音樂噴泉的設(shè)計(jì)

1、LOGO指指導(dǎo)教師導(dǎo)教師： 張棟張棟梁梁論論文文題題目：音目：音樂噴樂噴泉泉n班班級(jí)級(jí)：電氣電氣07-1班班n學(xué)學(xué)生：生：劉榮濤劉榮濤n學(xué)號(hào)學(xué)號(hào)：22071905論文的結(jié)構(gòu)論文的結(jié)構(gòu)u第一部分第一部分 背景介紹背景介紹u第二部分第二部分 理論分析理論分析u第三部分第三部分 選型和設(shè)計(jì)選型和設(shè)計(jì)u第四部分第四部分 總體分析總體分析主要內(nèi)容主要內(nèi)容u1）了解音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀，分析音樂噴泉的功能了解音樂噴泉的發(fā)展現(xiàn)狀，分析音樂噴泉的功能要求；要求；u2）掌握音頻信號(hào)處理的原理和技術(shù)；掌握音頻信號(hào)處理的原理和技術(shù)；u3）設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的音樂噴泉控制電路，能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的音樂噴泉控制電路，能實(shí)

2、現(xiàn)對(duì)給定信號(hào)的噴泉控制效果，完成硬件原理圖和軟件流給定信號(hào)的噴泉控制效果，完成硬件原理圖和軟件流程圖；程圖；u4）采用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。采用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。 近年來隨著人們的生活水平的提高、社會(huì)的進(jìn)步，各種環(huán)境藝術(shù)工程得到了飛速的發(fā)展。在許多大城市的廣場、街心花園和生活小區(qū)出現(xiàn)了各式各樣的噴泉，成為引人注目的一景。在各種現(xiàn)代化的噴泉中，尤其受到人們喜愛的是多媒體音樂噴泉，它將人的視覺感受與聽覺感受實(shí)時(shí)溶為一體，烘托出完美的環(huán)境藝術(shù)效果。隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于噴泉的要求也越來越高，尤其是計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能控制已經(jīng)成為音樂噴泉未來的發(fā)展方向。1、選題的背景

3、、選題的背景1、選題意義、選題意義 音樂噴泉音樂噴泉將水柱、燈光、音樂等等的變化與周將水柱、燈光、音樂等等的變化與周圍環(huán)境（建筑、園林）結(jié)合在一起，創(chuàng)造出各圍環(huán)境（建筑、園林）結(jié)合在一起，創(chuàng)造出各種變化多端、風(fēng)格各異的藝術(shù)氛圍，種變化多端、風(fēng)格各異的藝術(shù)氛圍，一方面給一方面給人以無窮的視聽享受；另一方面，噴出的水柱人以無窮的視聽享受；另一方面，噴出的水柱與空氣摩擦，產(chǎn)生大量的帶負(fù)離子的小水珠，與空氣摩擦，產(chǎn)生大量的帶負(fù)離子的小水珠，從而達(dá)到凈化空氣的效果。從而達(dá)到凈化空氣的效果。在音樂噴泉走向全在音樂噴泉走向全世界的同時(shí)，各種新技術(shù)也不斷地運(yùn)用在音樂世界的同時(shí)，各種新技術(shù)也不斷地運(yùn)用在音樂噴泉

4、上，使其表演變得復(fù)雜和美麗，噴泉上，使其表演變得復(fù)雜和美麗，給人們帶給人們帶來無限的樂趣，來無限的樂趣，同時(shí)同時(shí)提高了人們的生活質(zhì)量。提高了人們的生活質(zhì)量。這將產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的社會(huì)效益。這將產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益和巨大的社會(huì)效益。u音樂是聲音的一種，它的物理屬性與聲音音樂是聲音的一種，它的物理屬性與聲音的物理屬性是相通的。聲音是在空氣中傳的物理屬性是相通的。聲音是在空氣中傳播的機(jī)械振動(dòng)。它播的機(jī)械振動(dòng)。它們都們都遵守機(jī)械振動(dòng)的相遵守機(jī)械振動(dòng)的相關(guān)規(guī)律關(guān)規(guī)律。u音有音高、音長、音強(qiáng)和音色四種特征，音有音高、音長、音強(qiáng)和音色四種特征，它們分別與發(fā)聲體振動(dòng)的頻率、持續(xù)時(shí)間它們分別與發(fā)聲體振動(dòng)的

