CN105047184B - 超声波音乐喷泉演奏方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波音乐喷泉演奏装置及演奏方法，包括多个具有超声波收发能力的喷头、水泵、后处理端和扬声器。具有超声波收发能力的喷头包括喷嘴和检测终端,检测终端包括收发一体的超声波探头阵列、发射处理单元、接收处理单元和通信单元，用透声防水材料封装。喷嘴在喷射水柱时发射超声波和接收超声回波，使用肢体或器物触碰水流，该装置根据回波信号及后续信号处理算法确定回波参数，转换成音频参数后利用音乐合成器产生数字音频信号，并通过扬声器播放。在运动中利用该装置控制音乐变化，提高现场互动性；儿童在戏水时利用该装置感受音符、节奏和旋律变化。该装置具有互动性强、操作简单等特点，可作为广场和即兴表演的休闲娱乐设施。

Description

超声波音乐喷泉演奏方法

技术领域

本发明主要涉及超声检测、音乐合成和互动式演奏的技术领域，具体涉及一种超声波音乐喷泉演奏方法。

背景技术

在现有音乐喷泉中，音乐信号经单片机处理后送到变频电机的控制端，使电机转速随着音乐的音调、节奏和强弱变化，水泵压力随之变化，故喷出的水柱高低跟随音乐而变化。通过对多组喷嘴和灯光进行控制，可以使喷泉水型、灯光及色彩变化与音乐情绪结合，成为一种集美感和音乐于一体的休闲娱乐设施。可见，音乐喷泉的喷泉水型及其变化受音乐控制，是一种音乐的可视化表现形式，给人以一种赏心悦目的体验而实现大众娱乐。但人们只是被动地接收音乐及其通过喷泉水型实现的表现形式，无法参与到音乐演奏及其互动中。

如果能够利用喷泉水流进行音乐演奏，让孩子或者参与者以水流为琴弦或键盘，通过肢体动作控制音乐的音调、节奏和强弱变化，就可以激发大众的参与热情，提高喷泉的互动性和娱乐性。本专利提出了一种超声波音乐喷泉演奏装置，喷头在喷射水柱时发射超声波，演奏者使用肢体或器物触碰水流，超声波遇到肢体或者器物后产生反射,部分反射波沿着入射水流反向传输,形成回波信号。喷头接收的回波信号经过放大、A/D转换后被送到后处理端，后处理端接收回波信号后应用信号处理算法确定回波参数，把它们转换成音频参数后利用音乐合成器产生具有一定音色、音高和音长的数字音频信号，并通过扬声器播放。因此，演奏者采用舞蹈或动作展示美感的同时可利用该装置控制音乐变化，提高现场的互动性和观赏性；儿童在戏水时可利用该装置在玩耍中感受音符、节奏和旋律的变化。该装置不需演奏技巧，具有互动性强、操作简单等特点，可作为广场和即兴表演的休闲娱乐设施。

发明内容

本发明目的在于提供超声波音乐喷泉演奏方法，演奏者使用肢体或器物触碰喷泉水流，用肢体动作控制音频信号的音级、音高和持续时间，利用音乐合成器把这些音频参数转成具有一定音色、音高和音长的音频信号，并通过扬声器播放出来，实现互动式音乐演奏。

一种超声波音乐喷泉演奏装置，包括多个具有超声波收发能力的喷头、水泵、后处理端和扬声器。喷头与水泵相连接，也和后处理端相连接，喷头负责喷水、超声波的发射和接收、数据通信；后处理端负责超声回波的参数估计、音频参数转换、音乐合成、数据通信、人机交互；扬声器负责将电信号转换成声信号，实现音乐播放。

一种超声波音乐喷泉演奏装置，其中所述具有超声波收发能力的喷头包括喷嘴和检测终端,检测终端包括收发一体的超声波探头阵列、发射处理单元、接收处理单元和通信单元,并用透声防水材料进行封装。其中，收发一体的超声波探头阵列由多个超声波探头按一定方式排列并组成阵列，中间的探头负责超声波发射，周围的探头负责超声回波接收；发射处理单元根据设置参数对从后处理端接收的信号进行放大和D/A转换，转换后的电信号通过发射探头转变成超声信号并发射出去；接收处理单元根据设置参数对接收信号进行放大、A/D转换和数据缓存；通信单元负责喷头与后处理端之间数据和控制信息的传递，可采用有线/无线通信模式；

