音频输入信号驱动的火焰显示系统
技术领域
本申请涉及一种火焰显示系统。
背景技术
火焰通常用于装饰或娱乐效果，例如火坑或戏剧表演。有时，可以结合音乐或其它输入触发火焰爆燃。例如，在美国专利No.5,890,485；6,413,079；和8,823,714(Thielvoldt)中公开了示例。Thielvoldt的“Music-Reactive Fire Display”利用数字信号处理器，该数字信号处理器被编程以分析音乐输入信号并生成“可视化信号”输出以响应于音乐来控制火焰显示。这种类型的系统需要相对昂贵且复杂的数字组件和软件。仍然需要更简单、更便宜但有效的方法和电路以响应于音乐来控制火焰显示，使得音乐和火焰显示一起形成有吸引力且引人注目的视听体验。以下公开内容解决了这种和其它问题。
实用新型内容
以下是本申请的概述，以便提供对本申请的一些方面的基本理解。本实用新型内容无意确定本申请的关键/重要要素或描绘本申请的范围。其唯一目的是以简化的形式给出本申请的一些构思，以作为稍后给出的更详细描述的前序。
在一方面中，根据本申请的一种音频输入信号驱动的火焰显示系统，其中，所述系统包括：基本单元，所述基本单元包括模拟基本单元控制器电路，所述模拟基本单元控制器电路被设置成接收音频输入信号并响应于所述音频输入信号生成模拟控制信号；其中所述模拟基本单元控制器电路包括：输入部分，所述输入部分用于接收所述音频输入信号；全波整流器电路，所述全波整流器电路联接至所述输入部分以对所述音频输入信号进行整流以形成整流信号；低通滤波器电路，所述低通滤波器电路联接至所述全波整流器电路，以对所述整流信号进行滤波以形成临时信号，所述低通滤波器具有基于比例阀的响应特性选择的滚降频率；和电流加法器电路，所述电流加法器电路用于使所述临时信号与预定的DC偏移电压组合以形成所述模拟控制信号，以便在操作期间设置所述比例阀中的最小驱动电流；控制线，所述控制线能够连接到所述基本单元以分发所述模拟控制信号；和火焰显示单元，所述火焰显示单元能够电连接到所述控制线，以接收所述模拟控制信号；所述火焰显示单元包括可燃燃料源以生成明火；并且所述火焰显示单元包括所述比例阀，以控制来自所述燃料源的燃料流量，以便在所述火焰显示单元的操作期间响应于所述模拟控制信号可控地改变所述明火的高度。
在一些实施例中，所述火焰显示单元包括火焰控制电路，所述火焰控制电路被设置成接收所述模拟控制信号并生成模拟阀位置信号；并且所述火焰控制电路被联接成利用所述模拟阀位置信号在操作期间控制所述比例阀中的电流，由此响应于所述音频输入信号产生主动火焰表演。
在一些实施例中，所述火焰控制电路被设置成在接收所述模拟控制信号的同时使所述控制线呈现高阻抗，以便最小化所述模拟控制信号的加载，从而使得联接至所述控制线的多个火焰显示单元能够操作，以提供在操作期间都响应于所述模拟控制信号同步改变的多个明火。
在一些实施例中，所述火焰显示单元还包括：点火器，所述点火器用于点燃可燃燃料，其中所述点火器能够由所述火焰控制电路的点火输出信号激活；和火焰检测元件，所述火焰检测元件被设置成检测所述明火的存在。
在一些实施例中，所述控制线至少包括用于传输所述模拟控制信号的第一导体和用于向所述火焰显示单元供电的第二导体。
在一些实施例中，所述火焰显示单元还包括可充电电池，以向所述火焰控制电路供电。
在一些实施例中，所述火焰控制电路包括功率MOSFET半导体器件，所述功率MOSFET半导体器件联接至所述比例阀以响应于所述模拟控制信号控制阀电流。
在一些实施例中，所述火焰控制电路包括电流反馈闭环控制电路，以用于控制所述比例阀的电流。