5、頻率、持續(xù)時(shí)間、振幅和頻譜分布等物理量相對(duì)應(yīng)。、振幅和頻譜分布等物理量相對(duì)應(yīng)。u聲音是諧波復(fù)雜，種類繁多的機(jī)械振動(dòng)。聲音是諧波復(fù)雜，種類繁多的機(jī)械振動(dòng)。樂理分析樂理分析弦類樂器是靠小槌敲打樂器內(nèi)部的弦來發(fā)弦類樂器是靠小槌敲打樂器內(nèi)部的弦來發(fā)聲的。通常，物理上用可以用弦的橫向振聲的。通常，物理上用可以用弦的橫向振動(dòng)來描述這一物理過程。下面就以弦類樂動(dòng)來描述這一物理過程。下面就以弦類樂器為例稍作簡要的分析，小槌敲打樂器內(nèi)器為例稍作簡要的分析，小槌敲打樂器內(nèi)部的弦時(shí)，弦的變化如下圖所示：部的弦時(shí)，弦的變化如下圖所示：使用傅里葉級(jí)數(shù)分析，作如下假設(shè)：使用傅里葉級(jí)數(shù)分析，作如下假設(shè)：弦的弦的張力張力為為

6、 T0，密度為，密度為 ，橫截面面積為，橫截面面積為A ，長度，長度為為l 。把該弦分割成。把該弦分割成 n段，得到分割點(diǎn)數(shù)為段，得到分割點(diǎn)數(shù)為 n+1個(gè)，此時(shí)得到弦的自由振動(dòng)響應(yīng)為：個(gè)，此時(shí)得到弦的自由振動(dòng)響應(yīng)為：基頻公式基頻公式120022( , ) ( )sincos( )sinsinsinllnnnn lpnny x tf xxdxptf xxdxptxllnclc 01nTpplA小結(jié)論小結(jié)論名稱名稱概念概念描述物理量描述物理量音高音的高低（發(fā)音體振動(dòng)的）基頻頻率音長音的長短（發(fā)音體振動(dòng)持續(xù)的）時(shí)間音強(qiáng)音的強(qiáng)弱或者音量的大?。òl(fā)音體振動(dòng)的）幅度音色聲音的種類（發(fā)音體的諧波）頻率由兩種

7、樂器演奏的由兩種樂器演奏的Canon曲的頻譜曲的頻譜 豎笛豎笛由兩種樂器演奏的由兩種樂器演奏的Canon曲的頻譜曲的頻譜 吉他吉他從上面的表格以及圖像可以知道：從上面的表格以及圖像可以知道：樂曲的兩個(gè)參變量：基頻和振幅。樂曲的兩個(gè)參變量：基頻和振幅。 樂器振動(dòng)時(shí)，其樂曲的種類由基頻決定，即每個(gè)音樂器振動(dòng)時(shí)，其樂曲的種類由基頻決定，即每個(gè)音符都有各自所對(duì)應(yīng)的基頻還有諧波頻率，伴隨著基符都有各自所對(duì)應(yīng)的基頻還有諧波頻率，伴隨著基頻發(fā)生的同時(shí)又發(fā)出的泛音頻率決定樂音的音色。頻發(fā)生的同時(shí)又發(fā)出的泛音頻率決定樂音的音色。如果給定的歌曲，那么不論用什么樂器都有相似的如果給定的歌曲，那么不論用什么樂器都有相

