Индивидуальный проект "Цветомузыка на Arduino"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №7» города Когалыма

Индивидуальный проект

«Цветомузыка на Arduino»

                                                                       Подготовил:

ученик 11 «И» класса МАОУ СОШ №7

                                                                       Аминев Даниил Азаматович

                                                         Руководитель:

учитель физики

                                                                       Казаева Ксения Васильевна

Когалым

2023

Оглавление

Введение        3

Основная часть ………………………………………………………………………….......................4

1.1  Что такое “цветомузыка”?        4

1.2 История  зарождения цветомузыки……………………………………………………………….5 

1.3  Разновидность светомузыкальных установок.        7

1.4 Применение цветомузыки…………………………………………………………………………8

Практическая часть …………………………………………………………………………………..11

2.1 Варианты конструкции светомузыки        …………………………………………………………..11

2.2  Выбор оборудования и инструментов…………………………………………………………..12

2.3 Выбор компонентов для сборки……………………………………………………………..…..13

2.4 Описание изготовления изделия…………………………………………………………………13

2.5 Оценка изделия        16

Заключение        17

Список литературы…………………………………………………………………………………...18

Введение

 Для многих начинающих радиолюбителей интересно создать свою собственную цветомузыку! Еще в 70-х годах прошлого века на этом самодельном устройстве была помешана вся молодежь в независимости от знаний в области физики и электроники. Кто разбирался в электронике – придумывал, что-то новое, кто не разбирался – копировали уже существующие схемы. И было абсолютно не важно, как это работает, главное, что работает и радует глаз. Сегодня огромный ассортимент светомузыкальных устройств имеется в продаже, кому лень паять микросхемы и транзисторы – можно просто купить цветомузыку! А кому интересно потратить несколько часов или дней ради своего самоутверждения или самообразования. Я тоже загорелся такой идеей, и решил воплотить свою давнюю мечту в реальность так как в магазине не нашёл нужную мне светомузыкальную установку.

Познания человечества в области электроники за последние десятилетия шагнули далеко вперед. Ламповые транзисторы почти полностью вытеснены полупроводниковым приборами, лампочки со спиралью активно меняются на светодиоды, а огромные монтажные платы заменены на маленькие платки с микросхемой по центру. Так вот, нашу цветомузыку мы будем делать из микроконтроллера Arduino (я использовал Arduino nano) и светодиодов. Каждый светодиод будет реагировать на заданную частоту звука. Количество светодиодов будет ограничиваться лишь количеством свободных пинов микроконтроллера.

Цель данного проекта:

- изготовить настольную цветомузыку из доступных материалов.

Задачи проекта:

1)   выбрать оптимальный вариант  конструкции настольной цветомузыки, с учётом  предъявляемых требований и имеющихся материалов;

2)     разработать схему для изготовления изделия;

3)     изготовить настольную цветомузыку;

4)     сделать экономическую оценку проекта;

        5)     провести испытание и  сделать выводы по проекту.

Основная часть

1.1  Что такое “цветомузыка”?

        Цветомузыка (также светомузыка) — исполнение музыки с сопровождением динамического цветного освещения, вид искусства, основанный на способности человека ассоциировать звуковые ощущения со световыми восприятиями. Такая психологическая способность, в свою очередь, связана с эстетическим эффектом симультанного (одновременного) восприятия цвета, света и звука. В традиционном понимании такая связь существует в музыкальном театре.

Цветомузыкой также называют электронное устройство для построения световых картин, формирования цветовых зрительных образов, сопоставленных с музыкальным сопровождением.     Без музыки цветомузыки не существует. Это устройства (или светоинструменты), работающие по заданной программе и/или использующие определённые алгоритмы (возможен гибридный вариант) для синхронного сопровождения музыки. Все остальные световые устройства относятся к устройствам световых эффектов (светодинамические устройства (СДУ) — бегущие огни и пр.) — электронные устройства для реализации световых эффектов, не связанных (синхронных) напрямую с музыкальным сопровождением.