在另一方面，根据本申请的另一种音频输入信号驱动的火焰显示系统，其中，所述系统包括：基本单元，所述基本单元包括模拟基本单元控制器电路，所述模拟基本单元控制器电路被设置成接收音频输入信号并响应于所述音频输入信号生成模拟控制信号；无线发射器，所述无线发射器被设置成基于所述模拟控制信号发射无线控制信号；和火焰显示单元，所述火焰显示单元包括接收器，以接收所述无线控制信号并从所述无线控制信号重新获得所述模拟控制信号；所述火焰显示单元包括可燃燃料源以生成明火；并且所述火焰显示单元包括比例阀，所述比例阀被设置成控制来自所述燃料源的燃料流量，以便在所述火焰显示单元操作期间响应于所述模拟控制信号可控地改变所述明火的高度。
在一些实施例中，所述火焰显示单元包括火焰控制电路，所述火焰控制电路被设置成从所述接收器接收所述模拟控制信号并生成模拟阀位置信号；并且所述火焰控制电路被联接成利用所述模拟阀位置信号以在操作期间控制所述比例阀中的电流，由此响应于所述音频输入信号产生主动火焰表演。
在一些实施例中，所述火焰显示单元联接至低压DC源以向所述火焰显示单元供电。
在一些实施例中，所述系统包括电源，以将所述低压DC源提供给多个火焰显示单元。
在一些实施例中，所述火焰显示单元具有类似于提基火炬的外观。
从以下参考示意性附图描述的优选实施例的详细描述中，本申请的其它方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是音频信号驱动的火焰显示系统的示例的简化图。
图2是可与图1中所示类型的火焰显示系统兼容的火焰显示单元的示例的简化图。
图3是更详细地示出图2中所示类型的火焰显示单元的放大图。
图4是示出用于将火焰显示单元电连接到火焰显示系统控制线的连接器的示例的横截面图。
图5A-5C一起形成在图1中所示类型的火焰显示系统中使用的示例性基本单元控制电路的示意图。
图6是利用控制信号无线播送的音频信号驱动的火焰显示系统的替代性实施例的简化图。
具体实施方式
图1是用于实现音频输入信号驱动的火焰显示表演的系统100的示例的简化框图。在该示例中，基本单元102可用于控制一个或多个单独的火焰显示单元，诸如单元110a、110b和110e。火焰显示单元可以基本相同，但它们不必如此。各个火焰显示单元110可具有不同的尺寸、材料、火焰特性、燃料，以及机械设计、支撑或安装系统，和/或装饰性表面饰品。在一些情况下，一个或多个火焰显示单元可被设计和装饰成类似于“提基(tiki)火炬”，使人联想到历史上在提基文化中使用的竹火炬。每个火焰显示单元都可连接到共同的火焰显示系统控制线104。
基本单元102可具有外部电源(未示出)以在106处提供功率输入。功率需求将取决于基本单元102的具体设计。基本单元102可以连接到电源，或者它可以包含可充电电池，例如，镍镉(NiCad)电池、镍-金属氢化物(NiMH) 电池、铅酸电池、锂离子电池、锂聚合物电池等。电源优选地为低压DC电源，例如，12伏。
基本单元102可包含音频节目(内容)源，诸如CD播放器、用于流式传输的因特网连接的浏览器、麦克风等。在其它实施例中，它可以提供连接 108以从诸如音频娱乐系统、智能手机等的外部音频源接收音频信号。音频信号的来源不受限制。
