音乐的可视化
——磁性液体的相变物理效应

项目负责人：寿梦杰

项目成员：肖允恒 李佩 王林飞

指导教师：谢磊 廖昌荣

摘要： 磁性液体是一种既可像液体一样流动，又能受磁场控制变化为半固体的智能材料，在磁场作用下瞬间形成固化“山状结构”，这种相变物理效应的科学原理是纳米软磁性颗粒在磁场下的磁化机制，具有科普展品所需的科学性和“科幻性”。本项目所设计的磁性液体音乐演示装置兼具欣赏性、艺术性和趣味性，将磁控相变效应与音乐艺术相结合，实现磁性液体跟随音乐主旋律实时律动的可视化音乐效果。为促进观众互动，演示装置可通过通用接口、麦克风和触摸简谱键盘输入任何音频信号，控制系统实时处理声音信号，并与受控磁场强度实时对应。装置可启发观众对磁场分布（磁力线概念）的理解，增加对磁性液体智能材料的相变物理效应和基本原理的认识，并由音乐可视化提升审美情趣。

一 项目概述

（一）研究背景

当前，我国与发达国家的科普展品水平仍存在较大差距，一些前沿科技与大众之间缺乏生动的知识桥梁。依据中国产业信息网发布的《2017-2020年科技馆行业发展现状调研与市场前景预测报告》，我国科普展馆常设展品缺乏创新，简单模仿、相互雷同的现象十分普遍，大多数科技馆未能达到“年更新率不低于5%”的要求。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。智能材料家族主要包括磁性液体、磁流变液、电流变液、压电材料、形状记忆材料、光导纤维、磁致伸缩材料和智能高分子材料等。针对科普展示效果的要求，后述6种智能材料要么不易产生显著可见的宏观物理变化，或者其物理参数变化过于抽象（不易被观众直观观察和理解），要么产生智能响应的条件苛刻，导致成本高昂、装置复杂。磁性液体是一种既能像液体一样流动，又能受磁场控制表现出半固体性质的智能材料，其智能属性集中体现在它对磁场激励的灵敏响应。在磁场作用下，可以形成类固态的圆锥状结构（又名“山状结构”），具有科普展品所需要的“科学性”和趣味性，而且驱动条件要求不高，成本相对更低。因此，在科普展示效果上磁性液体优于其他智能材料，是进行科普展示的理想选择。

（二）研究现状

目前国内对于磁性液体科普演示装置的研究比较缺乏，少量研究局限于实验或原理性研究。部分科技馆中已经陈列了简单的磁性液体演示装置，用于展示磁力线的分布，然而只有简单的“开—关”演示功能，不够生动有趣，且缺乏互动性。大连大学进行了磁性液体中纳米磁性颗粒空间分布的演示实验研究，另外研究了磁性液体对于非磁性物体的浮起效应。付延庆等利用圆锥螺旋塔对磁性液体的相变现象进行了研究，并据此大致揭示了圆锥螺旋塔上的磁场分布。张卫山等利用激光传感器检测磁性液体在磁场下形成的圆锥结构的凸起高度。

国外对于磁性液体科普演示装置的研究较多，最早可见于1970年罗森斯韦格等科学家提交的一种磁性液体磁场交互装置专利。美国科学家Michael Flynn于2007年研制出一种利用电控永磁铁位置变化使磁性液体随之产生形状变化及空间运动变化的演示装置，当两端的永磁铁移动到某个特殊位置时，磁性液体会产生向上运动的现象。美国Ferrotec公司研发出一种磁性液体演示室。日本艺术家儿玉幸子研究了一种“磁性液体雕塑”，利用特殊设计的磁路产生非均匀直流磁场，进而展现多种形态变化及运动状态变化。日本电气通信大学借助温度传感器和加速度传感器设计了一棵磁性液体“枞树”。

