超簡單的音樂頻譜可視化器

描述

我想稍微修飾一下我的房間，所以我決定選擇一些基本的 LED 燈條。不僅僅是靜態(tài)地照亮事物，我還想讓燈光能夠?qū)νㄟ^揚(yáng)聲器播放的音樂做出反應(yīng)。具體來說，我的目標(biāo)是制作一個(gè)對(duì)聲音頻率做出反應(yīng)的照明系統(tǒng)。我找不到任何簡單的軟件和硬件指令來做到這一點(diǎn)，所以我們來了！

這個(gè)項(xiàng)目的主要目標(biāo)是簡單。您可以在不到一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)以低于 40 美元的價(jià)格建造它。

第 1 步：零件

該項(xiàng)目可以完全使用來自 Sparkfun 的面包板兼容組件構(gòu)建。查看完整列表的零件部分，但需要注意的一點(diǎn)是，當(dāng)然可以將此處的零件替換為其他零件。

幾乎任何微控制器都可以在這里工作，盡管它至少應(yīng)該和 Arduino Uno (16 MHz ATmega328) 一樣快。響應(yīng)速率的限速步驟是傅立葉變換，因此像基于 Cortex M 系列的微控制器將具有驚人的速度。您還需要弄清楚您選擇的任何微控制器的寄存器設(shè)置，所以我推薦基于 ATmega328 的東西。

任何與 Adafruit 的 NeoPixel 庫兼容的燈條都可以使用。最后，您可能需要兩個(gè)電源（一個(gè)用于燈，一個(gè)用于微控制器）。

第2步：電路

如您所見，電路并不是特別復(fù)雜。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見上圖，但基本連接如下所示：

5V 電源 -> Barrel Jack -> LED Strip Vin

5V 電源 -> Barrel Jack -> LED 燈條接地和微控制器接地

微控制器 5V 輸出 -> 麥克風(fēng)模塊 Vin

微控制器接地 -> 麥克風(fēng)模塊接地

微控制器引腳 2 -> LED 燈條數(shù)據(jù)輸入

微控制器 A0 -> 麥克風(fēng)模塊音頻輸出

注意事項(xiàng)：

連接 LED 燈條：列出的 SparkFun LED 燈條使用紅色、綠色和白色電線。紅色是電源輸入，接地是數(shù)據(jù)輸入，白色是接地。您可以將跳線直接插入母連接器引腳以進(jìn)行連接。確保連接右端 - 有一個(gè)箭頭指示數(shù)據(jù)必須流向哪個(gè)方向。

單獨(dú)的電源：我發(fā)現(xiàn)當(dāng)燈連接到與微控制器相同的電源時(shí)，聲音分析變得非常嘈雜。我將此歸因于導(dǎo)致電壓波動(dòng)的 LED 燈條。出于這個(gè)原因，我建議使用單獨(dú)的電源為您的燈供電。

電平轉(zhuǎn)換音頻輸出：這個(gè) SparkFun 模塊很不錯(cuò)，因?yàn)樗哂蟹糯篼溈孙L(fēng)音頻和將音頻電平集中在電源電壓一半的組件。如果您使用不同的模塊，它可能無法完成這兩項(xiàng)任務(wù)，所以要小心。如果音頻沒有被放大并且電平?jīng)]有改變，你可能不會(huì)有很好的結(jié)果。

使用多個(gè)燈條：當(dāng)然可以將多個(gè) LED 燈條連接在一起。但是，如果您這樣做，請(qǐng)注意您可能需要一個(gè)能夠提供大量電流（3 安培以上）的電源。

第 3 步：軟件

您可以在附件部分和GitHub 上找到該軟件。該軟件需要以下庫，這兩個(gè)庫都可以直接從 Arduino 庫管理器中安裝：

arduinoFFT

Adafruit NeoPixel

關(guān)于該軟件需要注意的一項(xiàng)是采樣。奈奎斯特采樣定理規(guī)定，為了捕獲信號(hào)，您需要對(duì)其采樣速度至少是信號(hào)中變化最快的分量的兩倍。如果我們想要捕獲包含有意義頻率到大約 20 kHz 的音頻信號(hào)，我們需要以大于 40 kHz 的速率進(jìn)行采樣。Arduino 的analogRead 函數(shù)太慢了，所以我們必須操縱一些微控制器寄存器來直接訪問模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)據(jù)。歸功于本教程的寄存器操作代碼。此代碼是特定于設(shè)備的，因此如果您不使用基于 ATmega328 的板，則需要修改這些設(shè)置以在您自己的微控制器上工作。

我們實(shí)際上使用快速傅里葉變換 (FFT) 提取頻率信息。如果將時(shí)域中的 N 個(gè)真實(shí)樣本（即沒有相位信息）的數(shù)組輸入到 FFT 函數(shù)中，您將得到頻域中的 N 個(gè)點(diǎn)的數(shù)組，其中一半是冗余的。由于我們?cè)?40 kHz 左右采樣，因此最大頻率分量將在 20 kHz 左右（根據(jù)上述采樣定理）。我的代碼使用 64 個(gè)樣本，因此我們得到的頻率分辨率為 20000/(64/2) = 625 Hz。

然后我提取最大幅度的頻率分量，并根據(jù)這個(gè)分量的頻率改變光的顏色。我將此頻率映射到 0 到 255 之間的范圍，并按如下方式創(chuàng)建顏色，其中 X 軸是映射頻率，Y 軸是每個(gè)顏色通道的幅度：

最低頻率用綠色表示，最高頻率用紅色表示。其間的頻率以顏色組合表示。我非常喜歡這種可視化，但其他的當(dāng)然是可能的。另一件需要注意的事情是，如果信號(hào)高于某個(gè)音量，我只會(huì)顯示顏色。如果不是，則條帶將顯示暗白色。我發(fā)現(xiàn)當(dāng)沒有音樂播放時(shí)燈光閃爍很煩人。您可以相應(yīng)地調(diào)整 sound_thresh 變量。

要調(diào)整的事情：

變量 loop_num 是 FFT 將一起計(jì)算和平均的次數(shù)。如果你發(fā)現(xiàn)你的燈太緊張，增加這個(gè)數(shù)字！

變量 sound_thresh 是燈光開始改變顏色的聲音閾值。如果您發(fā)現(xiàn)音樂需要非常響亮才能讓燈光開始做出反應(yīng)，您可以降低此數(shù)字，或者如果您不希望燈光閃爍，則可以增加此數(shù)字。

變量樣本是傅里葉變換的輸入向量的大小。試著玩弄這個(gè)數(shù)字，但要保持它的 2 次方。

編譯代碼并將其上傳到您的微控制器，您應(yīng)該一切就緒！

第 4 步：安裝和后續(xù)步驟

基本上就是這樣——如果你正確連接了所有東西，你現(xiàn)在就有了一個(gè)功能強(qiáng)大的音樂可視化器。安裝應(yīng)該很簡單 - 只需選擇一個(gè)可以使用電源插座的位置。大多數(shù)條帶都有背膠，因此您幾乎可以將它們粘貼在任何地方。顯然，您可以做很多事情來修改這個(gè)項(xiàng)目。這里有一些想法：

改變顏色：如果你不喜歡我的顏色選擇，你可以改變這個(gè)軟件來創(chuàng)建你自己的！

使用音量而不是頻率：SparkFun 聲音檢測器模塊還有一個(gè)稱為“ENVELOPE”的引腳，它是聲音整體音量的量度。您可以使用analogRead 對(duì)該引腳進(jìn)行采樣，刪除FFT 代碼，然后根據(jù)聲級(jí)修改顏色。

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