基本单元102包含基本单元控制器电路，下面将更详细地描述。简而言之，基本单元中的控制器电路接收音频输入信号(来自任何源)并响应于音频输入信号生成控制信号。控制信号具体地适用于控制火焰显示单元中的火焰显示。基本单元将控制信号施加到控制线或电缆104，控制线或电缆104 又将控制信号传送到所有火焰显示单元110，火焰显示单元110联接到控制线104以接收控制信号。对于室外使用，例如在花园中，控制线104应具有基本上不透风雨的保护性覆盖物或涂层(图4中的402)。控制线104应具有至少两个电导体(并且还可具有单独的接地或屏蔽连接)。在操作中，基本单元提供公共控制信号，使得通过控制线104连接到其上的一个或多个火焰显示单元能够以同步方式响应于同一音频输入信号产生单独的火焰显示。每个火焰显示单元都可以具有连接线220a、220b等，其联接到连接器305 或350，以将单独的火焰显示单元连接到公共控制线104。下面参考图4更详细地描述这种连接。
图2是示例性火焰显示单元的构思图。所示的显示单元可以在图1的系统的情景下用作火焰显示单元110a-110e之一。在一个实施例中，火焰显示单元可包括刚性安装杆206，以将显示单元临时安置到草皮或草地214等中。替代物可包括刚性基座(未示出)，其被布置成支撑显示单元，例如，将其支撑在诸如砖、铺路砖或混凝土平面的硬表面上。可以使用各种临时或永久的安装和支撑系统。设计并不重要，它只需要提供坚固的支撑，以便火焰显示单元保持直立。
火焰显示单元包括可牢固地安装到支撑杆206的火炬部分204，以将火炬部分保持直立。可以在杆或其它支撑结构中设置孔，以容纳从火炬部分204 延伸的连接线220，以连接到上面讨论的公共控制线104。在支撑杆206内部布设连接线220是可选的但是优选的。在操作中，火焰显示单元200产生从火炬单元204延伸的火焰210，其中火焰尺寸或高度响应于由基本单元102 (图1)施加在控制线104上的控制信号而变化。
图3更详细地示出了示例性火焰显示单元。这里，火焰显示单元具有刚性外壳204，其可安装到直立支撑件206上(其可一体地形成)。火焰显示单元包括控制器或控制电路320，其可以通过连接线220连接到诸如图1中的102的基本单元。下面关于图6描述无线的替代性方案。优选地是可再填充的燃料箱322设置在火焰显示单元中以提供燃料，从而在操作期间产生火焰210。燃料箱322通过阀312联接到燃烧器318，在燃烧器318中，可变火焰在操作期间通过火焰显示单元顶部的开口孔发出。控制电路可提供多个特征。它可以联接到火焰检测传感器314，例如热电偶。当传感器314没有检测到火焰时，控制电路可以关闭阀312。在正常操作期间，控制电路320控制阀312以响应于模拟控制信号改变燃料流量，因而改变火焰高度，如下面更详细地描述。在一些实施例中，控制器320还可以联接到位于燃烧器318附近的点火器308，以点燃火焰从而开始操作。在一些实施例中，还可以设置按钮316以实现点火器的手动致动。
图4更详细地示出了用于将每个火焰显示单元连接到公共控制线104的一种布置结构。每个火焰显示单元都可具有优选地以可移除方式连接到公共控制线104的线220，例如，使用连接器组件305。以这种方式，可以在系统中添加或移除单独的火焰显示单元。控制线104通过连接器350实现电连续，使得无论可连接或断开的火焰显示单元的数量如何，它都传输信号。可以使用插头(未示出)，其中火焰显示单元不连接到组件，以保护其免受元件的影响。控制线104包括至少两个导体(如图所示)，但是它在各种布置结构中可具有更多导体。在一些情况下，控制线104可仅携带火焰显示模拟控制信号。在其它示例中，它还可以携带诸如DC信号的电源信号。在不同的布置结构中，如图6中所示，控制线仅用于电源；控制信号是无线播送的。