8、似的或者相同的極基頻帶?；蛘呦嗤臉O基頻帶。 比如甲乙兩名樂手分別使用鋼琴和小提請(qǐng)演奏同一比如甲乙兩名樂手分別使用鋼琴和小提請(qǐng)演奏同一首歌，觀眾能聽到是兩種樂器在演奏的歌曲，是因首歌，觀眾能聽到是兩種樂器在演奏的歌曲，是因?yàn)殇撉俸托√崆偎a(chǎn)生的音色不同；就是前文所述為鋼琴和小提琴所產(chǎn)生的音色不同；就是前文所述的泛音或者是高次諧波不同。而觀眾能聽到這兩種的泛音或者是高次諧波不同。而觀眾能聽到這兩種樂器在表演相同的樂曲，這是因?yàn)殇撉俸托√崆偎鶚菲髟诒硌菹嗤臉非?，這是因?yàn)殇撉俸托√崆偎l(fā)出的基波，即本真頻率是相同的。發(fā)出的基波，即本真頻率是相同的。u在所有的樂曲中，基頻最強(qiáng)，是主要矛盾，蓋在所有的

9、樂曲中，基頻最強(qiáng)，是主要矛盾，蓋過所有的泛音，從這點(diǎn)分析，基頻信號(hào)就是決過所有的泛音，從這點(diǎn)分析，基頻信號(hào)就是決定音樂種類的信號(hào)，理想的控制信號(hào)只能由該定音樂種類的信號(hào)，理想的控制信號(hào)只能由該音樂信號(hào)的極品信號(hào)去產(chǎn)生，這便是本次設(shè)計(jì)音樂信號(hào)的極品信號(hào)去產(chǎn)生，這便是本次設(shè)計(jì)中基頻的存在價(jià)值。中基頻的存在價(jià)值。u基頻信號(hào)對(duì)于音樂噴泉來說是最好的控制信號(hào)基頻信號(hào)對(duì)于音樂噴泉來說是最好的控制信號(hào)。所以，如果能夠?qū)σ魳沸盘?hào)的進(jìn)行處理，使。所以，如果能夠?qū)σ魳沸盘?hào)的進(jìn)行處理，使其基波在表現(xiàn)的時(shí)候變成主要矛盾，由此去控其基波在表現(xiàn)的時(shí)候變成主要矛盾，由此去控制單片機(jī)產(chǎn)生制單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，這才是音樂

10、噴控制信號(hào)，這才是音樂噴泉的唯一的控制信號(hào)；而由弦的振動(dòng)所產(chǎn)生的泉的唯一的控制信號(hào)；而由弦的振動(dòng)所產(chǎn)生的諧波，只是影響發(fā)聲體產(chǎn)生的信號(hào)的種類，諧波，只是影響發(fā)聲體產(chǎn)生的信號(hào)的種類，并并沒影響該聲音信號(hào)的本身。這是最為理想的音沒影響該聲音信號(hào)的本身。這是最為理想的音樂噴泉控制理論。樂噴泉控制理論。基頻的可行性分析基頻的可行性分析u本次設(shè)計(jì)的主體是本次設(shè)計(jì)的主體是8位的位的51單片機(jī)，要想對(duì)這個(gè)單片機(jī)，要想對(duì)這個(gè)音頻信號(hào)的頻率信號(hào)進(jìn)行處理，必須使用傅里葉音頻信號(hào)的頻率信號(hào)進(jìn)行處理，必須使用傅里葉變換技術(shù)。變換技術(shù)。u但是經(jīng)過大量的文獻(xiàn)資料的查閱證明，普通的但是經(jīng)過大量的文獻(xiàn)資料的查閱證明，普通的8

11、位單片機(jī)要處理一首歌的音頻信號(hào)的頻率，已不位單片機(jī)要處理一首歌的音頻信號(hào)的頻率，已不可能，還要在處理結(jié)果的基礎(chǔ)之上，通過相關(guān)設(shè)可能，還要在處理結(jié)果的基礎(chǔ)之上，通過相關(guān)設(shè)計(jì)輸出控制直流電動(dòng)機(jī)的計(jì)輸出控制直流電動(dòng)機(jī)的PWM波，對(duì)該單片機(jī)波，對(duì)該單片機(jī)來說，這無疑更是雪上加霜。來說，這無疑更是雪上加霜。尋求新辦法尋求新辦法u對(duì)于一個(gè)正弦波來說除了頻率之外，振幅對(duì)于一個(gè)正弦波來說除了頻率之外，振幅就是它的最重要的因素。那么振幅可以用就是它的最重要的因素。那么振幅可以用來完成這項(xiàng)工作嗎？通過大量的文獻(xiàn)查閱來完成這項(xiàng)工作嗎？通過大量的文獻(xiàn)查閱和分析證明，和分析證明，8位單片機(jī)在處理這種信號(hào)位單片機(jī)在處理這

