噴泉在城市景觀建設(shè)中日益占有重要地位,音樂噴泉尤其如此。而要想取得引人駐步的效果,必須有的控制技術(shù)及高可靠的工作性能。本文研討這一問題。

一、音樂噴泉的控制技術(shù)

1.1音樂噴泉的定義

音樂噴泉是把現(xiàn)代控制技術(shù)應(yīng)用于人工噴泉,通過現(xiàn)代控制技術(shù)把噴泉和音樂緊密結(jié)合而生成的一種新的噴泉藝術(shù)形式。在這種藝術(shù)形式中,音樂和噴泉以各自*的形式相互配合,共同表現(xiàn)相同的藝術(shù)內(nèi)涵,它們的關(guān)系應(yīng)該近似于音樂和舞蹈的關(guān)系、音樂和電影的關(guān)系,因此有以下關(guān)于音樂噴泉的定義:

定義:噴泉的動作和與之同時播放的樂曲之間存在內(nèi)在聯(lián)系的噴泉是音樂噴泉。

這個定義被人們普遍認(rèn)同,但是滿足這個定義的噴泉在效果方面有著很大的差別,其區(qū)別在于音樂噴泉功能的完備性,效果差別的原因是基本功能的差別。一個好的音樂噴泉應(yīng)該具備以下基本功能:

1)音樂控制的功能:噴泉的噴水高度受音樂振幅的影響。2)音樂關(guān)聯(lián)的功能:可以使噴泉的水型變化和音樂的段落、節(jié)奏相一致。3)時延補(bǔ)償功能:噴泉、音響、燈光等所有設(shè)備的動作協(xié)調(diào)一致,噴泉動作滯后樂曲的問題得到補(bǔ)償。4)節(jié)目的后制作功能:為噴泉的設(shè)計(jì)、調(diào)試、編輯、播放提供開放的操作機(jī)制,節(jié)目的制作主要不應(yīng)在噴泉工程完成之前由工程承建方的計(jì)算機(jī)工程師完成,而是在工程完成之后,讓用戶通過專業(yè)的軟件工具完成。這兩種方法可以分別叫做噴泉節(jié)目的前制作和噴泉節(jié)目的后制作。

這些功能中,后制作機(jī)制是重要的。對于保證噴泉節(jié)目的質(zhì)量、實(shí)用性、適用性有關(guān)鍵性作用,它是人本精神的體現(xiàn),是噴泉控制技術(shù)實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步,其結(jié)果是:

1)噴泉節(jié)目的曲目和數(shù)量不再受到限制。2)噴泉節(jié)目的制作由噴泉建造完成之前的閉門造車,變?yōu)閲娙瓿芍蟮默F(xiàn)場設(shè)計(jì)。3)噴泉節(jié)目的制作的主動權(quán)由噴泉工程的項(xiàng)目承建方變?yōu)閲娙?xiàng)目的運(yùn)營方。4)噴泉節(jié)目的制作人由未必懂得多少藝術(shù)的計(jì)算機(jī)工程師變?yōu)榭赡芡瓿刹欢糜?jì)算機(jī)編程語言但是更加懂得藝術(shù)的設(shè)計(jì)家、藝術(shù)家。

1.2噴泉的控制技術(shù)

可控人工噴泉的基本控制方法主要有兩種:1)通過電磁閥對水路進(jìn)行開關(guān)控制,這一方法可用于切換不同的水型,也可用于生成跑動、跳躍的效果。2)通過變頻調(diào)速器對水泵的流量進(jìn)行控制,這一方法可以連續(xù)改變噴水高度,跟蹤音樂信號的動態(tài)變化,也可人為制造出各種動態(tài)效果。

基本的控制技術(shù)有三種:

1)模擬控制模擬控制的典型應(yīng)用是音控噴泉:把聲音信號做積分處理,積分的結(jié)果與適當(dāng)?shù)拈撝迪啾容^,讓比較結(jié)果控制閥門的啟閉,這就是音控噴泉的基本技術(shù)。如果使用的閾值有多個,各個比較結(jié)果開啟不同的閥門,這就是高級音控噴泉了。如果讓積分后的聲音信號去控制變頻調(diào)速器,從而對水流量進(jìn)行控制,積分用的聲間又是音樂信號,這就是“音樂控制的噴泉”了。一般的人們認(rèn)為這就是音樂噴泉的基本模式。

