesante fissata a terra.

Alcune possibili varianti al sistema

Se c’è troppo inquinamento luminoso, l’eccesso di luce può peggiorare il rapporto segnale/rumore e/o aggiungere rumore di fondo. Se vuoi un suono di qualità superiore e meno probabilità che le persone lo vedano, usa un laser rosso per mirare, quindi metti un laser a infrarossi (più costoso e difficile da trovare) al suo posto. Questo progetto funziona meglio in luoghi bui. Eventuali tende nella finestra “bersaglio” possono aiutarti a non essere visto, ma attenuano un po’ il suono.

Se vuoi semplificare il tuo sistema dimostrativo, puoi attaccare uno specchietto su un altoparlante per simulare il sistema vetro/finestra che vibra con la voce. Questo renderà l’intero sistema più trasportabile, cosa non trascurabile per un apparato didattico. Dopodiché ti basterà collegare l’altoparlante all’uscita per altoparlante di una buona radio, oppure – ancora più semplicemente – all’uscita auricolare del tuo smartphone, che poi puoi sintonizzare su una stazione radio.

Lo specchietto attaccato sulla parte centrale vibrante di un altoparlante.

In effetti, qualsiasi piccolo pezzo di una superficie altamente riflettente come uno specchio (o un pezzo di metallo perfettamente piano) può essere utilizzato per deviare il raggio laser durante questi test. È possibile utilizzare una pistola per colla a caldo o persino un nastro biadesivo per incollare la piccola sezione dello specchio al centro del diffusore. La dimensione dello specchio non è importante poiché il raggio laser sarà largo solo pochi millimetri quando colpisce la superficie.

Costruire il tuo microfono laser è di gran lunga il modo migliore per sperimentare questa tecnologia, in quanto puoi adattare il design in base alle tue esigenze, piuttosto che sborsare centinaia di euro o più per un kit assemblato che probabilmente sarà molto inferiore a quello che tu puoi costruirti. Molti dei kit in vendita su Internet non solo usano una tecnologia datata, ma affermano erroneamente che il sistema utilizza un raggio laser modulato per convertire le vibrazioni della finestra in suono.

Un filtro passa-basso per far passare la voce e non il rumore a bassa o alta frequenza in una versione ulteriormente raffinata del tuo microfono laser.

L’altoparlante deve essere guidato da una fonte audio, ma il livello dovrebbe essere così basso che puoi sentirlo solo quando l’orecchio è proprio accanto all’altoparlante. L’obiettivo è quello di ricreare le stesse condizioni ipotetiche di una situazione di spionaggio reale, quindi la superficie riflettente dovrebbe appena vibrare. Un lettore audio portatile è perfetto per questo test. Regola il volume al minimo fino a quando riesci a malapena a sentire l’uscita dall’altoparlante.

Per semplificarti la vita durante la sperimentazione della configurazione di base, crea una sorta di supporto per altoparlanti facilmente regolabile come il mio, utilizzando una vecchia base per webcam o una morsa da banco regolabile. La capacità di spostare l’altoparlante in qualsiasi angolazione e fissarlo sarà fondamentale per testare il funzionamento del dispositivo microfono laser mentre lo costruisci. Anche il laser di puntamento avrà bisogno di una sorta di base regolabile.

Inoltre, al posto della semplice cella solare, puoi usare un circuito leggermente più complesso basato sull’uso di una fotoresistenza CDS (cioè al solfuro di cadmio), che in teoria meglio si presta come fotorivelatore – in questo tipo di esperimento – per la sua particolare superficie. Essa alimenta un semplice amplificatore a transistor che convertirà i piccoli cambiamenti nella posizione del raggio laser in cambiamenti di tensione che verranno inviati alle cuffie come un segnale audio.

Il semplice circuito rivelatore del segnale laser riflesso se usi una fotoresistenza.

Una fotoresistenza CDS è una resistenza che cambierà la sua impedenza a seconda della quantità di luce che colpisce la superficie. Alimentandola con una batteria collegata in serie e in uscita a un amplificatore audio, il risultato è un sistema audio sensibile alla luce che ti permetterà di “ascoltare” la luce. Poiché questo sistema ha pochissimo guadagno e nessun filtro, sarà un sistema molto “minimal”, ma ti farà sicuramente sentire il segnale audio segreto inviato lungo il tuo raggio laser.

Il circuito che usa la fotoresistenza richiederà solo un transistor NPN, una resistenza e una batteria per dimostrare che il raggio laser è sicuramente in grado di captare vibrazioni deboli e trasformarle in audio. Qualsiasi transistor NPN generico, come l’2N3904 o il 2N2222, funzionerà in questo circuito. La tensione della batteria può variare da 3 a 9 volt. Se colleghi una batteria da 9 V direttamente alla fotoresistenza e alle cuffie senza il transistor per amplificare il segnale, l’audio sarà molto debole.

Una fotoresistenza al solfuro di cadmio ottima per questa variante del  progetto.

Questo convertitore luce-suono di base funziona perché qualsiasi cambiamento alla base del transistor amplifica la corrente alle cuffie. Poiché il raggio laser di ritorno rimbalzerà a causa della vibrazione dell’altoparlante, questo farà sì che le cuffie rispondano al raggio come se fosse un segnale audio. Sebbene il raggio laser si muova, non modulato, i principi al lavoro sono esattamente gli stessi, con l’eccezione che in questa configurazione, il raggio deve essere leggermente spostato dal centro del fotoresistenza in modo che, quando si sposta attraverso la superficie, ci sia una corrispondente variazione di tensione.

Non appena il raggio colpisce la fotoresistenza, l’impedenza varierà in modo significativo e sentirai un “pop” e probabilmente un mucchio di rumore. Gioca con la posizione del raggio per vedere come la posizione del raggio sulla superficie della fotoresistenza altera la ricezione del segnale audio. Vedrai che la posizione ottimale per il raggio è quando esso tocca semplicemente la superficie della fotocellula, in modo che eventuali cambiamenti nella posizione del raggio prodotti dalle vibrazioni provochino l’oscillazione più significativa della tensione all’uscita delle tue cuffie.

Schema a blocchi del tuo apparato elaborazione del segnale proveniente dal foto-sensore se vuoi realizzare un microfono laser di livello professionale.

Se tutto ciò che senti è un forte ronzio, probabilmente hai troppa luce ambientale nella tua stanza. Le lampadine a incandescenza in realtà vibrano a 50 o 60 Hertz e questa vibrazione nella luce la sentirai nel tuo sistema come un forte ronzio costante. Come avrai probabilmente intuito, il sistema microfono spia non funzionerà molto bene durante il giorno a causa delle fonti di luce ambientale in competizione con il tuo raggio laser, ma va bene, dato che le vere spie di solito operano nell’oscurità!

Il sistema di prova di base illustrato ti mostrerà quanto sia necessario un accurato allineamento del laser e del ricevitore per prestazioni ottimali. Ironia della sorte, la configurazione di base potrebbe creare un sistema che funziona altrettanto (o meglio) di alcuni di quelli che sono in vendita su Internet. Come scoprirai, la chiave per spiare con un raggio laser sta nell’allineamento e nella ricezione del raggio, non in una scatola nera “magica” piena di fantasiosi filtri e componenti ottici.