Цветомузыка как автоматические светомузыкальные устройства (АСМУ) — относится к декоративно-оформительскому искусству и предназначено для светового сопровождения музыкального произведения, она позволяет по-новому воспринимать музыку, и предназначена дополнить звуковое восприятие световыми эффектами. В АСМУ используются автоматические алгоритмы  для преобразования музыки в световые эффекты.

      Цветомузыка как программируемые синхронные автоматы (ПСА) — на настоящий момент, стала неотъемлемой составляющей во многих музыкальных проектах и шоу. В этих устройствах используется искусство и фантазию светорежисёра (светоинженера) запрограммировать последовательность управления световыми приборами для придания зрелищности музыкальному произведению. ПСА – допускается возможность непосредственной работы как светоинструмента.

      Цветомузыка как светомузыкальный инструмент (СМИ) — предназначен для непосредственного создания светового шоу светомузыкантом. Это направление на настоящий момент не получило широкого направления из-за отсутствия серьезных теоретических разработок в этом направлении.

1.2 История  зарождения цветомузыки

        Вопрос о соизмеримости цвета и звука был поставлен ещё в философских трактатах Древней Греции. История сохранила ранние исследования пифагорейской школы  о взаимоотношении цвета и звука.
        Философы этой школы создали так называемую теорию октав, которая была основана на математическом расчете и на базе выделяемых интервалов соотносила цвета радуги и гармонию звуков. Предполагалось следующее соотношение:

 самый низший и самый базовый тон в цветовой шкале - красный – соответствует «до» - первой ноте музыкальной шкалы, оранжевый связывается с «ре», желтый – с «ми», зеленый – с «фа», голубой – с «соль», синий – с «ля» и фиолетовый – цвет наиболее неустойчивый, тяготеющий к разрешению в красный или синий, - с «си». Восьмой цветовой тон, требуемый для завершения шкалы, должен быть в более высокой октаве и уже считался красным.

        Сопоставляя зрение и слух, цвет и звук, в трактате "О душе" Аристотель замечал: «Цвета по приятности их соответствий могут относиться между собой, подобно музыкальным созвучиям, и быть взаимно пропорциональными».

Основоположником практического соединения цвета и музыка (цветомузыки) принято считать итальянского художника и музыканта эпохи Возрождения Джузеппе Арчимбольдо (1527-1593). Арчимбольдо стремился соединить оптический и акустический ряды согласно пифагорейским теориям, пользовавшимся в то время успехом среди гуманистов.
Экспериментатор в живописи, которого по праву называют первым сюрриалистом, изобрел "цветовой клавикорд", описанный в «Мантуанскомдиалоге» Грегорио Команини, одного из ближайших друзей художника. Команини сообщал, что звуки «цветового клавикорда» соответствовали тому или иному цвету, составленному художником по цветовой шкале.
Однако, несмотря на новаторство идей Арчимбальдо, интерес, вызванный к ним, был недолговечен, и следующая попытка сочетать звук и цвет на практике была принята лишь в XVIII веке.

Предпосылками музыкально-цветовых экспериментов стали научно-технические достижения знаменитых ученых.  В 1665 году Ньютон с помощью стеклянной призмы точно разложил музыкальную октаву на солнечный спектр. Нота «до» соответствовала красному цвету, «ре» — фиолетовому, «ми» — синему, «фа» — голубому, «соль» — зеленому, «ля» — желтому, а «си» — оранжевому. Исследования в области взаимодействия цвета и звука продолжил Афанасиус Кирхер (1602-1680). Изобретатель первого в мире проекционного аппарата, он перевел солнечный спектр на экран. Наблюдения над движущимися световыми проекциями натолкнули Кирхера на мысль о подобии света звуку.
        Эти идеи подтолкнули французского монаха Кастеля к созданию собственных «цветовых клавикордов». В попытке связать музыку, имеющую определённую гамму, со светом, обладающим определенным спектром, Кастель изобрел специальный аппарат, по сути клавесин, нажатие клавиш которого вызывало не звуки, а определённые цвета. Механика была довольно проста: открывались специальные окошечки, за которыми стояли стаканчики с цветными жидкостями, подсвеченные горящими свечами. Так, например, клавиша «до» открывала красный цвет, «ре» – оранжевый и т.п. 

