描述

描述

我想知道一個發光的樂器在黑暗中會是什么樣子。

為了考慮到照明模式和樂器聲音的某種依賴性，音頻頻譜分析似乎是一種合理的方法。

作為樂器，我選擇了尤克里里，因為有價格合理的 DIY（自己動手）建筑套件，而且我對如何安裝 LED 有一個粗略的想法。

在這里快速瀏覽一下結果：帶有 3 個光學元件的音樂會尤克里里琴（指板上的 2 個 LED 燈條，音孔周圍的 1 個 LED 環）。

更新 1：同時我構建了第二個（更大的）LED Ukulele 并添加了一些燃燒的火焰效果，見下文。

對未來的想法：

• 使用 LED 可以根據來自無線耦合的移動設備的輸入顯示和弦甚至簡單的獨奏線的握持模式。

硬件

尤克里里

這一切都始于購買合適的DIY ukulele 構建套件。以下方面對我來說似乎最重要：

• 指板的“尺寸”。由于 LED PCB 和電線需要一定的安裝空間，所以我選擇了音樂會尤克里里（又名“23 英寸”。長度約為 38 厘米。最常見的尤克里里，女高音尤克里里，對于這個來說肯定太小了一種使用下面描述的電子硬件的項目。）。根據我的“理論研究”，我認為指板的寬度在最小范圍內約為 4 厘米，前 10-12 個品格之間的距離（我想用來顯示音頻頻譜分析的結果）也應該對于最近的品格（即 10、11、12 品格），應為 ~>1 cm。但是，如果我要重復這個項目，我可能會選擇下一個更大的 Ukulele，即 ，因為事實證明 - 可能是由于制造公差和我有限的工具集和工匠技能 - 我無法遵循我最初的計劃。我需要更多的建筑空間來安裝所有 LED PCB 或更小的 LED PCB。（我使用的 LED PCB 的直徑約為 9-10 毫米，高度約為 3 毫米）。

• 更新 1：同時我找到了一個合適的“更大”（即 23" aka 中音 ukelele DIY 套件。但事實證明，指板上端的寬度仍然太窄，無法將 4 個 LED 排成一行。不過它是可以在每個品格 1 到 11 上安裝 4 個 LED。

• 確保您購買了帶有分離的琴頸和指板的 DIY ukulele 構造套件（因為您必須在中間放置 LED PCB）。相對于指板，請確保其厚度（通常為 4 毫米）與您選擇的 LED PCB 相匹配（在我的情況下，LED PCB 高度約為 3 毫米），以便提供足夠的安裝空間。也許獲得 6 毫米厚的指板也是減輕一些制造挑戰的好主意。

• 大多數 DIY 構造套件都帶有相當差的調音釘。那些通常很容易失諧，因此您最終可能會得到一個很好的照明但聽起來很糟糕的尤克里里琴。因此，將合適的調音釘與您的 DIY ukulele 構建套件一起購買可能是個好主意。我說的合適是什么意思？尤克里里琴頭架上的調音釘基本上是直的，而其他的則旋轉 90°（使用蝸輪和小齒輪）。我更喜歡后者。兩種類型都顯示在下面的一張圖片中。注意：根據我的經驗，用于調整主軸箱中的銷釘的孔的直徑沒有標準。所以確保你得到匹配的。我很幸運，因為我家里有一些舊的調音釘，它們很合身。

• 最后但并非最不重要的一點是，您可能還想獲得合適的琴弦，因為某些構造套件附帶的琴弦相當便宜，導致 - 再次 - 頻繁失諧和/或聲音不佳。

電子產品

由于可用空間有限（它是四弦琴，而不是吉他），我選擇了Arduino Nano 。它的內存和速度應該足以進行音頻頻譜分析，并且它與用于控制我連接到 WS2812B 類型條帶的 LED PCB 的 FastLED 庫一起工作。