在图5A-5C的示意图中，基本单元控制器电路旨在响应于音乐或其它音频输入而脉动/调节一个或多个火焰显示单元中的火焰高度。控制器电路优选地使用高速比例阀控制丙烷气体或其它合适燃料的流量以产生主动火焰表演。该电路被设计成用于跟踪声源的滤波外部包络。通过打开和关闭燃气阀来改变火焰高度。图1的系统扩展了控制系统以利用多个火焰显示单元—全部由单个控制器电路控制，如上面关于图1-4所述。
更详细地，对于控制器电路，选择设计方法以通过电流反馈闭环控制生成线性输出模拟阀位置信号。该设计控制阀电流，而不是阀电压。打开/关闭动作基于包络形状的斜率或变化率。因此，该设计无需专门提取或分析音频信号的频率内容。
在一些实施例中，其构思是拾取音频输入信号，对其进行全波整流，对信号进行低通滤波，以限制燃气阀响应特性的改变。滤波信号的斜率被确定为正(+/上)或负(-/下)。如果是“上”则打开阀，如果是“下”则关闭阀。这种上/下电压可以与电流加法器电路中的DC偏移电压组合。这种偏移可用于设置最小阀驱动电流。优选地，该信号既设置指示灯功能又使阀处于最大驱动范围。所选阀的大部分流量容量应在其工作电流范围的上半部分。在一个优选实施例中，阀可以是美国Kelly Pneumatics公司市售的型号 KPI-VPM-10-90-01。
优选地，电路设计完全是模拟的，例如，使用运算放大器；它不包含任何微处理器或数字集成电路。音频源连接可采用商用蓝牙无线电/音频源模块，其中放大器的输出来自蓝牙模块。替代性地，可以使用有线或无线的各种音频内容源。可以使用“流式”音频源，例如，计算机、智能手机、平板电脑等。在其它示例中，音频源内容可以本地存储而不需要流式传输。取决于音频源，可以缩放或以它他方式修改音频信号。
在实施例中，输入(电源)电压可以是例如12-15伏DC。设备输出可以是左右立体声通道。可存在用于安全联锁的火焰检测截止电路。优选地，该电路是用于检测热电偶电压输出的基于滞后的运算放大器电路。根据热电偶的类型，存在可变电阻器以设置检测电压。热电偶火焰检测的失败将从内部继电器中移除控制电压，从而打开阀门驱动电路。
在实施例中，该设计具有内部可设置控制器，以为燃气阀提供最小的驱动电流。该控制器用于提供最小的DC电流，以保持火焰的指示灯功能。控制主动火焰的同一阀也是指示灯阀。
参考图5A-5C，其中示出了控制电路的一个示例性实施例。具体部件及其值并非是一般情况的临界值或限制；它们仅表示一个实施例。首先参考图 5A，在左侧，输入插孔J1、J2可以用于音频输入信号，或存在插头插口P1，例如用于蓝牙音频线。运算放大器AMP-1提供AC放大器DC隔离。AMP-2 实现了全波整流器，其细节众所周知。图5A还示出了内部电源部分，参见 U5，包括开关电容器电压转换器，以提供(-)负-10V电源电压。电压调节器U7、U8和相关部件也提供电压供应。在测试点W3处，全波整流信号被传输到图5B。
现在参考图5B，低通滤波器电路可包括运算放大器U2A和相关的无源部件，如图所示。在一个示例中，运算放大器可以是LM258系列IC等(被设计成从单电源或分离电源操作的独立、高增益、频率补偿运算放大器集成对)。低通滤波器优选地可以具有500Hz或其附近的特征频率；确切的频率并不重要。应根据与比例阀的速度的兼容性来选择频率。
包括RV1的斜率零偏移求和电路使信号电压偏移，然后将其输入到包括另一个运算放大器U3A和相关部件的微分器斜率检测器电路，从而在测试点 W4处生成结果信号。在一些实施例中，视需要，可以使用斜率偏移电路，如在运算放大器U3B的反相输入处所示，其包括围绕电位计RV4的电阻器网络。放大器U3B(测试点W5)的输出可以联合到如图所示的冲击和衰减调节电路，例如，以在测试点W6处生成信号，测试点W6又经由D7联接到电阻网络。在这里该图续接图5C。