Опыты Кастеля получили широкую известность у современников. Их реакция была неоднозначной. Выдвинутую изобретателем концепцию "музыки цвета", основанную на однозначном переводе определенных нот в определенные цвета, поддерживали композиторы Рамо, Телеман. Но больше у нее было критиков – Руссо, Дидро, Даламбер, Вольтер, а затем Лессинг, Гердер, Гете, Гельмгольц. В 1742 году обсуждению "музыки цвета" Кастеля было посвящено специальное заседание Российской академии наук. И, независимо от европейских критиков, российские академики тогда пришли к четким и доказательным выводам: идея цветозвукового перевода Ньютона-Кастеля является красивой, но неверной, – своего рода "очаровательный вздор".

Самые известные эксперименты в области реальной практики светомузыки начались на рубеже XIX веков и были связаны с именами великих русских композиторов Римского-Корсакова, Скрябина и художников Чюрлениса и Кандинского.
Скрябин был убеждён, что каждому звуку, а точнее тональности соответствует определённый цвет. При этом композитор разделял цвета на материальные и духовные. Например, до-мажор представлялся ему красным – материальным цветом, "цветом ада", а синий – духовный цвет, "цвет разума" – ассоциировался с фа-диез- мажором. Наиболее полно философская концепция цветомузыки Скрябина была выражена в "Прометее", музыкальной поэме для фортепиано, оркестра (включая орган), голосов и партии света Luce. В основе замысла «Прометея» была положена непосредственно цветовая визуализация тонального плана. Световая строка Luce содержит условные обозначения цветов, записанные обычными нотами. В партитуре Luce изложена в пределах одной октавы – от фа-диез первой октавы до фа-диез второй.
Возможность гармоничного соединения цвета и звука интересовала не только композиторов, но и художников. «Нет рубежей между искусствами, музыка объединяет в себе поэзию и живопись и имеет свою архитектуру. Живопись тоже может иметь свою архитектуру, как музыка, и в красках выражать звуки...", – писал Микалоюс Чюрлёнис, один из ярчайших представителей музыкальной живописи.

В современном мире с развитием звуковых, проекционных, световых, цифровых, интерактивных технологий светомузыкальные постановки, объединяющие звуковую и визуальную составляющие в одну структуру, стали доступны огромному количеству людей. Великолепные визуально-музыкальные представления становятся кульминацией самых масштабных культурных общественных мероприятий, создают эмоциональную атмосферу. Уровень аудиовизуальных произведений позволяет говорить о подъеме нового направления в искусстве – аудиовизуального, объявляющего своей приоритетной целью не концептуальность или технологичность, а передачу ощущений, эмоций, звуковую и визуальную эстетику. Освоение теоретико-философского наследия великих художников и музыкантов о согласованном воздействии света и музыки дает возможность развития эстетического восприятия и преобразования человеческих чувств, создания условий для наиболее полного обретения смысла событий и явлений.

1.3  Разновидность светомузыкальных установок.

Наиболее часто цветомузыку вы можете увидеть на танцевальных площадках или спортивных аренах, в барах, кафе и других развлекательных заведениях. Сейчас небольшое световое шоу с музыкальным сопровождением можно устроить и дома. Многие люди для оформления вечеринок используют диско шары, прожекторы малой мощности или небольшие лазерные установки. Цветомузыкальное оборудование может быть 3-х видов:

 -  ламповое – светомузыкальная установка на основе ламп накаливая,

 -  светодиодное – светомузыкальная установка,  где используются яркие и контрастные лампы на основе светодиодов,

  -  лазерное – установка, где нет ламп, а есть лазер, который с помощью зеркала рисует рисунки.

Их работа значительно изменит настроение любого мероприятия в лучшую сторону. Существует несколько режимов работы установок:

1) «режим звуковой активации» - это значит, что прибор будет воспроизводить заложенные в нем эффекты в такт музыки;

2) автоматический  режим -  является наиболее популярным для небольших вечеринок и мероприятий;

3) режим стробоскопа – режим,  при котором мигает с заданной частотой белый свет.

