 В создании того, что выглядит, как простой детский музыкальный инструмент - ксилофон с ключами в форме животных из зоопарка - компьютерные ученые из Колумбийского университета, Гарвардского университета, и Массачусетского технологического института показали, что звук может управляться 3D-печатными формами. Они разработали алгоритм для оптимизации и использования вычислительных методов и цифрового изготовления для контроля акустических свойств - как звука, так и вибрации, изменяя форму двумерных и трехмерных объектов.
Их открытие может привести к богатству возможностей, которые выходят далеко за рамки музыкальных инструментов. Новый алгоритм может привести к способам создания менее шумных компьютерных вентиляторов, мостов, которые не усиливают колебания под напряжением, и продвижению строительства микро-электро-механических резонаторов, чьи режимы вибраций имеют большое значение.
Исследователи желают увидеть, могут ли они использовать вычисление и цифровое изготовление для активного управления акустической вибрацией объекта. Моделирование контактных звуков давно интересовало сообщество компьютерной графики, как и вычислительное изготовление. Исследователи надеялись совместить эти две дисциплины и изучить, сколько контроля можно собрать на спектре колебательной частоты сложных геометрий.
Они решил сосредоточиться на упрощение медленного, сложного, ручного процесса проектирования идиофонов, музыкальных инструментов, которые производят звуки через вибрации в самом инструменте. Поскольку вибрации поверхность и возникающие в результате звуки зависят от формы идиофона, проектирование сложной формы для получения желаемых характеристик звука не являлось простой задачей, и их формы были ограничены хорошо понятыми конструкциями, такими как бары, которые настроены с помощью тщательного бурения впадин на нижней стороне инструмента.
Чтобы продемонстрировать свою новую технику, команда остановилась на создании «зоолофона», металлофона с игривыми формами животных (металлофон является идиофоном, сделанным из настроенных металлических стержней, которые могут ударяться при звуке, например, в курантах). Их алгоритм оптимизировал и позволил провести 3D-печать клавиш прибора в форме красочных львов, черепах, слонов, жирафов, и более, моделируя геометрию для достижения желаемого тона и амплитуды каждой детали.
Являясь забавной игрушкой, зоолофон представляет собой фундаментальные исследования в понимании сложных взаимоотношений между геометрией объекта и свойствами его материала, и вибрации и звука, которые он производит при ударе. В то время как предыдущие алгоритмы пытались оптимизировать либо амплитуду (громкость) или частоту, зоолофону требовались одновременно оптимизация и полный контроль его акустических свойств. Создание реалистичных музыкальные звуков требует больше работы в обертонах, вторичные частотах выше, чем основные, которые вносят вклад в тембр, связанной с нотами, проигрываемыми на профессиональном изготавливаемом инструменте.
Поиск самой оптимальной формы, которая производит желаемый звук при ударе, оказался ядром вычислительной сложности: область поиска оптимизации как амплитуды, так и частоты, является огромной. Чтобы увеличить шансы найти наиболее оптимальную форму, исследователи разработали новый быстрый стохастический метод оптимизации, который они назвали латинский дополнением самплинга. Они ввели форму и указанную пользователем частоту и амплитуду спектров, и на основе этой информации оптимизировали форму объектов через деформации и перфорации для произведения желанных звуков. Данный метод превосходит все другие альтернативные методы оптимизации и может быть использован в различных других задачах.
Акустическое оформление объектов в настоящее время является медленным и дорогостоящим. Исследователи желают изучить вычислительные алгоритмы проектирования, чтобы улучшить процесс для лучшего контролирования акустических свойств объекта, чтобы добиться желаемого звучания спектра или уменьшения нежелательного шума.
|
