党委政府
当前位置:首页 > 党委政府 > 列表页

我国音乐喷泉控制系统研究进展

百纳文秘网  发布于:2021-04-08 08:19:41  分类: 党委政府 手机版

摘 要:音乐喷泉控制系统是整个音乐喷泉系统的核心部分。文章结合音乐喷泉的研究进展,对音乐喷泉的定义和技术原理进行阐述。按照控制系统的运行方式和控制方法,对我国音乐喷泉控制系统的研究成果进行分类,其中包括:程序控制、实时声控、预编控制方式和变频控制方式,对每种方式的优势和不足进行总结。随着科学技术的迅猛发展,智能控制、变频调速等高科技技术进入喷泉控制领域,喷泉控制系统将会有很好的发展前景,新型音乐喷泉控制系统的研究和应用将会更加广泛。

关键词:音乐喷泉;控制系统;变频控制;智能控制

引言

随着我国经济社会的发展和人民生活水平的提高,人民对生存环境的要求也随之提高。很多地方都可见到人工音乐喷泉,如公园、广场、游乐场、居民小区等,它是为了娱乐而创造出来的可以活动的喷泉,是现代科技与艺术的完美结合。它集合声、光、色、形于一体,并产生千变万化的水景[1]。音乐喷泉作为一种独特的人工景观,不仅可以给人民带来视觉和听觉上的艺术享受,同时也美化了我们的城市,促进了整个城市大环境的发展,同周围的自然环境、建筑环境交相辉映,给周围环境增添了无限生机,提高了城市中钢筋混凝土建筑物的文化艺术氛围,也净化了空气,带来了很好的经济、社会和环境效益[2,3]。

音乐喷泉演奏的乐曲数目有限,这是因为音乐喷泉通常需要程序控制系统和音乐控制系统对不同的音乐进行编程,使得喷泉产生的水型与音乐的旋律配合协调,音乐的内涵通过喷泉的形式表达出来,目前我国生产音乐喷泉的企业有上百家,这些公司都具有制造、设计、安装、调试的能力,但计算机软件集成控制技术还很薄弱。与国外企业相比,在音乐内涵的表达形式和程序控制等方面还存在很大的差距。本文针对我国在音乐喷泉控制系统中存在的问题,从音乐喷泉控制系统的组成和研究进展两方面进行探讨,并展望未来的发展趋势。

1 音乐喷泉系统

1.1 概念

音乐喷泉是一种为了娱乐而创造出来的可以活动的喷泉。它根据美学设计产生三维立体效果。这种效果是由于声波、光波或激光穿过水粒子而产生的。在此过程中,水流被操控,光线被散射和折射,呈现出一个三维的动态画面。

1.2 系统组成及工作原理

音乐喷泉是在程序控制的基础上加入了音乐控制系统,首先要从音乐中提取主要构成元素,其中包括音乐速度、调式、音区、节奏、旋律方向、力度等,通过计算机对音频及MIDI信号进行识别、译码和编码,然后根据音乐所表达出来的情感,为音乐匹配相应的灯光、水型,最终音乐、水型、灯光三者节奏同步,得到满意的音乐喷泉信息,然后喷泉信息被存入数据库。在实际运行过程中,首先从数据库中调用相应的音乐曲目,然后将控制信息发送给喷头、水泵、变频机、摇摆机、灯头等硬件设备。这样,音乐、水型、灯光(水、声、电)信息可以实现同步播放,呈现出和谐统一的动感画面[4]。音乐喷泉系统作用原理结构简图如图1所示。

2 音乐喷泉控制系统研究现状

2.1 控制系统组成

音乐喷泉控制系统是集音乐控制、程序控制、人工智能控制技术于一体的现场控制系统。通过程序控制系统和音乐控制系统,对音乐进行编程,使喷泉造型与音乐旋律、灯光同步结合而产生千变万化的水景,表达音乐内涵及主题。音乐喷泉声、光、色、形俱美,激起人们的情绪而得到水美的艺术享受。