一种超声波音乐喷泉演奏装置，其中所述后处理端包括信号发生单元、回波参数估计单元、音频参数转换单元、音乐合成单元、主控制器、人机交互单元、通信单元和数据缓存单元。其中，信号发生单元根据设置参数产生一组频率不同的发射信号，这些发射信号通过通信单元送至不同的喷头；回波参数估计单元负责对接收的回波信号进行预处理和信号分析，预处理采用数字滤波器滤除从其它探头反射的回波信号，然后通过数字信号处理算法确定回波延时和回波持续时间；音频参数转换单元负责把回波信号频率、回波延时和回波持续时间转换成音频参数，如基频、音高、音长；音乐合成单元根据音频参数和通过人机交互单元设置的音色、响度等参数合成音频信号；主控制器负责不同单元之间的调度，以保证整个系统正常运行；人机交互单元负责人机交互，用于参数设置、控制命令的输入及错误信息的输出；通信单元负责喷头与后处理端之间数据和控制信息的传递，可采用有线/无线通信模式；数据缓存单元负责缓存超声回波信号数据、控制参数。

一种超声波音乐喷泉演奏方法，在不同演奏模式中根据特定规则把回波信号频率、回波延时和回波持续时长转换成各种音频参数，即基频、音高和音长，具体可采用以下两种演奏模式:弦乐模式和键盘模式。在弦乐模式中，根据回波信号频率确定喷头位置，根据喷头位置确定音弦位置，设置的四个喷头类似于小提琴四根弦，调律成G、D、A和E的高度，对应音高；根据回波传输延时可以估计触碰位置的高低，进而转换成基频，对应音级do、re、mi、fa、sol、la、si；回波持续时长，即是触碰水柱的持续时间长度，进而转换成音长。在键盘模式中，根据回波信号频率确定喷头位置，根据喷头位置确定基频；根据回波传输延时可以估计触碰位置的高低，进而转换成音高，即低音、中音还是高音；回波持续时长，即是触碰水柱的持续时间长度，进而转换成音长。

一种超声波音乐喷泉演奏方法，演奏装置开启后，通过人机交互单元设置演奏模式、喷头选择参数、发射信号参数等装置控制参数。信号发生单元根据发射信号参数产生一组频率不同的发射信号，这些发射信号通过通信单元送至不同的喷头，故不同喷头的发射信号频率不同，接收的回波信号频率也不同。演奏者在运动或舞蹈中调整肢体的位置并触碰不同喷嘴喷出的水柱，喷头的发射处理单元根据设置参数对从后处理端接收的信号进行放大和D/A转换，转换后的电信号通过发射探头转变成超声信号，每个喷头的发射探头主动发射超声波并随着水流向前行进，遇到肢体或器物后有部分反射波沿着入射水流反向传输，由邻近的超声波接收探头接收。接收信号经过接收处理后通过通信单元传至后处理端，在回波参数估计单元中经过预处理后应用数字信号处理算法估计回波信号频率、回波延时和回波持续时长，根据回波信号频率可以判断演奏时触碰的水柱及喷头位置。根据演奏模式的规则把回波参数转换成音频参数，即基频、音高和音长，根据主控制器设定的参数和转换后的音频参数可在音乐合成单元中形成具有一定音色、音高和音长的音频信号，这个合成的音频信号送至扬声器播放出来。可见，随着肢体的运动，通过触碰不同的水柱和调整触碰高度、停留时间可以演奏出具有一定音调、节奏和强弱变化的乐曲，实现互动式演奏。

本发明所提出的超声波音乐喷泉演奏方法，具有以下优点：

(1)本发明在喷泉的喷头中设置收发一体的超声波探头阵列，利用超声波的收发、回波信号参数估计和转换确定音频参数，利用肢体运动控制音频参数的变化，进而控制音乐变化，可实现无键盘音乐演奏。