 В некоторых моделях используется комбинированный свет - мощная галогенная лампа. Такие приборы отличаются максимально широким функционалом и исключительными световыми возможностями. Большие минусы мощных установок на галогенных лампах - это их габариты и вес. Такие установки сильно греются в процессе работы и довольно энергозатратны в отличие от светодиодных установок.

        1.4 Применение цветомузыки

        У каждого из нас уникальное восприятие звука. Чей-то слух способен улавливать только средние частоты, а для других доступен более широкий диапазон. Во время Великой Отечественной войны слепые "слухачи" внесли бесценную лепту в спасение блокадного Ленинграда. Они развили в себе способности за десятки километров различать низкочастотные звуки, издаваемые вражескими самолетами, с точностью определяя марку по шуму мотора и подсказывая, куда направлять военный зенитный прожектор. 

        Люди с тонким музыкальным слухом нуждаются в качественных акустических системах для полноценного восприятия музыкальных шедевров. Цветомузыка как искусство, представляет собой производную от музыки и является её неотъемлемой частью. Её назначение — раскрытие сущности музыки посредством зрительных восприятий. 

        Основной целью цветомузыки как искусства — это изучение способности человека испытывать ощущения, навязываемые световыми образами при сопровождении музыки.

 Что нужно знать о световом оборудовании для дискотек? Звук и свет создают антураж зажигательной дискотеки. Но не нужно думать, что достаточно купить динамики jbl и крутящийся шар, чтобы ваше заведение стало местом паломничества молодежи. К выбору звукового и светового оборудования нужно подходить со всей серьезностью. 

        Мысль о цветомузыке возникла не случайно. Как уже сказали выше, цвет имеет сильное влияние на человека – на его настроение и даже на здоровье. Физиологи открыли, например, что при монотонных звуках глаза лучше видят зеленоголубые тона, а оранжевокрасные различают хуже. С нарастанием громкости чувствительность глаза к зеленым цветам увеличивается, а к красным – уменьшается.   Это знание пригодится нам в повседневной жизни для правильного и грамотного оформления интерьера, правильного сочетания цветов в повседневном и вечернем костюмах и т.д.

        Слияние цвета и звуки  возможно. Но оно должно дополнять друг друга, но не заменять друг друга, не мешать друг другу. И цвет, и звук оказывают на человека серьезное влияние даже по отдельности. А объединяясь, они дополняют и усиливают эффект друг друга. И вопрос об их взаимосвязи и взаимовлиянии, не закрыт до сих пор. Инженеры и музыканты, философы и физиологи целеустремленно ищут пути к художественному овладению синтезом цвета и музыки, где оба эти элемента были бы равноправны, как инструменты в едином оркестре. 

        Цветомузыка используется и для украшения городов и парков. Световые эффекты, сопровождающие развлекательную музыку, в наши дни нашли широкое применение в кафе, ресторанах и на танцевальных площадках. Однако это носит прикладной характер. 

        Многие эксперименты со светомузыкой были сделаны в электронной студии француза П. Булеза (одно из своих сочинений этот автор представил очень оригинальным способом: звук передавался в зал по расставленным вокруг зрительного зала динамикам, а также световым установкам; при этом создавался поразительный синтез пространственно-световых ощущений). В 90-е годы, например, особенно выделяется грандиозный опыт цветомузыкального представления Жан-Мишеля Жарра в Москве. Он расположил на здании Университета колоссальные светомузыкальные установки и произвел с их помощью потрясающие эффекты. 

        Цветомузыка используется и для реабилитации. С древних времен музыка сопровождает человека, даря ему духовное и физическое здоровье. Целебная сила музыки заслужила признание у многих народов мира. Многие известные деятели медицины рассматривали музыку как эффективное средство воздействия на настроение и психическое состояние больного, а через него — и на весь организм. И.Р. Тарханов (1893) экспериментально проследил действие музыки на ЧСС и ритм дыхания и выяснил, что радостная музыка ускоряет выделение пищеварительных соков, улучшает аппетит, а также увеличивает работоспособность мышц и может на время снять мышечную усталость.