音乐喷泉控制系统结构如图2所示,首先计算机将数据库中的音乐分解为一系列不同频率的电信号,这些信号被传送到控制设备。控制设备根据这些信号的变化,改变电泵的功率、阀门的开合度以及喷嘴转动的角度,呈现音乐和水型的完美统一。

音乐喷泉控制系统主要包括:计算机、可编程控制器、变频器、控制柜等。计算机作为用户终端,可以实时显示操作界面,并且所有控制程序和数据库都安装存储在计算机内,可编程控制器在程序的控制下决定变频器、电磁阀和灯光的开关,由控制柜、变频器控制相应动作的开合度。

音乐喷泉是音乐和喷泉自动控制系统的有机结合,音乐指导喷泉的水型,喷泉表达音乐的内涵我国音乐喷泉产业发展过程中出现了许多问题,如缺乏自主创新能力、控制系统硬件质量差、音乐软件程序设计薄弱等,其中喷泉控制系统是整个音乐喷泉的核心部分,它决定喷泉的最终呈现效果,因此我国需要加强控制系统的研究,结合其它行业的优势,利用先进的计算机和软件系统,解决音乐喷泉发展过程中存在的一系列问题。

2.2 控制系统类别

从德国人20世纪发明音乐喷泉到现在已经有几十年的历史了,随着科学技术的飞跃发展,音乐喷泉系统的控制水平和科技含量也越来越高,控制方法也越来越多。现将主要的几种控制方式总结如下:

2.2.1 程序控制

程序控制是利用预先编辑好的计算机程序来控制喷泉系统的水型和灯光,使水型和灯光产生不同的变化效果,整个控制系统通过计算机操作界面控制和显示,可以实现多个程序的随机执行,系统反应快、灵敏度高,能够承受一定的压力和撞击,系统采用模块化结构,便于系统升级和维护。但是对于音乐特征的识别需要人工完成,即由设计人员对乐曲进行特征提取,编辑处理。这使得系统曲目受到限制,如有新的乐曲加入就需要操作员重新编程处理,会带来很大的工作量,系统的灵活性较差,所以这类系统谈不上对音乐特征的自动识别。李瑞程和应柏青[5]基于可编程序控制器,设计了音乐喷泉控制系统。程序设计完成投入运行后,音乐喷泉模型装置喷水高度按设计的要求随着音乐信号的强弱而变化。张均和廖建波[6]设计了一种小型音乐喷泉控制系统,该系统采用模块结构,可较灵活组合,是一种较为理想的音乐喷泉控制系统。但是,由于组合过于复杂,可靠性下降,故不适用于复杂的大型喷泉系统。

2.2.2 实时声控

实时声控控制方式是目前国内绝大多数音乐喷泉设备公司采用的一种控制手段,它可以自动识别和响应任何音源信号,与程控方式相比,它省去了预先的程序编辑过程,节约了成本,但此种控制方式也存在一些问题,首先,水型动作要比音乐滞后,喷泉动作与音乐不协调。其次,水型的出现组合与出现时间长短是固定的,不论任何曲目,都会出现表演水型与音乐所表达的情感不一致。使人听觉感受与视觉感受不协调。第三,乐曲的情感段落与水型变化时间不符,而且千篇一律。吕传林[7]提出了一种新的音乐喷泉设计方案和控制方法,采用PWM变频调速、预处理、预测补偿控制和信号提前控制方法,利用计算机仿真软件,分析证明该设计方案的运行效果。结果表明,该控制方法大大改善了喷泉系统的控制品质,真正达到了实时控制的效果。刘莉宏[8]介绍了一种基于音乐特征识别的音乐喷泉智能控制系统。由于能够自动识别音乐的曲式、情感等特征,该系统能够根据不同曲目的特点形成体现音乐内涵的音乐喷泉表演程序;同时,通过综合运用电脑动画、自动控制等技术,充分使音乐旋律、情感、节奏与水景艺术完美结合,呈现出一幅完美的水声画面。

