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中国建筑金属结构协会喷泉水景委员会
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喷泉系统中的灯光表演

2013-10-28 11:30:12喷泉水景网管理员
喷泉中的灯光
 
自上世纪八十年代起,喷泉渐渐被引入中国以来,做为一种特殊的人造景观得到了长足的发展。有大型的湖上喷泉、海上喷泉、广场喷泉,还有各种场所的小型喷泉,更有不少微型室内喷泉,五花八门,各式各样。按表演形式的水型分类,约有100多种水型,如叠水、跑泉、孔雀开屏、内拱等等,但这些都不是本文讨论的重点。喷泉系统通常由水系中水的运动构成,就控制方式上有音乐喷泉和程控喷泉。在喷泉设备上,由管道、喷头、水泵、彩灯、控制柜、电缆,有时还包括电脑、音响、音频功率放大器等组成,有些大型喷泉还有激光、电脑灯等组成。所以,彩灯是喷泉的水型表演中重要的辅助成份,特别是在室外晚上的水型表演中,彩灯更增添了喷泉水型的表现力,没有彩灯的表演,就象没有灯光的舞台的一样,漆黑一片。
彩灯在喷泉系统的发展中,经历了几个不同的历史阶段。1) 在国内喷泉刚刚起步之时,由于没有统一的水下灯,因此多采用防水灯壳中装载白炽灯的方法来处理。2) 以后慢慢又引进了荷兰Philip公司的Phar38灯,Phar38灯符合欧洲标准,国产后采用220V交流电压驱动,灯泡均为白色白炽灯。灯壳用玻璃制作,依靠透光玻璃表面涂有色漆的办法改变颜色。一般有红色、白色、绿色、蓝色、黄色等,配合一种水型一般是一串或几串并联的同颜色灯。当然,灯泡也有使用高压钠灯、低压钠灯、高压汞灯等其他光源的,这些都属于高压交流灯,光效低、发热量大,玻璃制品,易碎,特别是在水下使用,玻璃制品发热遇水后骤然冷却,经常会裂口、爆碎。3)随着LED点光源的兴起,业界同仁着手解决使用LED点光源进行喷泉照明。LED点光源发光效率高,发热量小,颜色纯正,显色指数高,寿命长,节能环保。但早期的LED灯珠价格贵昂,为了降低生产成本,同时又与原有高压灯系统兼容,多数采用RC分压方式进行降低电压直接驱动LED灯珠串。LED灯珠由半导体PN结发光,对PN结上的正向电压很敏感,因此,没有稳压系统的RC分压方式经常会整串的烧毁,这种灯光控制方式也没有被广大用户普遍接受。而且由于高压直接进入水池中,连接了很容易损坏的LED灯设备,对操作、维护人员也很不安全。4)LED发光灯是一种应用前景很好的产品,全世界各大厂商竞相投入大量资金、技术力量进行科研,产品质量不断改进,灯珠单价直线下降,目前为止,已成为非常优秀的固态点光源,发光效率远高于普通白炽灯和冷阴极射线管节能灯,甚至高于目前国外正在推广的高频无极灯。理论寿命高达10万小时,实际应用中,在合理的环境条件下,基本达到3万~5万小时。因此,目前多数喷泉公司采用了低压LED灯作为水下灯使用。沿用了传统的方式,将LED水下灯联成一串,通过电控柜直接控制开与关。低压LED灯既可做成交流灯使用,也可做成直流灯,但无论如何,低电压使用起来还是很安全的。如果使用大功率开关电源或其他具备稳压功能的直流电源,还能很好地保护LED水下灯。由于LED灯珠价格的降低,这种方式取代传统的高压灯方式已无悬念。但这种方式仅仅是灯具设备的进步而已,并未改变喷泉的灯光表演方式,灯光依旧是传统的死气沉沉的变换,不能象真正的舞台一样,有无尽的灯光变幻。5)数码灯的兴起,现阶段数字控制技术在喷泉应用中的深入发展,采用数字控制技术改造的喷泉水下灯,进入了推广应用阶段。
数  码  
 