2)程度控制程序控制技術(shù)的典型應(yīng)用自然是程控噴泉,這類噴泉幾乎都是用工業(yè)PL C(程序控制器)做控制器。在控制程序的作用下,一座噴泉會有多種基本水型,它們按照時序周期順序出現(xiàn)。移動、跳躍、繼續(xù)、交替等受到用戶歡迎的噴泉效果,都是在程控噴泉中應(yīng)用的。程控噴泉擁有廣泛的用戶。如果在設(shè)計(jì)程控噴泉時,把噴泉的各種變化過程和一支樂曲的起停、段落、節(jié)奏相關(guān)聯(lián),就出現(xiàn)了“音樂關(guān)聯(lián)的噴泉”了,能把程控噴泉做到這樣的水平是件不容易的事。

3)計(jì)算機(jī)控制的噴泉控制方式當(dāng)然是計(jì)算機(jī)控制了。計(jì)算機(jī)可以輕易完成模擬控制和程序控制所實(shí)現(xiàn)的所有功能,還可以實(shí)現(xiàn)它們不易實(shí)現(xiàn)的和不可能實(shí)現(xiàn)的許多功能。計(jì)算機(jī)控制是噴泉控制技術(shù)的發(fā)展方向,比如音樂噴泉中遇到的以下技術(shù)問題,不依靠計(jì)算機(jī)就很難解決:

音樂信號振幅控制噴水高度時,噴泉的動作會比音樂信號滯后0—2秒,重力加速度的作用,導(dǎo)致滯后量是噴水高度的二次函數(shù),是隨機(jī)變量,實(shí)現(xiàn)音水同步成為許多音樂噴泉系統(tǒng)的核心技術(shù)。

由于PL C的梯形圖語言的局限性,對復(fù)雜些程控噴泉進(jìn)行編程已經(jīng)力不從心,而對比程控噴泉復(fù)雜得多的音樂噴泉,更加無能為力。

高標(biāo)準(zhǔn)的音樂噴泉節(jié)目設(shè)計(jì)需要音樂舞蹈專業(yè)的人員來做,追求變化用戶希望自己也能制作噴泉節(jié)目。做到這一點(diǎn)必須開發(fā)專門的編輯輕軟件工具。

1.3音樂噴泉的控制技術(shù)

根據(jù)采用技術(shù)的不同,音樂噴泉可以分成多種類別:

1)音樂啟動噴泉把音響設(shè)備和程控噴泉安裝在同一個現(xiàn)場,每播放一首樂曲的時候就自動打開噴泉,曲目結(jié)束時關(guān)閉噴泉。根據(jù)定義,這種只存在外部的起停關(guān)聯(lián),一不存在內(nèi)在聯(lián)系的噴泉不是音樂噴泉。

2)音樂控制的噴泉這種噴泉通常采用模擬技術(shù)對音樂信號進(jìn)行處理,用變頻調(diào)速器做執(zhí)行部件。這種噴泉控制電路簡單,控制效果明顯。常見的問題是動態(tài)范圍小,有時噴水高度過小,有時噴水高度又會鎖定在值。同時噴水動作滯后于聲音等也是常見問題。

3)與音樂關(guān)聯(lián)的噴泉由程控噴泉發(fā)展而來的音樂控制的噴泉,這種噴泉通常要用到PL C或者計(jì)算機(jī)。在理論上PL C控制方式下,音樂和噴泉可以有良好的關(guān)聯(lián)性,但是節(jié)目制作過程很困難,所以只能向用戶提供很少的噴泉節(jié)目,而且水型和音樂的關(guān)系經(jīng)常不是很好。計(jì)算機(jī)控制方式可以看作PL C方式的改進(jìn)型,它改進(jìn)了系統(tǒng)開發(fā)商的開發(fā)環(huán)境,可是從用戶角度看,由于沒有合適的節(jié)目制作工具,也就沒有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn),存在的問題和PL C方式相似。以上是較常見的幾種典型的功能不完備型音樂噴泉。隨著用戶走向成熟,功能不完備型音樂噴泉正在被市場淘汰。

4)完備型音樂噴泉它必須同時具備以下4項(xiàng)機(jī)制:音樂對噴泉的控制的機(jī)制。音樂和噴泉的關(guān)聯(lián)機(jī)制。反應(yīng)速度不同的設(shè)備之間的延時量補(bǔ)償機(jī)制。噴泉節(jié)目的后制作機(jī)制。

