用3D打印技術將聲音打印出來
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圖片說明：圖為科學家們利用優化算法打印出來的動物形狀的金屬木琴琴鍵。圖片來源：Changxi Zheng/Columbia Engineering
近日，來自哥倫比亞大學、哈佛大學以及麻省理工學院的計算機科學家們開發出了一種計算機新算法，并利用該算法使用3D打印技術打印出了一組動物形狀的金屬木琴（由一套長方形小木塊組成，演奏時以兩個木制的小槌在木塊上敲擊），這種金屬木琴每個琴鍵的音質均可與專業制作的金屬木琴相媲美。科學家們由此證明可以利用3D打印技術控制物體的聲學特征（包括振動和聲音特征）。
由于體鳴樂器（以一定形狀的發聲物質為聲源體，在自由狀態下受激發聲，無其他媒介振動體。木琴為體鳴樂器之一）復雜的振動模式及其產生的聲音都是由樂器的形狀決定的，但目前樂器已有的設計形式非常有限，因此想要通過改變樂器的外形來獲得一種理想的聲頻特征并不是一件容易的事。
一直以來，計算機圖形學以及計算制造技術領域的科學家們對聲音仿真有著濃厚的興趣。如果能夠將這兩個學科領域結合起來，便可以利用計算技術和數字化制造技術來控制物體的聲學特性，獲得復雜幾何圖形的振動頻譜。
然而，計算技術最難的地方在于模擬出能夠產生“特定聲音”（比如中央C，Middle C，固定唱名為“哆/do”）的最優物體形狀。于是，該研究團隊利用近兩年時間開發出了一種新的快速隨機優化計算方法——Latin Complement Sampling。科學家們利用這種優化算法輸入幾何外形信息以及用戶定義的頻率和幅度譜，然后利用3D打印技術打印出了各種動物（如獅子、烏龜、大象、長頸鹿等）形狀的琴鍵，并通過形變和穿孔技術自動優化琴鍵的形狀，最終發出了“特定的聲音”。
研究人員指出，這種新的優化算法同時優化了物體振動的幅度譜和頻率，從而可以全面控制動物琴鍵的聲學特征。該項目綜合了計算機圖形學、聲學模型、機械工程學以及3D打印技術，使得這些動物琴鍵可自動調諧演奏出與專業體鳴樂器相媲美的音符。
哥倫比亞大學計算機科學學院的Zheng Changxi副教授（該研究團隊的主要研究人員）說：“該項技術不僅會為樂器制造領域帶來新的啟示，也可為發明高壓下抑制振動的低噪聲計算機風扇以及連接器提供技術性的突破口。另外，對改進微電機共振器的結構也具有非常重要的意義。”
Zheng教授說：“如今，物體的聲學設計費時且成本較高，而我們開發出的這種計算機新算法不僅能夠改進發聲樂器的設計過程，而且可以更好地控制物體的聲學特性。該項目無論是在獲得理想的聲音頻譜還是抑制噪聲方面都蘊含著巨大的潛力，讓我們朝著以全新方法設計物體的方向邁出了第一步。”（科學之家，譯審/編輯：AJ Chen）
參考文獻
Columbia University School of Engineering and Applied Science. "Algorithm to 3-D print vibrational sounds: Change the shape, change the sound." ScienceDaily. ScienceDaily, 29 October 2015. .
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(責任編輯：admin)
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