        Проведен ряд исследований влияния музыки на работоспособность спортсменов. Так,  наблюдения за хоккеистами показали, что прослушивание музыки во время тренировки благоприятно действует на организм спортсмена, они меньше устают и выполняют больший объем тренировочной нагрузки, чем без музыкального сопровождения. У пловцов, слушающих музыку в лаборатории после заплыва на 400 м заметно улучшилась работоспособность. В предсоревновательном периоде у многих спортсменов возникает чувство тревоги. Напряженная атмосфера спортивных состязаний влечет за собой тревожность различных уровней, иногда доходящую до гипертревожности, что отрицательно сказывается на результатах выступления. 

        Музыка способна активно стимулировать и регулировать движения тела, влиять на настроение и работоспособность спортсмена. Требуется создание определенных условий, чтобы музыка воспринималась и воздействовала на душевное состояние слушателя с максимальным эффектом. 

        Общее требование состоит в том, чтобы музыка улучшала настроение, рождала светлые чувства. В последние годы находит широкое применение для профилактики переутомления, перегрузок, снятия усталости цветомузыка, когда воздействие целебных звуков сочетается с лечебным влиянием цвета. 

        Цветомузыкальную установку можно разместить в комнате отдыха спортсменов, в массажной, раздевалке и т.п. При проведении восстановительного массажа под музыку спортсмен легче расслабляется. В раздевалках перед выходом на старт или в перерыве между таймами у футболистов, периодами у хоккеистов музыка успокаивает, нормализует функциональное состояние спортсмена, снижает утомление. Одной из частных практических задач цветомузыки, решать которую, судя по всему, как раз и доверили автоматическим устройствам (или, как их часто для краткости называют, автоматам), является стремление усилить эмоциональное воздействие музыки на слушателя. 

        Достигнуть этого можно, если предоставить слушателю наряду со звуковой ещё и световую (точнее, цветовую) информацию о том же предмете. Разумеется, обе эти составляющие должны быть построены по законам искусства, тематически и образно связанными. Тогда они будут восприниматься как единое художественное целое. 

        Что же делают автоматы? Они лишь «переводят» музыку в цвет и делают это по совершенно формальным признакам – например, по частотному содержанию управляющего сигнала звуковой частоты, совершенно игнорируя музыкальный смысл произведения. Каждый из цветов светового спектра автомат ставит в соответствие тому или иному участку частотного спектра звука, хотя уже давно установлено отсутствие какой-либо смысловой или другой однозначной связи между этими параметрами. 

        Кроме основного первоначального назначении – украшения интерьера квартир, дискотек и других помещений, декоративного оформления открытых площадок, новогодних ёлок, фонтанов и т. п. объектов, – их стали применять для рекламы и иллюминации, для борьбы с эмоциональным утомлением работающих в цехах со специфическим характером труда, в медицинских и психологических исследованиях, в устройствах отображения информации и т. д.

2. Практическая часть

2.1 Варианты конструкции светомузыки

Рассмотрев все варианты конструкции и формы основных частей светильника, мной был выбран следующий вариант  конструкции светомузыки, с учетом  моих    познаний в области электроники, наличия инструментов, имеющихся в наличии материалов для изготовления.

Окончательный вариант конструкции светомузыки

2.2  Выбор оборудования и инструментов

Для сборки светомузыки мне понадобится:

-Arduino nano(программируемая плата в которую пишется программный код для заданного алгоритма);

-Микрофон MAX9814;

-Адресуемая светодиодная лента 60 светодиодов;

-Потолочный светильник;

-Паяльник;

-Мультиметр;

-Отвертка;

-Термоусадочная трубка;

-Компьютер;

-Изолента;

-Кусачки;

-Клеевой пистолет;

-Дрель;

2.3 Выбор компонентов для сборки

2.4 Описание изготовления изделия

Принцип работы моей самодельной светомузыки основан на определение частоты звука при помощи микрофонного модуля который в свою очередь отправляет звук на плата Arduino, Arduino принимает сигнал от микрофона и разбивает участки звука на сильные и слабые, затем ардуино управляя программируемой светодиодной лентой задаёт на определённый участок ленты цвет в зависимости от частоты звука. Плата способна моментально определять частоту и сразу же выводить цвет от частоты на ленту.  

шаг 1. Собираем согласно схеме подключения микрофонного модуля и ленты

шаг 2.  Загружаем программный код который я взял из интернета и дописал под свои нужды.