為了讓 Arduino Nano 發出四弦琴的聲音，我決定使用 Adafruit 的制動板（Adafruit MAX4466 駐極體麥克風），它使用寬帶駐極體麥克風記錄聲音并允許調整增益。因此，可以調整 Arduino 的輸入聲級（因為我不知道 ukulele 身體的聲音分布如何）。此外，包裝足夠小，可以滿足使用 ukulele 的有限建筑空間的要求。Aruino Nano 的 3.3 V 和 GND 之間的 470μF 電容器用于降低 3.3 V 電源線中的噪聲（否則會導致指板中每個 LED 燈條中的第一個兩個 LED 閃爍。只需在面包板測試設置中將其移除即可明白我在說什么。）。

我還添加了一個電位器，可以調節 LED 的亮度。這可能會派上用場，以將 LED 亮度調整到周圍的光線水平。在相當黑暗的房間里，太亮的 LED 可能會令人不安。此外，如果您的電源耗盡或所有 LED 都以最大亮度點亮，電壓可能會下降到導致 Arduino 運行不穩定的水平。

添加了一個簡單的按鈕，以方便選擇不同的閃電模式/操作模式。這可以通過軟件簡單地改變（例如，添加或刪除新的組合）。如果在執行代碼的設置部分期間按下按鈕（實際上只是在為電子設備供電之前按下它）所有 LED 將打開和關閉一次，以提供一種快速檢查 LED 功能/連接到發光二極管。

典型的可用 LED 串（RGB，可單獨尋址）具有等間距的 LED。由于音柱之間的距離不斷變化，這對我的項目來說不是一個有用的方法。我偶然發現了 WS2812b 類型的單個 LED （即 RGB LED，帶板載 WS2811 IC，見下圖），可以像典型的 WS2812B LED 燈串一樣使用 FastLED 庫輕松控制。確保這些 LED PCB 的高度適合您的指板厚度。不幸的是，我無法向賣家提供鏈接，因為他不再提供此類 LED。:-(

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1 / 2 ?使用 WS2812B LED PCB（前視圖，在分離成單個 LED PCB 之前）

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剩下的就是電線、焊料和耐心……（為什么要有耐心？30 個 LED PCB，帶 6 個緊密間隔的焊料連接，每個都結合了有限的工具集和工匠技能……你會自己發現的…… )

制造第1 部分：為尤克里里添加 LED

對我來說最關鍵和不確定的部分是我是否可以制造包含 LED PCB 的指板，所以...

...我首先在指板背面標記 LED PCB 的位置。之后，我在標記位置的中心鉆了一些凹坑，并且足夠深，以便它們可以容納來自/進入指板后側的 LED PCB （在我的情況下約為 3 毫米）。這里更厚的（如上所述的 6 毫米指板）可以讓我選擇為焊料和電線提供一些安裝空間，但是，我只有 4 毫米厚的指板可用。

這時我也不得不意識到，特別是在指板的上部狹窄部分（品格 1 到 5），我無法達到必要的精度來將 4 個 LED PCB 彼此相鄰放置（只有一個品格）。這就是為什么我最終在品格 1 到 5 中只有 2 個 LED PCB，在品位 6 到 10 中只有 4 個 LED PCB（總共 10 + 20 = 30 個 LED PCB）。

接下來，我使用普通的手工藝品膠水將 LED PCB 粘貼到凹坑中。由于 LED PCB 有 6 個焊盤（2x GND、2x VCC、1x Din、1x Dout），我決定了下圖所示的方向。注意數據流向！由于每個 LED PCB 分別有 2 個互連的 GND 和 VCC 焊盤，因此只有 1 個 DataIn 和 1 個 DataOut 焊盤，因此此處 LED PCB 的連接順序/方向/方向很重要。選擇的方向和對齊允許直接連接每個 LED PCB 的 GND 和 VCC。

此外（由于上面提到的事實，我沒有成功在所有音品中安裝 4 個 LED）我將 LED 分成 2 個單獨的光學元件/串。為了節省寶貴的安裝空間，第 2 串 LED 的 GND 和 VCC 直接連接到第 1 串 LED 的適當位置（從而為第 2 串節省了單獨的 VCC 和 GND 線）。

現在必須將帶有 LED PCB 的指板安裝到琴頸上。如果能夠以完美的直線將 LED 與電線連接起來，則可以考慮將電纜銑入頸部的通道。我也嘗試過使用銅帶，但由于拓撲結構的原因，我無法獲得足夠的電接觸。