12、種信號(hào)時(shí)，可以勝任這項(xiàng)工作?，F(xiàn)在做具體分析時(shí)，可以勝任這項(xiàng)工作?，F(xiàn)在做具體分析，處理方法，處理方法，首先對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，首先對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成可以采樣的信號(hào)。在這期間需要完轉(zhuǎn)換成可以采樣的信號(hào)。在這期間需要完成三項(xiàng)工作：對(duì)音頻信號(hào)的濾波，整流以成三項(xiàng)工作：對(duì)音頻信號(hào)的濾波，整流以及限幅放大。及限幅放大。處理技術(shù)處理技術(shù)u使用使用Audio2.0對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，使之變成對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，使之變成05V的可采樣的電壓信號(hào)，主要包括濾波、整的可采樣的電壓信號(hào)，主要包括濾波、整流、放大。流、放大。u使用使用ADC0804對(duì)該轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行采樣。對(duì)該轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行采樣。u使用單片機(jī)對(duì)該采樣

13、信號(hào)進(jìn)行處理。使用單片機(jī)對(duì)該采樣信號(hào)進(jìn)行處理。3、總體設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)測試程序流程圖測試程序流程圖測試電路圖測試電路圖仿真的理論基礎(chǔ)仿真的理論基礎(chǔ)仿真的理論基礎(chǔ)仿真的理論基礎(chǔ)得到的方程和結(jié)論得到的方程和結(jié)論 1sinlFxFxaTr 1FxMg vw r 2lTwMgrwMgvMg tEg 260nw 0200260TNlnMgHEgMg tdtTdn 30260lnKMgHn dn測試結(jié)果測試結(jié)果u有明顯的調(diào)速效果，能聽到電動(dòng)機(jī)上有明顯的調(diào)速效果，能聽到電動(dòng)機(jī)上電后明顯聲音的變化。說明程序和理電后明顯聲音的變化。說明程序和理論設(shè)計(jì)相符合。論設(shè)計(jì)相符合。u遺憾的是我二次重寫程序是單片機(jī)燒遺憾的是

14、我二次重寫程序是單片機(jī)燒壞了，今天不能拿來為各位老師做演壞了，今天不能拿來為各位老師做演示。示。4、全文總結(jié)、全文總結(jié)u本課題是以音樂噴泉的設(shè)計(jì)和硬件方針為目的，本課題是以音樂噴泉的設(shè)計(jì)和硬件方針為目的，系統(tǒng)進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合音樂噴系統(tǒng)進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合音樂噴泉的相關(guān)理論，建立完整的音樂噴泉物理模型，泉的相關(guān)理論，建立完整的音樂噴泉物理模型，在論文研究中，筆者主要完成了以下幾方面的工在論文研究中，筆者主要完成了以下幾方面的工作與發(fā)現(xiàn)：作與發(fā)現(xiàn)：1、對(duì)音樂的基本樂理知識(shí)進(jìn)行了深入的了解，、對(duì)音樂的基本樂理知識(shí)進(jìn)行了深入的了解，并并結(jié)合樂曲的音樂特性和物理特性，重點(diǎn)找到

15、了音結(jié)合樂曲的音樂特性和物理特性，重點(diǎn)找到了音樂信號(hào)中的基頻信號(hào)是決定音樂種類的唯一信號(hào)樂信號(hào)中的基頻信號(hào)是決定音樂種類的唯一信號(hào)。2、在頻率信號(hào)不能處理的條件下，結(jié)合音樂信號(hào)的基、在頻率信號(hào)不能處理的條件下，結(jié)合音樂信號(hào)的基本特性，使用本特性，使用Audio 2.0音頻處理產(chǎn)品對(duì)音頻信號(hào)音頻處理產(chǎn)品對(duì)音頻信號(hào)的振幅進(jìn)行處理，包括濾波、整流和限幅放大，使之的振幅進(jìn)行處理，包括濾波、整流和限幅放大，使之轉(zhuǎn)換成可以采樣的電壓信號(hào)。用轉(zhuǎn)換成可以采樣的電壓信號(hào)。用ADC0804對(duì)轉(zhuǎn)換后對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行采樣。的信號(hào)進(jìn)行采樣。3、 參考電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)直流調(diào)速部分的相關(guān)內(nèi)參考電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)直流