шаг 3. Сборка корпуса для светомузыки.
        В качестве корпуса для светомузыки я использовал корпус от потолочного светильника из магазина «светофор». Я заменил штатную светодиодную ленту из светильника которая имела в себе только белый свет, в отличие от моей которая способна выводить на каждый светодиод более 256 цветов. Затем я спаял электронику и обмотал её изолентой чтобы не было короткого замыкания на металлический корпус светильника. Затем я вместил в родной корпус светильника предварительно установив ленту. Внизу корпуса я закрепил боковые крышки чтобы они держались.

2.5 Оценка изделия

        Маркетинговые исследования показали: при подсчете затрат на изготовление светомузыки, что изготовить такое изделие самому выгоднее, чем купить, так как технология изготовления не очень сложная. К тому же данное изделие получилось портативным в своих небольших размерах и довольно лёгким относительно магазинных изделий. Моя светомузыка имеет намного больше режимов, а именно «анализатор спектра», «анализатор спектра с бегущей радугой», «классическая трёх-полосная светомузыка где красный- это низкие частоты, жёлтый - это средние частоты, а синий цвет это - высокие. Разумеется, я добавил и остальные режимы, но они все похожи и мало чем отличаются от выше перечисленного. Мощность у светомузыки по расчётам на 1 метр светодиодной ленты получается 1 А, у меня же 70 светодиодов что составляет 1,67 А. Вычислим мощность по формуле p=U*I, где U=5 В, а I=1,67 А, получаем мощность в 8,35 Вт Это довольно мало, учитывая,  что современные гаджеты потребляют 10-15 Вт. И разумеется цена. Учитывая стоимость материалов и сборки -  вышло 1235 рублей,  что дешевле магазинных аналогов в 3 раза.

Заключение

        Изготовленная мною цветомузыка,  соответствует задуманной идеи, конструкция, отличается небольшими затратами на приобретение материала для его выполнения. Цветомузыка выглядит эстетическим законченным изделием и может использоваться для подарка или сувенира. Проанализировав параметры полученной светомузыкальной установки, я пришёл к выводу,  что  лучше собрать цветомузыку самому,  так как она не имеет аналогов и выходит экономичнее.

Список литературы

1. Абакумова Е. В. Цвет как средство выражения в живописи и музыке // Вестник Адыгейского государственного университета. Серия 2: Филология и исскуствоведение. 2015. Выпуск 4 (168). С. 148-154.

2.  Галеев Б. М. Содружество чувств и синтез искусств. Москва: Знание, 1982 - 64 с

3. Галеев Б. М. Светомузыка в системе искусств: учебное пособие. Казань: Казанская государственная консерватория имени Н. Г. Жиганова, 1991-  88 с.

4. Симоненко В.Д. Творческие проекты учащихся 5-11 классов, Брянск, 1996 – 237 с.

Интернет-ресурсы

1. https://basis-tp.ru/ratings/v-2022-godu-opredelaemsa-s-lucsimi-cvetomuzykalnymi-ustanovkami-i-svetomuzykoj.html - цветомузыка своими руками
2. https://christmas-spb.ru/news/vse-chto-my-znaem-o-czvetomuzyke/ - все, что мы знаем о светомузыке
3. https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1861242 - академик «Светомузыка»
4. https://impremium.ru/blog/muzykalnaya-tsvetomuzyka/   - музыкальная цветомузыка
5.  http://movingmoon.ru/music-news/135-the-history-of-color-music.html -история создания цветомузыки
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%BC%D1%83%D0%B7%D1%8B%D0%BA%D0%B0 - википедия «Светомузыка»
7. http://www.adada.ru/pub_04_drozdova.php-история - создание цветомузыки
8. https://www.natalysidak.com/post/%D1%81%D0%BE%D1%8E%D0%B7-%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA%D0%B0-%D0%B8-%D1%86%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B0-%D0%BE%D1%82-%D0%BF%D0%B8%D1%84%D0%B0%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B0-%D0%B4%D0%BE-%D0%BD%D0%B0%D1%88%D0%B8%D1%85-%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%B9 – союз цвета и звука от пифагора до наших дней