但是，如下圖所示，在我的情況下，電線連接遠不是直線排列的。此外，雖然凹坑可以很好地容納 LED PCB，但焊料卻伸出了這些凹坑。因此我決定使用一些大約 2 毫米厚的泡沫橡膠（“Moosgummi”）。我使用多用途膠水/手工藝品膠水將泡沫橡膠粘在指板和琴頸之間. 這是最精細的制造步驟之一，因為它是不可逆的。就像如果您只是使用 DIY 構造套件制造四弦琴（不帶任何 LED），您必須以適當的壓力壓縮這個三重堆棧（琴頸、泡沫、指板）一段時間。數字？不知道。傾聽你內心的工匠。如果您需要有關如何將各個部分組合在一起以最終制作出尤克里里琴的信息，還可以查看視頻教程。

我很高興看到在這個具有挑戰性的制造步驟之后我仍然可以控制所有的 LED。關于膠水：我建議在進行上述不可逆制造步驟之前進行一些測試。在我的情況下，木膠沒有起到作用。它沒有粘在橡膠泡沫上。我試過的另一種“辦公桌”膠水沒有粘在脖子上。最后我的妻子想出了合適的膠水。謝謝！還要確保您的膠水既不導電（這可能會使 LED PCB 或電纜的某些部分短路），也沒有可能損壞 LED PCB 的腐蝕性溶劑。起初我擔心泡沫橡膠可能會過多地抑制/抑制尤克里里琴弦的振動，從而導致尤克里里發出無聲的聲音。這不是真的，至少在我的印象中不是這樣（盡管我沒有將它與基于相同的 DIY 構造套件制造的第二個尤克里里琴進行比較，沒有光學元件和/或泡沫橡膠）。

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1 / 2 ?小型尤克里里的有線指板（后視圖）

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完成此操作后，四弦琴其余部分的組裝非常簡單。教程、視頻等可以在 www. 這是我購買 DIY 工具包的地方，它們還鏈接到教程視頻：( https://www.kirstein.de/Konzert-Ukulelen/Classic-Cantabile-UC-240-DIY-Ukulele-Bausatz-Konzert.html?userInput =ukuele&ignoreForCache[]=userInput&queryFromSuggest=true&ignoreForCache[]=queryFromSuggest ）。

我還添加了第三個光學元件：環繞四弦琴音孔的 LED 環。這個 LED 環具有相似的 LED 類型（可能還有 WS2812B，但不再 100% 確定了），因此可以通過與指板上的兩個 LED 條相同的軟件例程進行控制。詳情見下文軟件說明。我的印象是這個 LED 環確實對尤克里里的聲音有影響。這是有道理的，因為弦樂器的聲音——至少在我的理解中——很大程度上受到身體上下部分振動的影響。目前我用雙面膠帶將 LED 環粘在機身上。如果只用例如 4 個螺釘而不是膠帶連接它，也許會改善這種情況。

制造第 2 部分：為尤克里里添加電子和電路

我選擇的安裝位置如下圖所示。我的邊界條件是：

• 修復/錯誤修復硬件的可能性：因此所有組件都由螺釘固定（沒有膠合或夾緊等），以允許拆卸/拆卸。此外，每條電纜僅焊接了一端。另一端使用母跳線連接器連接到 Arduino Nano。

• Arduino 的 USB 連接器應該可以方便地訪問以用于未來的軟件更新。

• “大面積組件”，例如麥克風分線器和 Arduino Nano，應安裝并固定在尤克里里琴體上，不得傾斜（-> 要求使用曲率盡可能小的尤克里里琴體表面。）

• 在彈奏尤克里里時，燈光模式選擇按鈕應易于操作。

• 在使用過程中，電線（例如，到 LED 元件或整個系統的電源的電源和數據）不應位于“移動部件”（即彈奏或撥弦手或將尤克里里琴弦推到指板上的手）所在的位置。

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1 / 3 ?各種元件的安裝位置。

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雖然對于某些元件，安裝孔可以簡單地通過鉆孔來建立，但對于其他部件，必須使用鉆孔和鋸切的組合。

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1 / 2 ?有線 Arduino Nano 正在安裝到位...

