音樂噴泉的工作原理及控制

韓國榮　石志孝

【摘 要】 主要介紹音樂噴泉系統(tǒng)的工作原理及控制，以聲、光、水、色、形與工控技術(shù)的結(jié)合，達到千姿百態(tài)的效果。

【關(guān)鍵詞】 音樂噴泉；噴泉系統(tǒng)；集成控制；變頻調(diào)速

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.08.018

Musical Fountain Working Principle and Control

HAN Guo-rong， SHI Zhi-xiao

（Gansu Stage technology & Engineeing Co.ltd， Lanzhou Gansu 730050， China）

【Abstract】This paper mainly introduces the musical fountain working principle and control. Fountain project using a large number of high-tech， in which musical fountain system to sound， light， water， color， shape and industrial technology， to achieve a unique effect， so that the effect of a more colorful fountain， the formation of very large changes.

【Key Words】musical fountain； fountain system； Integrated control； frequency control

1 引言

噴泉在城市和社區(qū)環(huán)境建設(shè)中起著及其重要的作用。噴泉工程和高新技術(shù)的結(jié)合也使得噴泉的形式更加多樣化，實現(xiàn)效果更加多彩迷人。其中，音樂噴泉系統(tǒng)以聲、光、水、色、形俱美，實現(xiàn)了獨特的藝術(shù)效果，已經(jīng)成為城市景觀建設(shè)和表演劇場的重要組成部分，婀娜多姿、賞心悅目，可激起人們的沉思、詠嘆、驚喜、雀躍的情緒，并從中獲得水美的藝術(shù)享受。目前，很多廣場或公園，以及戶外演出中也采用音樂噴泉景觀設(shè)計，各類花樣的噴泉、彩色的燈光和優(yōu)美的音樂形成一幅怡人的夜景，從而吸引著人們的目光，尤其在炎熱的夏季，令人流連忘返。

園林中的噴泉，一般是為了滿足造景的需要而進行人工建造的具有裝飾性的噴水裝置。此類噴泉可以濕潤周圍空氣、減少塵埃、降低氣溫。噴泉的細小水珠與空氣分子撞擊，能產(chǎn)生大量的負氧離子。因此，噴泉有益于改善城市面貌和增進居民身心健康。目前，城市化的發(fā)展及景觀建設(shè)的需要，使得音樂噴泉系統(tǒng)日漸被推廣應用。

2 音樂噴泉系統(tǒng)的原理和組成

噴泉是一種將水或其他液體在一定壓力下通過噴頭噴灑出來具有特定形狀的組合體。提供水壓的一般為水泵?？傮w來說，噴泉景觀可以分為兩大類：一是因地制宜，根據(jù)現(xiàn)場地形結(jié)構(gòu)，仿照天然水景制作而成，如壁泉、涌泉、霧泉、管流、溪流、瀑布、水簾、跌水、水濤、漩渦等；二是完全依靠噴泉設(shè)備人工造景，這類水景近年來在各個領(lǐng)域廣泛應用，發(fā)展迅速、種類繁多，有音樂噴泉、程控噴泉、擺動噴泉、跑動噴泉、光亮噴泉、游樂噴泉、超高噴泉、舞臺水簾幕、激光水幕電影等。

2.1 普通的音樂噴泉

普通的音樂噴泉系統(tǒng)主要由音頻控制系統(tǒng)、水路控制系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。音頻控制系統(tǒng)包括播放器、放大器、功率放大器、揚聲器、音柱等；水路控制系統(tǒng)主要由噴泉控制器、變頻器、水泵、多功能調(diào)節(jié)閥、噴頭和供水管網(wǎng)組成；燈光控制系統(tǒng)包括各種燈具、燈具控制軟件系統(tǒng)、燈光控制回路系統(tǒng)等；電氣控制系統(tǒng)包括弱電控制回路、強電系統(tǒng)、水泵、噴嘴等硬件。