(2)本发明对演奏人员要求低，使用简单方便，用肢体运动可控制音频参数的变化，并通过音乐合成实现音乐演奏，具有较好的互动性和娱乐性，儿童可在戏水中感受音符、节奏和旋律的变化。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的喷头结构图；

图3是本发明的工作流程图；

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明提出的一种超声波音乐喷泉演奏装置，系统框图如图1所示，包括多个具有超声波收发能力的喷头、水泵、后处理端和扬声器。喷头与水泵相连接，也和后处理端相连接，喷头负责喷水、超声波的发射和接收、数据通信；后处理端负责超声回波的延时和时长估计、音频参数转换、音乐合成、数据通信、人机交互；扬声器负责将电信号转换成声信号，实现音乐播放。

超声波音乐喷泉演奏装置实施例中的具有超声波收发能力的喷头结构如图2所示，其特征在于包括喷嘴201和检测终端,检测终端包括收发一体的超声波探头阵列、发射处理单元、接收处理单元和通信单元,并用透声防水材料进行封装。其中，收发一体的超声波探头阵列由多个超声波探头按一定方式排列并组成阵列，中间的发射探头202负责超声波发射，周围的接收探头203负责超声回波接收；发射处理单元根据设置参数对从后处理端接收的信号进行放大和D/A转换，转换后的电信号通过发射探头转变成超声信号并发射出去；接收处理单元根据后处理端的设置参数对接收信号进行放大、A/D转换和数据缓存；通信单元负责喷头与后处理端之间数据和控制信息的传递，可采用有线/无线通信模式；

超声波音乐喷泉演奏装置实施例中的后处理端包括信号发生单元、回波参数估计单元、音频参数转换单元、音乐合成单元、主控制器、人机交互单元、通信单元和数据缓存单元。其中，信号发生单元根据设置参数产生一组频率不同的发射信号，这些发射信号通过通信单元送至不同的喷头，故不同喷头的发射信号频率不同，接收的回波信号频率也不同，根据通信端口地址或者回波信号频率和系统设置的参数可知喷头位置，进而确定对应的音频参数；回波参数估计单元负责对接收的回波信号进行预处理和信号分析，采用数字滤波器滤除从其它探头反射的回波信号,然后应用数字信号处理的方法确定回波信号频率、回波延时和回波持续时间；音频参数转换单元负责把回波信号频率、回波延时和回波持续时间转换成音频参数，如基频、音高、音长；音乐合成单元根据音频参数和通过人机交互单元设置的音色、响度等参数合成音频信号；主控制器负责不同单元之间的调度，以保证整个系统正常运行；人机交互单元负责人机交互，用于参数设置、控制命令的输入及错误信息的输出；通信单元负责喷头与后处理端之间数据和控制信息的传递，可采用有线/无线通信模式；数据缓存单元负责缓存超声回波信号数据、控制参数。

超声波音乐喷泉演奏装置实施例中，喷泉开启后水柱从喷头的喷嘴中喷出，演奏者在运动或舞蹈中调整肢体的位置并触碰不同水柱，发射探头主动发射超声波并随着水流向前行进，遇到肢体或器物后有部分反射波沿着入射水流反向传输，由邻近的超声波接收探头接收。接收的回波信号经过接收处理后通过通信单元传至后处理端，后处理端接收的数据经过缓存后送至回波参数估计单元，使用数字滤波的预处理后应用数字信号处理算法估计回波信号频率、回波延时和回波持续时间，根据演奏模式的规则把回波信号参数转换成音频参数。在弦乐模式中，根据回波信号频率确定喷头位置，根据喷头位置确定音弦位置，设置的四个喷头类似于小提琴四根弦，调律成G、D、A和E的高度，对应音高；根据回波传输延时可以估计触碰位置的高低，进而转换成基频，对应音级do、re、mi、fa、sol、la、si；回波持续时长，即是触碰水柱的持续时间长度，进而转换成音长。在键盘模式中，根据回波信号频率确定喷头位置，根据喷头位置确定基频；根据回波传输延时可以估计触碰位置的高低，进而转换成音高，即低音、中音还是高音；回波持续时长，即是触碰水柱的持续时间长度，进而转换成音长。然后，根据主控制器设定的参数和转换后的音频参数可在音乐合成单元中形成具有一定音色、音高和音长的音频信号，这个合成的音频信号送至扬声器播放出来。可见，随着肢体的运动，通过触碰不同水柱和调整触碰高度、停留时间可以演奏出具有一定音调、节奏和强弱变化的乐曲，实现互动式演奏。