（三）主要内容

1.磁场参数的设计

磁性液体，又名“磁流体”或“磁液”，主要由非导磁性基液、10纳米尺度软磁性颗粒组成。在未施加磁场时，磁性液体为液态，施加磁场时，磁性液体在毫秒级内形成磁链结构，产生从液态到类固态的相变，去掉磁场后，又恢复到原来的状态（即液态）。磁性液体在宏观上形成类固态圆锥状结构（又名“山状结构”），这种从液态到类固态的相变物理效应的科学机制是微观上纳米软磁性颗粒在磁场激励下的磁化机制。相变理论认为：无外加磁场时，磁性颗粒在基体中的分布和运动状态是随机的，迁徙和转动只受热运动的影响。当有外加磁场时，磁性颗粒被磁化，同时受到热运动和磁场的作用，某些粒子相互靠近，变成有序排列。要使磁性液体随磁场发生有效的律动起伏响应，并具有一定的观赏性，对磁场参数的确定十分重要。利用实验室的磁场发生器确定磁性液体能够产生有效律动响应的最小磁场强度，及其与演示区域高度之间的关系。演示装置的磁场由励磁线圈产生，为了产生足够强的磁场，设计了磁路结构，并利用有限元仿真确定了励磁线圈的匝数、电流、磁路参数等。

2.机械系统的设计

机械系统是演示装置的主体部分（又称为演示台），是磁场的产生体，也是观众欣赏磁性液体随音乐律动的载体。演示台主要包括底板、下导磁体、旁路导磁体、上导磁体、上铁芯、绕线槽、磁液池、下铁芯和支撑杆等部分。在工字形绕线槽内绕满励磁线圈，施加激励电流，上铁芯、上导磁体、旁路导磁体、下导磁体和下铁芯构成磁路结构，受控磁场存在于磁液池与上铁芯之间。磁液池中的磁性液体受到磁场作用被磁化，形成圆锥形山状结构，并在磁液池与上铁芯之间律动起伏。为了实现简洁性和美观性，磁液池涂有黑色漆料，其他区域为纯白色极简设计。

3.电路硬件和控制算法的设计

电路硬件系统由主控电路、外围电路及各功能模块组成。主控系统硬件基于STM32芯片，具有很强的扩展能力，外设单元资源丰富，能够达到系统要求的精度和范围。采用嵌入式系统u C/OS-Ⅱ作为操作系统软件，为开源代码。配备一块4.3寸TFT触摸显示屏，用户界面简洁易用，实现与观众的直观互动操作。与系统配套使用的Uc/GUI是Micrium公司推出的通用图形界面系统，专为嵌入式应用设计，为用户提供了交互的上层接口函数，降低了用户灵活应用的难度。系统的软件流程采用任务分配执行方式，按照定时节拍由任务切换完成。从任务的角度可分为底层硬件接口的驱动任务、音乐播放、音阶输入、声响检测、显示和触摸驱动任务等。系统上电之后的入口是 main 函数，需要完成嵌入式系统u C/OS-Ⅱ初始化、硬件外设初始化、建立主任务3项工作。u C/OS-Ⅱ初始化采用系统提供的函数OSInit（）即可完成。主任务目的是初始化u C/OS-Ⅱ时钟节拍，使用统计任务，建立用户任务。建立了4个用户任务，通过任务队列进行任务切换，实现实时操作。

控制系统主要是对音乐信号进行处理，提取音乐信号的主旋律特征值，同时控制电流源输出与音乐特征值相对应的电流值，是决定整个演示装置演示效果的核心技术。演示装置包括三种音乐输入模式，分别为内嵌音乐、用户接口输入和麦克风输入。

二 研究成果

完成了关键控制算法的设计，申请发明专利1项——《磁性液体演示仪及其控制方法》（申请号：201710655895.6），实现对音乐主旋律信号的实时提取和处理，图1为控制算法对某音乐信号的处理效果。

注：（a）内嵌音乐；（b）用户接口输入音乐。

制作完成演示装置1套，实现了预期功能和展示效果，图2为总体设计效果，图3为实物照片，图4为演示效果视频截图，磁性液体随音乐主旋律实时律动起伏（图中为某个高潮旋律时刻），相变的山状结构分布演示了“磁力线”形态。

完成了电路硬件系统的设计和制作，实物照片如图3（a）所示（即控制台）。完成了机械系统的设计和制作，如图5所示。完成了演示装置说明书的编制。

三 创新点

磁性液体音乐演示装置是一种在磁场调控下磁性液体随输入音乐发生律动起伏（相变）的科普演示装置，其科学原理是微观上纳米软磁性颗粒在磁场激励下的磁化机制，可直观地展示智能材料的可控、可逆等一般属性，具备以下三个突出的创新点。