二、現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)場總線是現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一,是電子、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶。現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場設(shè)備、儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信系統(tǒng),按ISO的OSI標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)服務(wù),可靠性高,穩(wěn)定性好,抗力強(qiáng),通訊速率快,造價低,維護(hù)成本低。

2.1現(xiàn)場總線的特點(diǎn)

（1）一對N結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場總線是一對傳輸線,可接N臺設(shè)備、儀表,雙向傳輸多個數(shù)字信號,如圖1所示。它比模擬設(shè)備、儀表一對一接線、單向傳一個信號結(jié)構(gòu)接線簡單,安裝費(fèi)用低,維護(hù)方便。

（2）可靠性高：控制單元的功能塊分散到現(xiàn)場設(shè)備、儀表中,由現(xiàn)場設(shè)備、儀表構(gòu)成控制回路,危險分散,提高了系統(tǒng)可靠性。現(xiàn)場總線是數(shù)字信號傳輸,抗干擾強(qiáng)、精度高。

（3）可互換性：來自不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備、儀表在功能上可用同一功能的同類設(shè)備、儀表互換,不同牌子設(shè)備、儀表可以互連在一個網(wǎng)絡(luò)上。

（4）可互操作性：雖然,連在現(xiàn)場總線上的現(xiàn)場設(shè)備、儀表的生產(chǎn)廠家不同、牌子不同,但由于現(xiàn)場總線設(shè)備、儀表引入功能塊,所有廠家都使用相同的功能塊。因此,組態(tài)方法是統(tǒng)一的,可互操作。

（5）開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線是開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),可與同層網(wǎng)絡(luò)、不同層網(wǎng)絡(luò)、不同生產(chǎn)廠家網(wǎng)絡(luò)互連。網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)庫共享。不同廠家網(wǎng)絡(luò)和儀表可組成一個開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

2.2現(xiàn)場總線在噴泉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

對于噴泉控制領(lǐng)域,采用現(xiàn)場總線的是可大大節(jié)約連接導(dǎo)線、維護(hù)和安裝費(fèi)用。同時,現(xiàn)場總線能夠傳送多個過程變量。傳統(tǒng)的4mA-20mA控制回路一般只能攜帶一個信號,通常為過程變量。而采用現(xiàn)場總線后,在傳輸變量過程的同時,設(shè)備、儀表的標(biāo)識符和簡單的診斷信息也可一并傳送。數(shù)字信號的精確性是現(xiàn)場總線的又一個優(yōu)點(diǎn),數(shù)字信號比4mA-20mA模擬信號分辨率高,因此,可以排除過去在模/數(shù)轉(zhuǎn)換中所產(chǎn)生的誤差。遠(yuǎn)程維護(hù)在采用數(shù)字通信和現(xiàn)場智能設(shè)備、儀表后也將成為可能。由于現(xiàn)場總線是雙向的,因此能夠從中心控制室對現(xiàn)場智能儀表進(jìn)行標(biāo)定、調(diào)整及運(yùn)行診斷,甚至能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測,一個更為重要的方面是儀表的兼容性可以使用戶大大收益。

由于上述優(yōu)點(diǎn),筆者在開發(fā)的噴泉控制系統(tǒng)中采用了現(xiàn)場總線技術(shù)。對射燈、噴水閥的控制采用了如圖2方案,即PC機(jī)通過232/485—485/232控制PL C,再由PL C經(jīng)過固體繼電器控制燈、閥。

對水泵變頻器的控制采用了如圖3方案,即PC機(jī)通過232/485—485控制變頻器再由變頻器控制水泵。

從控制系統(tǒng)的實(shí)際效果看,該系統(tǒng)的施工簡便,可靠性和維性高,受到用戶好評。

三、噴泉控制技術(shù)的未來展望

在功能方面:會出現(xiàn)一些具有完備音樂噴泉的全部特征,同時具有特別突出的其他特征的噴泉。比如要求對音樂信號進(jìn)行精細(xì)的頻譜分析;要求包含一些互動功能,要求工程的規(guī)模巨大等等。在低端會出現(xiàn)一些小型廉價的家用音樂噴泉。在控制方法上:系統(tǒng)中依靠PC機(jī)的系統(tǒng)會繼續(xù)發(fā)展,在低端脫離PC機(jī)的系統(tǒng)會發(fā)明出來,使音樂噴泉早日走入家庭,大型系統(tǒng)中閉環(huán)控制系統(tǒng)將會大量應(yīng)用。

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