CN113805506B - 一种磁流体音乐装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁流体音乐装置及其控制方法，包括控制单元、驱动单元、缓冲层和空间电磁铁阵列，其中，所述驱动单元中设置控制模块，用于根据运行程序产生驱动信号控制所述立体空间电磁铁阵列中每个电磁铁的状态；所述立体空间电磁铁阵列由多个单体电磁铁组成，用于根据驱动信号使相应电磁铁状态变化进而改变空间磁场分布以控制导磁金属小球驱动磁流体呈现相应的空间分布。相对于现有技术，本发明利用三维空间的电磁铁阵列分布，并在空间电磁铁阵列包围内再放置无磁性的缓冲层，缓冲层中放置导磁金属小球，通过磁性的传递，实现对磁流体行为更加流畅和美观地控制。

Description

一种磁流体音乐装置及其控制方法

技术领域

本发明属于磁流体控制技术领域，具体涉及一种磁流体音乐装置及其控制方法。

背景技术

如今，随着纳米技术及材料技术的不断发展，其在实际生活中有着广泛的应用，其中磁流体是一种新型的功能材料，由纳米量级(10纳米以下)磁性固体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成，既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。当外加磁场作用时，才表现出磁性，因此在实际中具有广泛的应用。目前主要应用于工业、医疗等领域。磁流体在较强磁场下可以产生复杂美观的流体运动模式，具有较高的观赏性。而现有技术对磁流体在娱乐观赏方面的应用仍然较为初级，比如，中国专利申请(公开号为：CN108037700A)仅仅是将音频通过功率放大器直接控制电磁铁来驱动磁流体，磁流体的运动方式较为单一和卡顿。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实在有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种磁流体音乐装置及其控制方法，采用空间电磁铁阵列控制磁流体运动，同时电磁铁阵列与磁流体之间用非磁性缓存层进行物理隔离，通过在缓冲层中放置金属小球来传递磁性的方式来实现对磁流体的控制，从而实现磁流体能够根据音乐驱动磁流体更流畅地运动。本发明电路设计简单，同时很好地实现了对磁流体的行为控制，具有较好的市场前景。

为了解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案如下：

一种磁流体音乐装置，至少包括控制单元、驱动单元、缓冲层、空间电磁铁阵列和磁流体单元，其中，

所述控制单元内设置音乐获取模块，所述音乐获取模块用于获取音乐信息，所述控制单元用于对音乐节拍点进行提取和识别并根据节拍点产生驱动信号；

所述驱动单元至少包括多路选择器和功率放大器，用于根据控制指令选择电磁铁阵列中相应电磁铁并产生驱动信号控制相应电磁铁的磁场强度；

所述空间电磁铁阵列由多个单体电磁铁组成并形成立体空间，用于根据驱动信号使相应电磁铁磁场强度变化进而改变空间磁场分布；

所述缓冲层在物理上隔离空间电磁铁阵列和磁流体单元，其内设置金属小球，所述金属小球用于根据所述空间电磁铁阵列产生的空间磁场产生磁场分布以控制磁流体呈现相应的空间分布。

作为优选的技术方案，所述驱动单元设置多路电磁铁驱动模块，每路电磁铁驱动模块用于驱动一个或多个电磁铁。

作为优选的技术方案，所述电磁铁驱动模块包括晶体管阵列，用于控制电磁铁的开关以及电磁铁中电流的大小。

作为优选的技术方案，所述磁流体设置在透明载体中，该透明载体与所示空间电磁铁阵列分别与无磁性缓冲层上下紧密设置，且在缓冲层中放置金属小球，电磁铁阵列产生的磁场变换会使金属小球产生磁性并控制小球，从而使放置在透明载体中的磁流体产生更为流畅的运动。

作为优选的技术方案，还包括控制单元，所述控制单元与所述驱动单元相连接，用于输入控制指令，所述驱动单元根据该控制指令产生驱动信号。

作为优选的技术方案，所述控制模块采用树莓派和单片机；采用一种基于双尺度小波自相关性包络判别的音乐节拍算法。

与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：

1、本发明利用空间电磁铁阵列可以轻松实现通过精确控制金属小球轨迹来对磁流体进行行为控制，并且通过在磁铁阵列上再放置无磁性的缓冲层可以实现更加流畅的磁流体行为控制。

2、本发明所采用的电路结构简单，所需电路原器件较为容易获得，且成本低。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明的整体结构框图。

图3是本发明中电磁铁驱动模块的电路框图。

图4是空间电磁铁阵列示意图。

图5是本发明方法流程图。

图6是本发明实施例的具体结构框图。

图7是本发明控制方法的流程框图。

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

参见图1，所示为本发明磁流体音乐装置的结构示意图。201为控制电路，设置在装置的底座下方，负责磁流体功能控制和算法实现；202为空间电磁铁阵列，位于盛有导磁金属小球容器的下方和容器壁的四周；203为导磁金属小球，负责将电磁铁的磁场强度传递给上方的磁流体，控制磁流体更顺畅平滑的运动；204为缓冲层，是放置导磁金属小球的透明容器；205为磁流体容器，用于盛放受控的磁流体；206为磁流体，随外部控制信号或音乐变化改变运动形态。