控制回路包括觸發(fā)開關(guān)、集成控制芯片、音樂輸出回路、水泵驅(qū)動回路和燈光顯示回路。觸發(fā)開頭連接在集成控制芯片的觸發(fā)輸入端，音樂輸出回路、水泵驅(qū)動回路和燈光顯示回路分別連接在集成控制芯片的各對應輸出端。通過觸發(fā)開關(guān)觸發(fā)集成控制芯片工作，使集成控制芯片輸出音頻信號至音樂輸出回路播放音樂，同時，分別輸出一個穩(wěn)定脈沖和一個根據(jù)音樂旋律和節(jié)奏而同步變化的脈沖至電機放大電路，得到疊加的變化電流，通過此電流來控制水泵電機，從而驅(qū)動水泵隨著音樂的變化而改變抽水高度。將音樂的節(jié)奏和強度轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?，此信號再控制一個電壓控制器件，電源經(jīng)過該電壓控制器件后，輸出電壓也隨音樂的變化而改變，進而控制水泵電機。改變頻率就改變了電機的轉(zhuǎn)速，也就改變了水泵的壓力。音樂的不同頻率經(jīng)集成控制芯片處理送到變頻電機的控制端，使得電機轉(zhuǎn)速隨著音樂的音調(diào)、節(jié)奏和強弱有所變化，水泵的壓力隨之變化，噴岀的水柱就有了高低變化，在同一時間由幾套設(shè)備對多組噴嘴實施控制。音樂噴泉控制系統(tǒng)如圖1 所示。

音樂噴泉控制系統(tǒng)是集聲、光、電于一體的復雜的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷推廣，水泵專用變頻器已被廣泛用于水泵控制[1]，音樂噴泉系統(tǒng)中需要采用大量的水泵來控制噴泉循環(huán)水，根據(jù)水泵工作特性知道泵的流量與泵轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速可直接控制水泵的流量。音樂噴泉系統(tǒng)需要實現(xiàn)噴泉水量實時調(diào)節(jié)，因此，變頻調(diào)速技術(shù)更適合在音樂噴泉系統(tǒng)中使用。此外，根據(jù)水泵特性知道，采用變頻調(diào)速技術(shù)具有一定的節(jié)能效果，這也是變頻器在音樂噴泉控制系統(tǒng)中得以推廣應用的原因。隨著音樂噴泉應用不斷推廣，各種噴泉專用控制器也不斷完善。噴泉控制器或跑泉控制器具有多功能開關(guān)量輸出、標準模擬量輸出及內(nèi)置通信接口電路，可通過RS-485或總線方式與上位機進行通信，其輸出的標準電流或電壓信號可作為變頻器調(diào)速給定信號，結(jié)合音樂噴泉專用變頻器的特有功能可實現(xiàn)復雜的控制。

2.2 泄水型音樂噴泉

當音樂信號比較低時，在潛水泵正常運轉(zhuǎn)的情況下，電路輸出控制信號通過固態(tài)繼電器打開泄水閥，減小管道壓力，從而降低噴水高度；而音樂信號比較強時，泄水閥被關(guān)閉，管道保持正常的壓力，水噴得比較高。這樣，電磁閥在音樂信號控制下時開時閉、管道壓力不停變化，水花上下跳躍，形成泄水型音樂噴泉。

2.3 給水型音樂噴泉

當音樂信號達到一定幅度時，電路輸出控制信號通過固態(tài)繼電器啟動潛水泵噴水，信號低于一定幅度電路無輸出，潛水泵斷電停止噴水，這樣，潛水泵在音樂信號的控制下時噴時斷、水花上下跳躍，形成給水型音樂噴泉。

3 音樂噴泉系統(tǒng)的控制

控制系統(tǒng)的原理是通過集成控制芯片中的匯編程序?qū)?jīng)A/D轉(zhuǎn)換的音頻信號進行采樣和處理，分級控制單相電動機，最終達到控制噴頭流量的方法。采用程序控制或人工按鍵控制電磁閥來控制花型。音頻信號還用于控制燈光色彩和光線明暗的變化，從而使燈光效果和噴泉水姿隨音樂節(jié)奏而變化。音樂噴泉是由電腦控制聲、光及噴孔組合而產(chǎn)生不同形狀、不同色彩、配合音樂節(jié)奏而構(gòu)成的綜合水景。水的形態(tài)會隨著聲音的抑揚頓挫而變化，加上燈光的照射，可以形成舞姿優(yōu)美、色彩斑斕的多樣噴泉。音頻控制系統(tǒng)大多系統(tǒng)采用多媒體PC通過上位機程序播放音樂。

在噴泉系統(tǒng)的控制方面[2]，噴泉水泵目前已采用變頻調(diào)速技術(shù)，實現(xiàn)水泵無級調(diào)速，能根據(jù)音頻信號的強弱隨時調(diào)節(jié)水泵速度，多功能閥及萬向噴頭由噴泉專用控制器控制，可根據(jù)設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)各種圖案和形狀。

音樂噴泉控制系統(tǒng)是集音頻控制技術(shù)、程序控制技術(shù)于一體的控制系統(tǒng)，屬于一種工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，其上位機大多采用多媒體工業(yè)PC機組成，可實現(xiàn)全程實時音控，能根據(jù)樂曲旋律、節(jié)奏和音頻的強弱程度控制噴泉系統(tǒng)，其電氣控制系統(tǒng)主要有以下三種形式：