所谓数码灯区别于传统灯的地方就是采用数字控制技术实现灯光控制,也有人俗称电脑灯,如舞台上常用的8通道或18通道电脑灯,都属于数码灯的范畴。究其原因,都是可以通过数字通讯手段对数码灯的各种行为进行控制,丰富了灯光表演的内容,使原来仅仅通过切换不同灯的亮与灭来改变颜色的简单方式,变为可以进行单灯控制、能够让灯光动起来、近似舞台表演的灯光控制方式,这种灯光表演形式在喷泉中的引入,革命性地颠覆了传统的喷泉灯光表演方式。总结起来,在控制上有不少特点:1)可以进行单灯控制,每一盏灯做为一个控制点,可单独调节。2)具备可控改变灯光颜色的能力。一般由三基色组成,可以改变灯光的颜色,特别是,能够实现各种颜色的渐变控制。3)可以进行灯光的亮度调节。4)能够改变灯的光照角度与方向,并且改变速度是可以随意控制的。这些也是大部分电脑灯的基本要求。
需要重点强调的是,将电脑灯控制技术与LED灯制造技术以及喷泉控制技术紧密结合而产生的喷泉专用数码灯,无论从喷泉应用的造价成本,还是控制方式上,都代表了未来的发展方向。首先,他是水下应用的LED灯,防水性能良好,其次采用通讯控制方式,控制三基色LED灯亮度与颜色合成方案,能满足各种颜色变化需求,再者通过喷泉控制技术,在音乐喷泉中,能够按音乐节奏进行灯光表演,与水型的表演同步控制,达到舞台灯光的表演效果。
 
激光在喷泉照明中应用
 
  顺便提一下喷泉中的激光照明问题。激光在喷泉中应用很早,大约在十几年前,国产民用激光发生器质量还不是很过关时,就采用进口激光器在喷泉当中使用了,鉴于成本原因,只不过仅在大型音乐喷泉中使用。激光首先是在水幕上做激光表演,这是音乐喷泉的组成部分,激光秀变为主角,其他各种水型成为激光表演的配角。本文讨论的重点不在激光水幕表演上,而是利用光导纤维进行喷泉照明,专门用于照明的光导纤维在表外而会有部分光透出来,达到照明使用的目的。光导纤维有两种:一种是玻璃制品,另一种是塑料制品。玻璃光纤比较细,在水帘中应用较多,既作为水的导流器件,又作为纤细照明条使用。塑料光纤用于水景的照明,但在音乐喷泉照明中,很少主演灯光使用塑料光纤,因其实时性能太差,光照度不够,没有照度的主次分布,变化方式太少等缺点,一般在静止的境观中使用较多。
 
数码灯的控制
 
数码LED水下灯应用最多的是可调光三通道LED灯,通常是24V直流电源驱动。三通道每一通道代表一种颜色,可同时对三种颜色的混色比例进行调整。象舞台灯光一样,多数采用DMX512通讯协议进行控制,或采用现场总线网络结构进行控制。
基于 TCP/IP协议的网络化灯光控制系统,它能够实现双向传输,状态报告,远程控制,资源共享等,功能较多,许多厂家正在做这方面的事情[2]。喷泉的控制柜和喷泉池子多数情况下相距几百米,网络传输方式有两种,1)同轴电缆或非屏蔽双绞线电信号传输方式,距离太近,一般不能满足喷泉现场通讯要求,况且在有大量电机使用的场所干扰严重,水下通讯更不容易;2)采用光纤通讯方式,需要将光端机置于水下,也不现实。所以网络通讯仅能使用在主控计算机和电控柜之间的通讯,不大可能用于现场水下设备。
现场设备多采用差分电信号通讯模式。如RS422/485、CAN总线或Profibus或Lonworks总线结构。在舞台灯光表演中,DMX512通讯协议不仅技术成熟,而且应用广泛。基于DMX512控制协议进行调光控制的灯光系统叫做数字灯光系统。包括电脑灯在内的各种舞台效果灯、调光控制器、控制台、换色器、电动吊杆等各种舞台灯光设备,以其对 DMX512协议的全面支持,已全面实现调光控制的数字化 [1] 。喷泉控制中采用DMX512通讯协议进行控制。
DMX512信号的传输采用平衡传输差模信号方式,这种方式能有效地抑制干扰。因为干扰信号一般是共模加在信号的正负端上,经差分放大器后。共模信号被相互抵消,滤除了干扰信号,有效地提高系统的抗干扰能力。DMX512信号的电器接口标准为EIA-485[3]
DMX512信号的传输速率为250kb/S,设备之间的连接采用菊花链的形式,每台设备有一个物理地址,一个DMX512输出口可以控制 512个控制通道,DMX512信号的传送距离在使用标准电缆的情况下约300米左右。DMX512通讯的最大缺点是没有校验位,不能实现双向握手通讯,为了保证通讯的可靠性,系统采用不断重发数据帧的方式,抑止通讯出错发生。
DMX512灯的联结方式有并接和串接两种形式。并接方式是指所有DMX设备全部挂接到DMX512总线上,优点是一台设备损坏是不影响其作设备工作,但每个设备地址不同,由于受到电信号驱动扇出系统的影响,按EIA-485标准,每条总线可带32个设备,即使使用如Maxim公司的1/8单元控制技术,每条总线理论带载上界为256台设备。
 