参见图2，所示为磁流体音乐装置的原理框图，该装置中，控制电路至少包括控制单元和驱动单元，其中，控制单元控制单元包括树莓派和STM32单片机，识别用户语音自动搜索并播放音乐，对音乐节拍点进行提取和识别并根据节拍点产生驱动信号，驱动单元中设置多路电磁铁驱动模块，每路电磁铁驱动模块根据驱动信号控制空间电磁铁阵列中每个电磁铁的状态，针对不同的驱动信号，空间电磁铁阵列将产生不同的空间磁场分布，从而可以控制金属小球的位置，从而使磁流体呈现相应的空间分布。通过改变驱动信号强度来控制磁流体流畅可变的形态。

上述技术方案，采用空间电磁铁阵列控制磁流体运动，同时电磁铁阵列与磁流体之间用非磁性缓存层进行物理隔离，通过在缓冲层中放置金属小球来传递磁性的方式来实现对磁流体的控制，从而实现磁流体能够根据音乐驱动磁流体更流畅地运动。

进一步的，所述磁流体设置在透明载体中，该透明载体与所示空间电磁铁阵列分别与无磁性缓冲层上下紧密设置，且在缓冲层中放置金属小球，空间电磁铁阵列产生的磁场变换会使金属小球产生磁性并控制小球，从而使设置在透明载体中的磁流体产生更为流畅的运动状态。

参见图3，所示为电磁铁驱动模块的电路框图，驱动模块的核心是ULN2003达林顿晶体管阵列，该模块控制着电磁铁的开关和电磁铁中电流的大小，从而进一步控制小球的位置来引导磁流体的运动。

参见图4，以4*8共32个电磁铁组成电磁铁阵列为例，初始时每个电磁铁都用50％的PWM波驱动。由于此时各个电磁铁的开关时间一样，所以所产生的吸力一样，电磁铁阵列上的磁流体位于器皿任一位置，处于静止状态。

此时若给电磁铁1，2，3，4(或29，30，31，32)用60％的PWM波驱动，其余电磁铁依然保持50％的PWM波驱动，由于此时电磁铁1，2，3，4(或29，30，31，32)供给的高电平的时间比其他的长，故所产生的吸引力的时间比其余的电磁铁时间要长，所以这段时间差之内的吸引力则会使磁流体发生缓慢上移的行为。

此时若给电磁铁13，14，15，16(或21，22，23，24)用60％的PWM波驱动，其余电磁铁依然保持50％的PWM波驱动，由于此时电磁铁13，14，15，16(或21，22，23，24)供给的高电平的时间比其他的长，故所产生的吸引力的时间比其余的电磁铁时间要长，所以这段时间差之内的吸引力则会使磁流体发生缓慢下移。

此时若给电磁铁1，5，9，13(或17，18，19，20)用60％的PWM波驱动，其余电磁铁依然保持50％的PWM波驱动，由于此时电磁铁1，5，9，13(或17，18，19，20)供给的高电平的时间比其他的长，故所产生的吸引力的时间比其余的电磁铁时间要长，所以这段时间差之内的吸引力则会使磁流体发生缓慢左移。

此时若给电磁铁4，8，12，16(或25，26，27，28)用60％的PWM波驱动，其余电磁铁依然保持50％的PWM波驱动，由于此时电磁铁4，8，12，16(或25，26，27，28)供给的高电平的时间比其他的长，故所产生的吸引力的时间比其余的电磁铁时间要长，所以这段时间差之内的吸引力则会使磁流体发生缓慢右移。

若以上所述的60％的PWM波换成80％或者90％的PWM波，越高占空比的PWM波的高电平时间越长，故会造成磁流体发生较快的左移，右移，前移，后移的行为。当然如果电磁铁阵列中电磁铁数量越多，则磁流体能够达到的控制精度越高。

参见图5，所示为本发明磁流体音乐装置的控制方法的流程框图。

步骤S1:获取音乐信息；

步骤S2:根据音乐节拍控制空间电磁铁阵列产生变化的空间磁场；中，电磁铁阵列由多个电磁铁组成并形成立体分布，通过控制每个电磁铁的状态变化使电磁铁阵列产生空间磁场分布；