现在参考图5C，来自图5B的信号对被联接到放大器电路U6A的输入端，然后联接到U4B以建立阀电流。电位计RV7可被布置成设置阀电流。放大器U6B被布置成控制半导体器件，例如在一个示例中的MOSFET IRFM120ATF，其是Fairchild Instruments公司(现在是安森美半导体公司的一部分)市售的功率MOSFET。以这种方式，从放大器U6B输出的模拟信号控制MOSFET中的电流，MOSFET又控制阀(未示出)中的电流，阀具有可在QC7-QC8处连接的阀线圈。如上所述，该构思是拾取音频输入信号 (图5A)，对其进行全波整流，并对信号进行低通滤波，以限制燃气阀响应特性的变化。滤波信号的斜率被确定为正(+/上)或负(-/下)。如果是“上”则打开阀，如果是“下”则关闭阀。该上/下电压与电流加法器电路中的DC 偏移电压组合。这种偏移被用于设置最小的阀驱动电流。这样既设置了指示灯功能又使阀置于最大驱动范围内。可以选择阀使其大部分流量容量处于其工作电流范围的上半部分。
在一些实施例中，图5A-5C的控制电路可被布设在诸如图1中的102的控制器中。例如，从放大器U6B输出的模拟控制信号可以联接到诸如图1中所示的系统中的多个火焰显示单元，其中模拟控制信号通过控制线104分发。在这些应用中，每个火焰显示单元110都可以通过相应的连接线220接收模拟控制信号。在每个单元中，参考图3，模拟控制信号都被输入到本地控制电路320，以基于控制信号控制本地阀。
图6示出了系统600，其中使用基本单元602控制多个火焰显示单元610。每个火焰显示单元610都包括相应的天线612，以使用任何已知的短程无线技术接收由基本单元602播送的无线控制信号。无线控制信号将模拟控制信号编码或传送到火焰显示单元，其中每个火焰显示单元都使用它来控制相应的阀门。在一些实施例中，低压电源630可用于经由控制线604向火焰显示单元供应DC功率。
分布式系统
图1的系统示出了联接到多个火焰显示单元110a-110e的基本单元102。在这种类型的布置结构中，图5A-5C的控制电路的功能可以部分地“分布”到各个火焰显示单元。具体地，在实施例中，可以基于图5C中的运算放大器U6B输出的信号生成模拟控制信号。这是控制MOSFET器件的栅极的信号。MOSFET器件和相关电路可以是分布式的，因为系统中的每个火焰显示单元都具有其自己的燃料阀和控制阀的电路(诸如MOSFET)。
以上关于图3描述了一个示例。更详细地，设置在每个火焰显示单元中的(本地)控制器320从基本单元(经由220和104)接收模拟控制信号。模拟控制信号是基于在图5C中的运算放大器U6B输出的信号或是功能等效的信号。在各种应用中，信号电压、电流等可以不同地设置，只要模拟信号响应于基本单元控制器处的音频输入信号传输用于动态火焰控制的信息。
在一些实施例中，半导体电路(未示出)可被布置在基本单元中，以通过分布式控制线104驱动模拟控制信号。可以使用高增益电路(例如，达灵顿电路)以进行快速操作。在接收侧，火焰显示单元控制电路320联接到控制线104以接收模拟控制信号。控制电路可具有高阻抗输入级以接收电压而不加载公共线。例如，可以使用运算放大器电路来驱动MOSFET的栅极，如图5C所示。在一些实施例中，作为代替可以在每个单独的火焰显示单元控制电路中设置图5中所示的其它阀控制电路。在图3的描述中给出了一些示例。通常，火焰控制和安全电路可以被布置在每个单独的火焰显示单元中。基本单元的作用可限于响应于音频输入生成和分发模拟控制信号。
在其它实施例中，反馈信号可由火焰显示单元生成并被发送至基本单元，例如熄火或低燃料警报。