首先，将音乐艺术与磁性液体智能材料相结合，实现了音乐可视化，同时生动有趣地展现了智能材料的相变物理效应和基本原理。“音乐可视化”一般通过计算机多媒体技术实现，即用图像演示音乐的节奏、频谱等信息，而本装置采用直观的物理方法，基于磁性液体毫秒级的快速相变物理效应，实现磁性液体跟随音乐主旋律实时律动的可视化音乐效果。磁性液体结合音乐这一极具欣赏性的艺术，加之奇妙的相变物理现象，满足了科普展示所要求的核心元素。

其次，设计了特殊的控制算法，使磁性液体能够跟随音乐主旋律信号发生动态律动响应。音乐的音频信息非常丰富，但是主旋律才是引起人们心理共鸣的关键特征。音乐喷泉一般是针对音乐频域信息，因而观众很难直观地察觉出音乐喷泉与音乐之间的对应关系，其“音乐可视化”效果并不明显。本装置对音乐时域信息进行特殊加窗分帧处理，有效提取音乐的主旋律特征值序列，并在音乐信号强度与磁场强度之间实现了良好的匹配，相关算法已申请发明专利（申请号：201710655895.6）。

最后，本装置具备丰富的实时互动功能，拓展了演示装置的功能模块，增加了趣味性。观众可将便携音乐播放器（如手机、MP3等）、U盘、SD卡、麦克风、音乐键盘等通用标准接口（USB、AUX、SD卡槽等）输入至演示装置控制台，观众可通过触摸屏和按键便捷操作各功能模式，磁性液体跟随用户输入的音乐信息发生律动响应，有效地强化了观众与演示装置之间的互动性和趣味性，增强了本装置的可玩性和科普展示效果。

四 应用前景

（一）科普展馆的科普展示

磁性液体音乐演示装置可作为一项演示物质磁性现象、物理相变、磁性液体智能材料属性等科学原理的基本科普展示装置，具体在于演示磁场分布和“磁力线”、相变物理效应、音乐可视化等三方面，是具有自主知识产权的科普产品，可广泛地配备至全国各个级别的科普展馆。演示装置能够激发青少年和普通民众对智能材料这一前沿科学与工程领域的兴趣，结合科普视频和展板说明，让其理解磁性液体的磁化效应原理，并了解磁性液体的工程应用领域。

（二）实验教学仪器

磁性液体音乐演示装置具有生动、丰富的互动功能，可被高等院校、中小学作为实验教学仪器，应用于电磁学、智能材料、流体力学等课程。演示装置能够增强学生对智能材料的相变物理效应的直观认识，并理解微观颗粒在磁场中的磁致链化物理效应，有助于对其所学专业课程的导入和深化。

（三）对音乐器材有特殊爱好的高端消费人群

磁性液体音乐演示装置将音乐艺术与磁性液体智能材料相结合，使磁性液体随音乐产生激情澎湃的律动响应，实现了极具欣赏性的音乐可视化效果，满足高端音乐器材“发烧友”对“酷炫”科技产品的需求。

（四）科技企业和高端酒店的空间装饰和公共形象展示

磁性液体音乐演示装置完美结合科学与音乐艺术，其“酷炫科幻”效果，可用于科技公司、高端酒店等进行形象和装饰展示。如将定制的本装置置于大厅，可充实科技企业的科技氛围，营造高端酒店的差异化形象。

参考文献

李德才：《神奇的磁性液体》，科学出版社，2016。

李学慧、李艳琴、刘志升等：《磁性液体纳米磁性颗粒空间分布的演示实验研究》，《实验技术与管理》2008年第4期。

袁青鑫、吴鹏、李学慧等：《磁性液体沉浮演示仪》，《物理实验》2011年第1期。

付延庆、孙峤、李学慧等：《基于纳米磁性液体磁特性的演示试验研究》，《新技术新工艺》2010年第2期。

刘冰、张卫山、张旭等：《基于激光传感器的磁性液体演示仪》，《科技传播》2013年第5期。

《2018-2025年科技馆行业发展现状调研与市场前景预测报告》，中国产业调研网，http：//www.cir.cn/2014-02/KeJiGuanShiChangDiaoYanBaoGao/。

田辺誠.磁性液体を用いたインタラクティブアート〈S pikeTree〉の制作，东京：电气通信大学，2004。

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