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最后說說電源。通常，WS2812B LED 已經在 3.5 和 5 V 之間的相當低的電壓下運行。雖然 3.5 V 對 Arduino 來說太低而無法可靠運行，但超過5.some V 會損壞 LED。由于我想使用可充電電池，我決定使用 4 節 AA 尺寸的可充電鎳氫蓄電池。注意：如果有人放入不可充電電池（通常每個電池提供 1.5 V），電源可能會殺死您的 LED。（我個人非常不喜歡這種情況，因為大部分工作都涉及將 LED 放入指板。對于簡單的保護電路有什么想法嗎？）

關于電流消耗：假設所有 3 個 LED 元件以中等（~0.5）亮度和“半白”（即各種顏色的混合）完全點亮，單個全白點亮 WS2812B LED 消耗 60 mA，電流約為（10 + 20 個 LED) * ( 0.5 x 60 mA) * 0.5 ~ 450 mA 是必需的，可由所選電池供電。提高亮度（使用電位計）會導致功耗顯著增加，有時（我假設）Arduino Nano 運行不穩定（由于電壓降）和“奇怪”或“卡住”的照明模式。

電源將通過一些鉤環緊固件（“Klettverschluss”）連接到尤克里里琴體的背面，以實現真正的移動應用。

這就是硬件。其他任何東西都是軟件。

軟件

在嘗試重現 Antoine Rochebois 項目時，我學到了很多關于 FFT 和 WS2812B LED 控制的知識（https://create.arduino.cc/projecthub/AntoineKia/interactive-led-table-for-50-650b83?ref=platform&ref_id=424_trending___&offset= 84 ) 使用 Arduino Uno。

所以我基本上是把東西插在一起，修改了一些部分，添加了幾行代碼。下面代碼中的注釋應該包含所有必要的解釋。

一般的

對于每個 LED 燈條/環，使用一個單獨的陣列（以便于訪問和編程）。

每個 LED 燈條/環的控制（色調、飽和度和值）由單獨的子程序完成 - 這些子程序僅在相關變量的名稱（陣列名稱、陣列中的 LED 數量等）上有所不同。這可以通過僅使用 1 個子程序/函數來改進，該子程序/函數被稱為 w/適當的參數集。但是，我在編程方面經驗不足，尤其是在將數組移交給函數時。幸運的是，由于 LED 的數量有限，這不是必需的。

設置

在設置例程中，每個 LED 都會點亮一次，以檢查它們是否仍在工作。

主要的

在主要部分，首先收集音頻數據，然后是 FFT。

之后，通過評估電位器設置來確定 LED 亮度。這以及音頻數據收集是在 Arduino 中所謂的 ADC自由運行模式下通過直接訪問微處理器的寄存器來完成的。

接下來，根據按下按鈕的次數確定閃電模式。（如果沒有按下按鈕，則所有光學元件都關閉！）

最后將相應的值寫入 LED 陣列，并通過調用 FastLED.show() 顯示所有內容。

最后的一些評論

雖然我仍然喜歡四弦琴在演奏時不斷變化的照明，但我的印象是這種模式并不是 FFT 的結果。然而，這可能是將音頻頻譜從 20 Hz - 20 kHz 分別映射到僅 2 個（品格 1 到 5）或 4 個（品格 6 到 10）LED 箱的結果。此外，每個 LED 箱的高度非常有限，只有 5 個 LED。另一方面，尤克里里產生的聲音（尤其是在項目特定修改之后）可能是真的，與正弦波相差甚遠，導致寬帶 FFT 響應很難看到播放的低頻或高頻的任何差異。或者，麥克風制動板與四弦琴的剛性機械耦合可能會為預期的音頻輸入增加一些“機械”噪聲/振動/頻率。

盡管如此，我在項目中學到了一些東西，結果仍然讓我滿意。歡迎提出建設性意見和改進建議！

希望您喜歡閱讀本教程，如果您進行類似的項目，它會對您有所幫助

祝你好運，有很多見識，特別有趣！

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