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的工作原理及控制，以聲、光、水、色、形與工控技術的結合，達到千姿百態的效果。

【關鍵詞】 音樂噴泉；噴泉系統；集成控制；變頻調速

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

噴泉在城市和社區環境建設中起著及其重要的作用。噴泉工程和高新技術的結合也使得噴泉的形式更加多樣化，實現效果更加多彩迷人。其中，音樂噴泉系統以聲、光、水、色、形俱美，實現了獨特的藝術效果，已經成為城市景觀建設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計，各類花樣的噴泉、彩色的燈光和優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，城市化的發展及景觀建設的需要，使得音樂噴泉系統日漸被推廣應用。

2 音樂噴泉系統的原理和組成

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，根據現場地形結構，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備人工造景，這類水景近年來在各個領域廣泛應用，發展迅速、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主要由音頻控制系統、水路控制系統、燈光控制系統、電氣控制系統構成。音頻控制系統包括播放器、放大器、功率放大器、揚聲器、音柱等；水路控制系統主要由噴泉控制器、變頻器、水泵、多功能調節閥、噴頭和供水管網組成；燈光控制系統包括各種燈具、燈具控制軟件系統、燈光控制回路系統等；電氣控制系統包括弱電控制回路、強電系統、水泵、噴嘴等硬件。

控制回路包括觸發開關、集成控制芯片、音樂輸出回路、水泵驅動回路和燈光顯示回路。觸發開頭連接在集成控制芯片的觸發輸入端，音樂輸出回路、水泵驅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。通過觸發開關觸發集成控制芯片工作，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，分別輸出一個穩定脈沖和一個根據音樂旋律和節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，從而驅動水泵隨著音樂的變化而改變抽水高度。將音樂的節奏和強度轉變為控制信號，此信號再控制一個電壓控制器件，電源經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速，也就改變了水泵的壓力。音樂的不同頻率經集成控制芯片處理送到變頻電機的控制端，使得電機轉速隨著音樂的音調、節奏和強弱有所變化，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備對多組噴嘴實施控制。音樂噴泉控制系統如圖1 所示。

音樂噴泉控制系統是集聲、光、電于一體的復雜的現場控制系統。隨著變頻調速技術的不斷推廣，水泵專用變頻器已被廣泛用于水泵控制[1]，音樂噴泉系統中需要采用大量的水泵來控制噴泉循環水，根據水泵工作特性知道泵的流量與泵轉速成比例關系，通過調節水泵轉速可直接控制水泵的流量。音樂噴泉系統需要實現噴泉水量實時調節，因此，變頻調速技術更適合在音樂噴泉系統中使用。此外，根據水泵特性知道，采用變頻調速技術具有一定的節能效果，這也是變頻器在音樂噴泉控制系統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量輸出、標準模擬量輸出及內置通信接口電路，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速給定信號，結合音樂噴泉專用變頻器的特有功能可實現復雜的控制。

2.2 泄水型音樂噴泉

當音樂信號比較低時，在潛水泵正常運轉的情況下，電路輸出控制信號通過固態繼電器打開泄水閥，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 音樂噴泉系統的控制

控制系統的原理是通過集成控制芯片中的匯編程序對經A/D轉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奏而變化。音樂噴泉是由電腦控制聲、光及噴孔組合而產生不同形狀、不同色彩、配合音樂節奏而構成的綜合水景。水的形態會隨著聲音的抑揚頓挫而變化，加上燈光的照射，可以形成舞姿優美、色彩斑斕的多樣噴泉。音頻控制系統大多系統采用多媒體PC通過上位機程序播放音樂。

在噴泉系統的控制方面[2]，噴泉水泵目前已采用變頻調速技術，實現水泵無級調速，能根據音頻信號的強弱隨時調節水泵速度，多功能閥及萬向噴頭由噴泉專用控制器控制，可根據設定程序實現各種圖案和形狀。

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

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

（2）現場總線式控制： 現場總線是一種串行數據通信鏈路，實現噴泉現場基本控制設備與上級控制設備之間的聯系?，F場總線式的優點有：一條傳輸線可控制多臺設備，控制系統簡單，安裝和維護容易；采用數字通信技術，抗干擾性強，精度高；控制功能分散到噴泉現場，提高了電控系統的可靠性和靈活性。

（3）網絡現場總線式控制：網絡現場總線結構與現場總線相似，性能優于后者，網絡現場總線屬于分布式控制系統，電控系統運行速度更快，達到音樂噴泉實時控制的要求，穩定性也更好；網絡連接結構種類很多，能同時支持總線型和放射型，可采用混合結構；網絡現場總線與現場總線主要差別是前者采用專用網絡操作系統，實現網絡上各個設備之間的相互操作。

音樂噴泉燈光控制系統、電氣控制系統，在此不再詳細敘述。

4 抗干擾措施

音樂噴泉系統集音樂、燈光、噴泉于一體，其電氣控制系統相對比較復雜，容易出現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，其輸入輸出側會產生豐富的諧波，此諧波信號通過傳導、輻射、耦合等方式對其他設備產生干擾。在設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）音樂噴泉系統中諧波干擾信號經過音頻放大系統放大后，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節轉速，這就要求變頻器響應速度快，在設計時要對變頻器選型及調節參數深入了解。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，在變頻器參數設定方面，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， 包括中國傳統音樂、串燒古典音樂、古典音樂、中外歌曲。例如《紫竹調》《金蛇狂舞》《梁?！贰洞汗澬蚯贰端苫ā贰逗萌兆印贰稅畚抑腥A》《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 結束語

隨著噴泉系統的不斷推廣，噴泉控制技術也在不斷完善和提高，已從早期的簡單噴泉控制發展到目前的集音控技術、程控技術及上位機控制技術于一體的網絡現場控制，其中的變頻調速技術在噴泉系統應用也逐步成熟，并成為其水泵調速的主要方式。實踐證明，噴泉系統采用變頻器控制后，一方面提高了系統控制靈活性，另一方面，水泵采用變頻調速起到節能效果。因此，音樂噴泉變頻調速技術值得進一步推廣和應用。