并接方式拓普结构如图1
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图1
 
  串接方式是指DMX512设备上都有一通讯入线和通讯出线,上一设备的通讯出线接下一设备的通讯入线,设备手拉手方式联结。上一设备负责向下一设备传数据,并对通讯信号进行整形放大,每台设备仅驱动自己的下位设备,没有带载能力限制,通讯理论上可无限扩展,并且能够实现设备地址的自动分配,不需要对设备进行分配编号,缺点是同一线路上,一台设备损坏后,其后所有下位设备无法工作。
 
串接设备拓普结构如图2
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图2
 
软 件 设 
 
  数码LED水下灯可以实现单灯控制,对喷泉系统来说,所用灯的数量比喷头还多,这无形中成倍地增加一控制点的数量,这么多的控制点,如若进行一一编程控制,是件十分麻烦的事情,也没有必要。就象其他管理机构一样,需要分级管理,并分别类进行设置,既能满足单独控制需要,又能完成整体配合要求。需要进行以下步骤处理。
1)对设备进行分类管理。一般数码LED水下灯为3通道LED变色灯,每个通道值从0~255,1通道表示红色,2通道表示绿色,3通道表示草蓝色,每盏灯占用DMX512三个字节,表示颜色值。对需要的功能进行枚举分类:颜色合成如黄、绿、红、白、蓝、紫、青等,动作枚举如固定颜色固定亮度、快速渐变色泽、慢速渐变色泽、光强音乐随动等函数进行处理。对于其他DMX512设备,例如18通道电脑灯,也可通过通道枚举方式和函数方式结合的办法进行处理。
2)指定单一DMX512设备的设备类型。将每一个DMX512设备与设备分类一一对应起来。
3)对设备进行分类管理,如哪种水型,包括多少盏灯,在DMX512通讯线上什么位置。
4)对分类后的设备指定表演方式。表演方式是前面设备分类的组合,通过不同的组合方式进行管理分配,完成一定动作的表演方案。
5)对各种表演方式按时间区间进行表演,串接成完整的表演方式。
 
  经过以下五个步骤的工作,使得组态软件对单灯控制,配曲时使用非常容易,只有有限个选择即可。就象一个军队一样,司令官通过军长、师长、团长、连长、排长、班长的分级管理,对单个数码LED水下灯进行功能性分类处理,不能由上层软件直接命令单灯,这样应象司令官直接管理士兵一样,是无法实现的方案。
 
 
未 来 展 
 
  数码LED水下灯在喷泉的应用中才刚刚开始,他能够达到舞台灯光的表达效果。丰富的灯光效果,增进了水型表演的感染力,使用喷泉水型表演更具震撼力,喷泉人造景观的动感效果更为明显,特别是在音乐喷泉的应用中,将音乐、水型与灯光融为一体,更好体现了音律节奏的美感,使人充分享受声、光、电带来的感管刺激、快感,更好满足人们对文化生活不断提高的要求,使喷泉艺术进入崭新的时代。
 
结  
数码LED水下灯进行单灯控制方案可行,实现可靠,技术先进,在喷泉应用中前途一片光明。