步骤S3:利用电磁铁阵列产生的空间磁场来控制金属小球使设置在该磁场范围中的磁流体呈现相应的空间部分。

参见图6，所示为实施例的具体结构框图，其中，在步骤S1中，通过语音API进行语音识别与解析，将识别的音乐曲名关键字向网易云发送URL请求并下载相应的歌曲。

在步骤S2中，采用一种基于双尺度小波自相关性包络判别的音乐节拍算法，其步骤为：

1)音乐采样数据加窗截取，通常这个窗口长度约为3s；

2)对窗口数据进行3次“Haar”窗口的小波变换，这一步可以保留低频滤除干扰的同时保留声音突变点；

3)将3次结果叠加，计算自相关包络，其包络极大值点即为节拍点。节拍点的提取通过寻找设置为基音0.5秒以后、幅值大于0.3倍基音、左右一阶导数异号的点作为下一个节拍点。

参见图7，所示为实施例的实现方法流程图，单片机通过串口接收到新指令后，会验证指令有效性，指令有效则会解码指令，并根据电磁铁强度信息设置PWM的占空比。由于驱动电磁铁引脚较多，该PWM使用定时器软件模拟实现，每个定时器周期为0.1ms，每个PWM周期为1ms，因此该PWM有10级强度设置。单片机以10个定时器中断为一组，对于第i号电磁铁强度为Pi的指令，其前i个定时器周期相应的管脚输出高电平，后10-i个定时器周期会输出低电平。

当接收到新指令，并验证有效性后，单片机还会闪烁指示灯，提示节拍点。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种磁流体音乐装置，其特征在于，包括控制单元、驱动单元、缓冲层、空间电磁铁阵列和磁流体单元，其中，

所述控制单元内设置音乐获取模块，所述音乐获取模块用于获取音乐信息，所述控制单元用于对音乐节拍点进行提取和识别并根据节拍点产生驱动信号；

所述驱动单元包括多路选择器和功率放大器，用于根据控制指令选择电磁铁阵列中相应电磁铁并产生驱动信号控制相应电磁铁的磁场强度；

所述空间电磁铁阵列位于盛有导磁金属小球容器的下方和容器壁的四周，由多个单体电磁铁组成并形成立体空间，用于根据驱动信号使相应电磁铁磁场强度变化进而改变空间磁场分布；

所述缓冲层在物理上隔离空间电磁铁阵列和磁流体单元，其内设置金属小球，所述金属小球用于根据所述空间电磁铁阵列产生的空间磁场产生磁场分布以控制磁流体呈现相应的空间分布；

所述驱动单元设置多路电磁铁驱动模块，每路电磁铁驱动模块用于驱动一个或多个电磁铁；

所述电磁铁驱动模块采用晶体管阵列，用于控制电磁铁电流和电磁铁磁性大小；

所述磁流体设置在透明载体中，该透明载体与所述空间电磁铁阵列分别与无磁性缓冲层上下紧密设置，空间电磁铁阵列产生不同的空间磁场分布，从而控制金属小球的位置以使磁流体呈现相应的空间分布；缓冲层的金属小球根据电磁铁阵列产生的变化磁场实现其磁性大小和运动状态的控制，从而使放置在透明载体中的磁流体顺畅流动。

2.根据权利要求1所述的磁流体音乐装置，其特征在于，包括控制单元，所述控制单元与所述驱动单元相连接，用于输入控制指令，所述驱动单元根据该控制指令产生驱动信号。

3.根据权利要求1所述的磁流体音乐装置，其特征在于，所述控制单元采用树莓派和单片机。

4.根据权利要求1所述的磁流体音乐装置，其特征在于，所述控制单元识别用户语音自动搜索并播放音乐，并对音乐节拍点进行提取和识别并根据节拍点产生驱动信号。

5.一种如权利要求1所述磁流体音乐装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:获取音乐信息；

步骤S2:根据音乐节拍控制空间电磁铁阵列产生变化的空间磁场；电磁铁阵列由多个电磁铁组成并形成立体分布，通过控制每个电磁铁的状态变化使电磁铁阵列产生空间磁场分布；

步骤S3:利用电磁铁阵列产生的空间磁场来控制金属小球使设置在该磁场范围中的磁流体呈现相应的空间部分。

6.根据权利要求5所述的磁流体音乐装置的控制方法，其特征在于，在步骤S1中，通过语音API进行语音识别与解析，将识别的音乐曲名关键字向网易云发送URL请求并下载相应的歌曲。

7.根据权利要求5所述的磁流体音乐装置的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，采用一种基于双尺度小波自相关性包络判别的音乐节拍算法获取音乐节拍，其步骤包括：

1）音乐采样数据加窗截取，这个窗口长度为3s；

2）对窗口数据进行多次“Haar”窗口的小波变换，保证低频滤除干扰的同时保留声音突变点；

3）将多次结果叠加，计算自相关包络，其包络极大值点即为节拍点；其中，节拍点的提取通过寻找设置为基音0.5秒以后、幅值大于0.3倍基音、左右一阶导数异号的点作为下一个节拍点。