（1）集中式控制：集中式控制系統(tǒng)采用放射型結(jié)構(gòu)，能滿足控制室離水池較近，規(guī)模較小，花型變化較少的音樂噴泉。

（2）現(xiàn)場總線式控制： 現(xiàn)場總線是一種串行數(shù)據(jù)通信鏈路，實現(xiàn)噴泉現(xiàn)場基本控制設(shè)備與上級控制設(shè)備之間的聯(lián)系。現(xiàn)場總線式的優(yōu)點有：一條傳輸線可控制多臺設(shè)備，控制系統(tǒng)簡單，安裝和維護容易；采用數(shù)字通信技術(shù)，抗干擾性強，精度高；控制功能分散到噴泉現(xiàn)場，提高了電控系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

（3）網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線式控制：網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場總線相似，性能優(yōu)于后者，網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線屬于分布式控制系統(tǒng)，電控系統(tǒng)運行速度更快，達到音樂噴泉實時控制的要求，穩(wěn)定性也更好；網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)種類很多，能同時支持總線型和放射型，可采用混合結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線主要差別是前者采用專用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上各個設(shè)備之間的相互操作。

音樂噴泉燈光控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，在此不再詳細敘述。

4 抗干擾措施

音樂噴泉系統(tǒng)集音樂、燈光、噴泉于一體，其電氣控制系統(tǒng)相對比較復雜，容易出現(xiàn)以下音頻信號干擾問題：

（1）從變頻器工作原理可知，當變頻器運行時，其輸入輸出側(cè)會產(chǎn)生豐富的諧波，此諧波信號通過傳導、輻射、耦合等方式對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。在設(shè)計時采用正確的布線和屏蔽線來消除感應方式的干擾傳播[3]。在變頻器和變壓器之間串入交流電抗器，對高頻諧波電流進行抑制。通過接入無線電干擾抑制濾波器，抑制通過輻射傳播的干擾。

（2）音樂噴泉系統(tǒng)中諧波干擾信號經(jīng)過音頻放大系統(tǒng)放大后，形成刺耳的噪音，并影響音樂的播放。為避免這種情況的發(fā)生，可采取以下措施：降低變頻器載波頻率；變頻器可靠接地，接地線采用線徑較粗的線，且接地點與變頻器距離要盡量短；變頻器輸入、輸出動力線盡量遠離音頻信號線和控制線，不要將動力線與控制線置于同一線槽中；音頻信號放大系統(tǒng)的電源盡可能與變頻器供電電源隔離等。

（3）諧波干擾信號會干擾變頻器的正常工作，噴泉水泵需隨音頻信號的強弱隨時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，這就要求變頻器響應速度快，在設(shè)計時要對變頻器選型及調(diào)節(jié)參數(shù)深入了解。一般情況下，一臺音樂噴泉變頻器要求控制多臺水泵，在選用時首先應保證變頻器的功能大于水泵功能總和，并至少預留10%的裕量，在變頻器參數(shù)設(shè)定方面，變頻器的加減速時間盡量短。但加減時間過短容易出現(xiàn)過電流保護，在使用時應特別注意。目前大多變頻器具有故障自恢復功能，在調(diào)試可將此功能打開，以避免誤信號引起變頻器報警停機。

5 音樂選材

在音樂選材方面， 種類也很廣泛， 包括中國傳統(tǒng)音樂、串燒古典音樂、古典音樂、中外歌曲。例如《紫竹調(diào)》《金蛇狂舞》《梁?！贰洞汗?jié)序曲》《水仙花》《好日子》《愛我中華》《彎彎的月亮》《夢想天堂》《千年等一回》《命運》《藍色多瑙河》《西班牙斗牛士》《卡門進行曲》《卡薩布蘭卡》《斯拉夫女人的告別》等。

6 結(jié)束語

隨著噴泉系統(tǒng)的不斷推廣，噴泉控制技術(shù)也在不斷完善和提高，已從早期的簡單噴泉控制發(fā)展到目前的集音控技術(shù)、程控技術(shù)及上位機控制技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場控制，其中的變頻調(diào)速技術(shù)在噴泉系統(tǒng)應用也逐步成熟，并成為其水泵調(diào)速的主要方式。實踐證明，噴泉系統(tǒng)采用變頻器控制后，一方面提高了系統(tǒng)控制靈活性，另一方面，水泵采用變頻調(diào)速起到節(jié)能效果。因此，音樂噴泉變頻調(diào)速技術(shù)值得進一步推廣和應用。