基于Arduino和频谱分析的LED音乐课节拍器

摘要：

音乐课上，学习乐器或者唱歌的学生都需要节拍器来练习稳定速度和节奏。而传统的节拍器主要是机械构造，只拥有稳定的速度，发出“嘀嗒嘀嗒”的节拍声。但是，人类最敏锐的感官是视觉，设想如果在音乐课上，在跟唱或者演奏乐器的同时，能够加入稳定而强烈的“光变化”作为辅助，增加多一个层次的感官刺激，也许会更好地提升学生的乐感和节奏感。这就像演唱会上加入灯光效果能增强音乐的表现力一样。因此，本作品使用Processing编程软件对乐曲进行频谱分析，识别出原曲中的鼓点，发送USB串口信号给下位机Arduino，从而控制2个高亮1600万色全彩WS2812B LED灯环跟随节奏变化颜色和多种效果。即通过频谱分析和Arduino单片机，最终实现声光结合的音乐节拍器。本作品还可以根据不同的音乐类型，设计编写不同的LED效果，从而体现个性化。最后，我们使用AutoCAD软件设计作品的外壳，并进行激光切割磨砂亚克力板，从而做到保护电路，并呈现简洁、美观的作品外观的效果。

关键字：Arduino、频谱分析、节拍器

该项目的背景

在一次观看演唱会时，我感受到灯光的光韵以及舞台背后的LED大屏伴随着音乐节拍，产生了十分动感的效果！让我当时不禁想到，如果在音乐课上，在学生学习唱歌或乐器的时候，如果可以有变幻的灯光效果相伴，一定非常有意思、很酷炫！这比跟着传统的机械节拍器有意思多了！这可以给学唱歌、学器乐的小朋友增添乐趣！与此同时，我想到了Arduino是一种非常适合开发这类作品的单片机，于是马上就开始设计这个基于频谱分析、具有LED彩光变化效果的节拍器。

该项目应用了哪些科学方法、科学原理

1、Processing编程，调用了外部的minim库，运用了其中关于FFT（快速傅里叶变换）的一些函数和算法

2、串口通信技术

3、Arduino单片机电路搭建及其编程

4、调用了Arduino的adafruit neopixel库，控制WS2812b灯环变色

5、AutoCAD进行图纸设计，并进行激光切割磨砂亚克力板

该项目的创新点

1、通过Arduino单片机和频谱分析技术，增添了音乐课中关于“节拍”和“速度”的教学手段和方法；

2、增加了音乐课堂的感官刺激和趣味性；

3、本作品也可以作为STEAM创客课程的一个项目活动，在创客教育中融入音乐艺术的成分，这可以同时提高学生的科技素养和艺术感知，以及学生跨学科研究的能力。

项目的使用情况和进一步完善的设想

该项目作品同时受到了音乐老师和上课学生的喜爱，在音乐课上辅助教学，起到了“锦上添花”的效果。

下一步的研究工作是：

1、进一步丰富LED跟随音乐变换的显示效果

2、如何孵化该项目作品，将该作品产品化，并使其价格低廉

3、如何符合工业4.0的理念，做到产品的订制个性化，即生产制造个性化

始发于知乎专栏：牧之