16、調(diào)速部分的相關(guān)內(nèi)容制作了基于單片機(jī)容制作了基于單片機(jī)PWM的直流調(diào)速系統(tǒng)，并從理的直流調(diào)速系統(tǒng)，并從理論上證明用直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化模擬噴泉設(shè)備水論上證明用直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化模擬噴泉設(shè)備水柱高度變化的可行性。完成了硬件仿真。柱高度變化的可行性。完成了硬件仿真。不足之處不足之處1、本文是在音樂信號(hào)的振幅的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的仿、本文是在音樂信號(hào)的振幅的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的仿真，它只能跟隨音樂信號(hào)的響度兒變化，并不能真，它只能跟隨音樂信號(hào)的響度兒變化，并不能從頻率的角度對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行跟蹤。從理論上講從頻率的角度對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行跟蹤。從理論上講這個(gè)還不能算是音樂噴泉。這個(gè)還不能算是音樂噴泉。2、音樂信號(hào)是表

17、達(dá)人類情感的信號(hào)，她的內(nèi)容是、音樂信號(hào)是表達(dá)人類情感的信號(hào)，她的內(nèi)容是很豐富的，包含很多因素，比如：節(jié)拍，音長，很豐富的，包含很多因素，比如：節(jié)拍，音長，振幅等等。就這個(gè)意義來說，音樂噴泉就是一座振幅等等。就這個(gè)意義來說，音樂噴泉就是一座無與倫比的海市蜃樓。真正意義上的音樂噴泉是無與倫比的海市蜃樓。真正意義上的音樂噴泉是實(shí)現(xiàn)不了的。只可以無限的趨近這個(gè)目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)不了的。只可以無限的趨近這個(gè)目標(biāo)。新方向的探究新方向的探究u既然既然8位單片機(jī)只能處理音樂信號(hào)的振幅位單片機(jī)只能處理音樂信號(hào)的振幅信號(hào)，那么如果使用調(diào)幅技術(shù)，把音頻信信號(hào)，那么如果使用調(diào)幅技術(shù)，把音頻信號(hào)的基頻信號(hào)帶調(diào)制的某一種波上。用

18、這號(hào)的基頻信號(hào)帶調(diào)制的某一種波上。用這種辦法進(jìn)行處理，會(huì)不會(huì)有更好的結(jié)果呢種辦法進(jìn)行處理，會(huì)不會(huì)有更好的結(jié)果呢？如果可以，這將是我以后對(duì)音樂噴泉的？如果可以，這將是我以后對(duì)音樂噴泉的一個(gè)研究方向。一個(gè)研究方向。致謝致謝u 致謝。致謝。u 在這幾個(gè)月的時(shí)間里，從對(duì)課題的理解，方案的設(shè)計(jì)，到在這幾個(gè)月的時(shí)間里，從對(duì)課題的理解，方案的設(shè)計(jì)，到電路的制作，再到論文的寫作，中間有著自己的努力，更電路的制作，再到論文的寫作，中間有著自己的努力，更有著老師、學(xué)長和同學(xué)的關(guān)心和巨大幫助。從文章的各個(gè)有著老師、學(xué)長和同學(xué)的關(guān)心和巨大幫助。從文章的各個(gè)側(cè)面都可以看出他們忙碌的軌跡。側(cè)面都可以看出他們忙碌的軌跡。u 在此，我衷心的感謝張棟梁老師，翟曉東老師、趙振興老在此，我衷心的感謝張棟梁老師，翟曉東老師、趙振興老師，還有許多學(xué)長和同學(xué)對(duì)我的關(guān)