2.2.3 预编控制

预编控制是根据某一首乐曲的情感与意境,人工编制各种水型、动作、灯光、水泵的开启和关闭,使喷泉的表演与音乐的情感和意境相吻合。此功能在控制技术、计算机技术、通讯技术方面有一定的综合难度。吴仁华和祁大勇[9]利用8031单片机通过A/D对音频信号进行采样,进而控制步进电机,达到控制电磁阀,实现喷头流量的控制。陶虹等[10]用vb6.0编程语言在win98系统下开发了喷泉主控系统,介绍了音乐喷泉系统的硬件结构,系统控制软件的组成及功能,并给出了主要程序。该喷泉主控系统的主要硬件设备包括工控机、双工声卡、模拟量卡及开关量卡,该控制系统在音乐起伏较大时,有比较好的效果,但由于系统没有音乐预处理功能,加之喷泉变频喷头的数量及设计限制,系统对音乐的整体性表达不够。林涛等[1]为了改进音乐喷泉的效果,采用PLC多点控制系统代替大量的继电器线路,通过PLC对音乐喷泉控制系统的SSR、彩灯、射灯、水泵的多点控制,编写一些程序和简单的连接实现大量的开关按照逻辑条件进行顺利动作和进行连锁保护动作的控制。结果表明,PLC的应用不仅能够进行多种水型切换,而且能控制喷泉随音乐上下起伏,同时花式更改方便,SFC编程设计思路清晰。潘礼庆[11]采用PLC与普通计算机组成的音乐喷泉实时控制系统中,发挥PLC的通信功能和编程特点,实现上位机与下位机的通信与控制,由PLC来完成喷泉实时控制中的各种水型、灯光、跑泉的快速变化动作,为快速、高效地构建:大型音乐喷泉实时控制系统提供可靠、性价比优越的应用方案,同时该设计方法也适用于PLC程控喷泉的调试及独立运行。赵永强等[12]通过借用有源音箱扬声器的信号,节约了系统的成本,并引入史密斯(Smith)预估补偿器,解决了系统因为各种执行机构的惯性和机械因素而导致的整个控制系统较大的时间滞后问题,实现了PLC控制音乐喷泉。通过实验,此系统具有较好的时间同步性,可以很好地实现声、光、水的结合;可以改造已有的音乐喷泉系统,具有广阔的应用前景。张长君和王连涛[13]介绍了一个以AT89C51单片机为核心的小型音乐喷泉控制系统。给出了一个简洁的单片机控制电路,分析了输出地址,描述了不同类型的输出电路和输入电路;介绍了从特定构造的喷池中获得决定喷池动作的喷池数据原理;给出了主程序框图和程序。目前,该系统已在多个小型音乐喷泉工程中应用,取得了令人满意的效果。庞婷婷[14]等介绍了基于单片机的音乐喷泉系统,本系统是PC机将数据通过RS-232总线传输到单片机,然后应用单片机实现音乐播放、电机转速等功能,实现远距离调控及水、光、电的完美结合,本系统功能强,成本低,具有很高的实用价值。本系统是基于AT89C52单片机的控制系统,不仅具有智能化程度高,功能强大,性能稳定可靠,成本低等特点,也具有硬件和软件的升级空间。不足之处是系统利用单片机产生方波信号控制蜂鸣器发音,音色不是很优美。

2.2.4 变频控制

音乐喷泉变频控制是众多控制系统中的一种。随着先进的控制理论和方法在喷泉控制系统中的应用,喷泉控制系统不断完善和升级,其中变频调速技术在喷泉控制系统中的应用也逐渐成熟,并逐步发展为水泵调速控制的主要方式。王连涛和张长君[15]介绍变频控制系统在音乐喷泉中的工作原理和应用。一个大型的彩色音乐喷泉系统往往是一个集多种控制于一身的综合系统,科技含量很高。不过,变频控制系统的应用会给大型音乐喷泉系统增色很多,可以使喷泉的喷射高度随音乐信号大小变化,使音乐、水花、灯光融为一体,演出一场交响水诗。魏世化[16]主要介绍音乐喷泉系统的组成及变频调速技术在音乐喷泉控制系统中的应用,阐述了变频器在音乐喷泉应用中的一些特殊要求,变频调速技术已经成为音乐喷泉控制系统中水泵调速的主要方式,它不仅能够提高系统控制的灵活性,而且还能起到节能效果,因而音乐喷泉变频调速技术具有广阔的应用前景。李春艳[17]从介绍音乐喷泉系统的构成入手,探讨了变频调速技术在音乐喷泉控制系统中的应用,并以“古冶幸福广场”喷泉为实例,阐述了变频器在音乐喷泉中应用一些特殊要求。大量的研究和实践表明,变频控制系统在音乐喷泉控制系统中得到广泛的应用,对设备的运行和维护、节能和降低环境噪音都有很好的效果,是一种有效的水泵调速控制手段。