图3为所述发明超声波音乐喷泉演奏装置的工作流程图。其具体实施步骤包括：

步骤1：装置控制参数设置。设置的参数包括：演奏模式、喷头选择参数、发射信号参数、回波参数估计单元参数、音频参数转换单元参数、音乐合成单元参数、通信单元参数和人机交互显示参数。

步骤2：设备状态检测。该步骤所检测的状态包括：超声波探头阵列的连接状态，喷头与后处理端的连接状态，通信单元的连接与在线状态，后处理端与扬声器的连接状态。如果设备状态不正常，则输出错误信息并结束。

步骤3：发射水柱。喷泉的喷头通过喷嘴发射水柱。

步骤4：超声波的发射和回波接收。发射探头主动发射超声波并随着水流向前行进，遇到肢体或器物后有部分反射波沿着入射水流反向传输，这个超声回波由邻近的超声波接收探头接收，如果所有探头都长时间没有收到超声回波则结束。

步骤5：回波参数估计。采用数字滤波器滤除从其它探头反射的回波信号,然后应用数字信号处理的方法确定回波信号频率、回波延时和回波持续时间。

步骤6：音频参数转换。把回波信号频率、回波延时和回波持续时间转换成音频参数，如基频、音高、音长。

步骤7：音乐合成。根据音频参数和通过人机交互单元设置的音色、响度等参数合成音频信号。

步骤8：音乐播放。扬声器负责将电信号转换成声信号，实现音乐播放。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种超声波音乐喷泉演奏方法，其特征是利用肢体或器物触碰不同水柱并调整触碰高度和停留时间，喷头在喷射水柱时进行超声波的发射和接收，在后处理端用数字信号处理算法估计回波参数，包括回波信号频率、回波延时和回波持续时间，根据弦乐模式、键盘模式把回波参数转换成音频参数，即基频、音高和音长，利用音乐合成器把这些音频参数转成具有一定音色、音高和音长的音频信号，并通过扬声器播放出来，可演奏出具有一定旋律的乐曲，实现互动式演奏，具体实施步骤：

步骤1：装置控制参数设置，设置的参数包括：弦乐模式或键盘模式、喷头选择参数、发射信号参数、回波参数估计单元参数、音频参数转换单元参数、音乐合成单元参数、通信单元参数和人机交互显示参数，

步骤2：设备状态检测，该步骤所检测的状态包括：超声波探头阵列的连接状态，喷头与后处理端的连接状态，通信单元的连接与在线状态，后处理端与扬声器的连接状态，如果设备状态不正常，则输出错误信息并结束，

步骤3：发射水柱，喷泉的喷头通过喷嘴发射水柱，

步骤4：超声波的发射和回波接收，发射探头主动发射超声波并随着水流向前行进，遇到肢体或器物后有部分反射波沿着入射水流反向传输，这个超声回波由邻近的超声波接收探头接收，如果所有探头都长时间没有收到超声回波则结束，

步骤5：回波参数估计，采用数字滤波器滤除其它超声波发射探头发射后经反射的回波信号，然后应用数字信号处理的方法确定回波信号频率、回波延时和回波持续时间，

步骤6：音频参数转换，把回波信号频率、回波延时和回波持续时间转换成音频参数，即基频、音高和音长，

步骤7：音乐合成，根据音频参数和通过人机交互单元设置的音色、响度参数合成音频信号，

步骤8：音乐播放，扬声器负责将电信号转换成声信号，实现音乐播放。