3 结束语

音乐喷泉作为听觉和视觉相结合的艺术呈现形式,已经得到了广泛的关注。音乐喷泉控制系统是音乐喷泉的核心,种类繁多,但都是优点和不足共存,没有一种控制方式是完美无缺的,实时声控方式虽然可以响应任何声源信号,但水型动作与音乐不协调;预编控制方式虽然可以使喷泉的表演与音乐的情感相协调,但此控制方式音乐和控制在系统上是独立的,表演曲目有限;一些音乐喷泉控制器虽然可以音频信号自动转换成变频调速器要求的控制信号,但其输出信号与输入的声频信号呈线性关系,不能将音乐、水型、灯光三者融为一体,呈现的效果不统一。

当今音乐喷泉控制系统和高新科技的结合正是历史发展的趋势和必然。随着科学技术的迅猛发展,智能控制、变频调速等高科技技术正不断地融入喷泉控制领域,未来必将发挥不可替代的作用,使喷泉效果更加绚丽多彩,婀娜多姿,令人赏心悦目。

参考文献

[1]林涛,杨庆斌,宁福军,等.PLC在音乐喷泉控制系统中的应用[J].青岛大学学报,2008,(4):27-28.

[2]潘礼庆.PLC在大型音乐喷泉实时控制系统中的设计与应用[J].工业控制计算机,2009,(6):86-87.

[3]唐莉萍,汪颖.音乐喷泉上位机控制系统的设计[J].东华大学学报(自然科学版),2003,2(4):38-42.

[4]王春洁.音乐喷泉系统的设计与实施[D].北京邮电大学,2006.

[5]李瑞程,应柏青.音乐喷泉控制系统的设计及PLC实现[J].实验技术与管理,2008,25(5):81-83.

[6]张均,廖建波.小型音乐喷泉控制系统设计[J].江西农业大学学报,1999,21(4):619-621.

[7]吕传林.音乐喷泉的视音同步性研究[D].大连理工大学,2002.

[8]刘莉宏.基于音乐特征识别的音乐喷泉智能控制系统的研究[J].北京工业职业技术学院学报,2009,8(4):1-3.

[9]吴仁华,祁大勇.大型广场音乐喷泉控制系统的设计[J].测控技术,2003,22(9):34-35.

[10]陶虹,唐年庆,蒋猛.音乐喷泉控制系统设计[J].内江师范学院学报,2004,19(6):21-24.

[11]潘礼庆.PLC在大型音乐喷泉实时控制系统中的设计与应用[J].工业控制计算机,2009(6):86-87.

[12]赵永强,刘帅,范淑静,等.基于PLC控制的音乐喷泉系统[J].电子测试,2011(6):73-77.

[13]张长君,王连涛.单片机控制在音乐喷泉中的应用[J].计算机工程与设计,2006,27(10):1905-1907.

[14]庞婷婷,李盼,陈杨阳等.基于单片机的音乐喷泉系统[J].科技信息,2013,35:126-127.

[15]王连涛,张长君.变频控制系统在音乐喷泉中的应用[J].工程建设与设计,2005(6):57-58.

[16]魏世化.变频器在音乐喷泉控制系统中的应用[J].变频器世界,2006,2:86-88.

[17]李春艳.变频器在音乐喷泉中的应用探讨[J].科技创新导报,2013(4):137-137.

本文已影响