科學(xué)家用聲體素操縱3D打印對象的聲學(xué)屬性

近日，哥倫比亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)院的研究人員，與迪斯尼研究中心和麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們合作開發(fā)了一種控制聲波的新方法，這種方法能夠以計算的方式，逆向設(shè)計聲音濾波器以適應(yīng)任何3D形狀，并能夠?qū)崿F(xiàn)所需的聲音濾波屬性。
在該校計算機(jī)科學(xué)教授鄭昌熙的領(lǐng)導(dǎo)下，這個團(tuán)隊設(shè)計出了聲體素（acoustic voxel），這是一種尺寸很小的空心、立方體形狀的腔體，聲音可以通過它進(jìn)出，就像一個模塊化的系統(tǒng)。而且這種聲體素還能夠像樂高積木那樣相互連接形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。由于其內(nèi)部的空腔，他們還可以修改結(jié)構(gòu)的聲音濾波屬性——只需改變體素的數(shù)量、大小或者連接方式就能夠改變聲音效果。

“在過去，人們也曾經(jīng)探索過通過計算來設(shè)計特定的聲學(xué)產(chǎn)品，比如某一類型的消聲器或特定形狀的小號等�！编嵅�熙教授說，“操縱聲波的一般做法一直是通過計算設(shè)計空腔形狀。而我們的算法可以實現(xiàn)噪聲消聲器、助聽器、管樂器等產(chǎn)品的全新設(shè)計——因為我們可以實現(xiàn)自己想要的任何形狀，甚至可以讓一個3D打印的玩具河馬聽起來像一個小號�！�

他的團(tuán)隊將會在7月27日的SIGGRAPH 2016會議上提交題目為《聲體素：模塊化聲音過濾器的計算優(yōu)化（Acoustic Voxels: Computational Optimization of Modular Acoustic Filters）》的論文。
鄭教授補充說：“我們還提出了一種非常有趣的新方式來使用聲音過濾器——我們可以用聲體素來作為聲學(xué)標(biāo)簽，我們3D打印的每一個都是獨特的，它們里面都有編碼信息，這就相當(dāng)于QR碼或RFID標(biāo)簽，從而為以3D打印的方式編碼產(chǎn)品和版權(quán)信息打開了大門�！�、

去年，鄭教授的團(tuán)隊就使用計算的方式設(shè)計和3D打印了一個Zoolophone，這是一個木琴類的樂器但是其琴鍵被制造成了動物園里動物的形狀。Zoolophone代表了研究團(tuán)隊在振動聲音控制方面的基礎(chǔ)研究成果，它利用了對象的幾何形狀與其表面被擊打后產(chǎn)生的振動聲音之間的復(fù)雜關(guān)系。
而在這個最新的研究中，鄭教授的團(tuán)隊又提出了一種計算的方法以便于許多產(chǎn)品更好地操縱聲音傳播，比如汽車消聲器和樂器等。
“在使用3D打印機(jī)的今天，幾何復(fù)雜性不再是障礙。再復(fù)雜的形狀都可以很輕松地制造出來。”鄭昌熙教授說：“所以問題就變成了，我們可以使用復(fù)雜的形狀來提高產(chǎn)品的聲學(xué)性能嗎？”

于是，他們提出了利用聲體素——這是一種單一、模塊化的聲濾波器形狀，可以使用數(shù)字模擬來預(yù)計算其聲音過濾行為。在此基礎(chǔ)上，他們開發(fā)了一種新的算法，這種算法使得他們能夠像組裝樂高積木那樣把裝聲體素組裝成復(fù)雜的結(jié)果，以制造出具有針對性的聲學(xué)濾波屬性。

聲體素的創(chuàng)造也使得鄭教授的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一個全新的領(lǐng)域：制造聲音標(biāo)記來唯一地標(biāo)識一個3D打印對象，這種聲學(xué)編碼可以將信息（比如版權(quán)）植入一個對象的形狀當(dāng)中。獨特的聲體素組合方式會產(chǎn)生獨特的聲波簽名。所以兩個對象盡管可能具有相同的外觀，但如果它們內(nèi)部聲體素組合的方式不同的話，也會產(chǎn)生完全不同的聲音。研究人員可以記錄不同聲體素組合發(fā)出的聲音，并使用自己開發(fā)的一個iPhone應(yīng)用程序來準(zhǔn)確地標(biāo)識每個對象。
研究人員們稱，聲學(xué)標(biāo)記有可能成為QR碼和RFID標(biāo)簽的有益補充，因為后邊兩個技術(shù)需要完全獨立于制造過程的操作。如果制造商能夠直接將ID信息植入對象內(nèi)部，他們將節(jié)省出單獨對部件貼標(biāo)簽的時間、精力和費用。此外，聲學(xué)標(biāo)簽也可以編碼原創(chuàng)的版權(quán)信息。

據(jù)悉，鄭教授當(dāng)前的這個聲體素項目是為了制造出可度量的制造聲音的對象，而如今，他的團(tuán)隊已經(jīng)展示了如何將信息和標(biāo)志嵌入對象的聲音當(dāng)中，而且無需在制造之后進(jìn)行單獨處理。下一步，他們打算將聲體素技術(shù)用于通過計算控制超聲波。鄭教授說：“我們正在研究操縱超聲波的一些有趣的可能性，比如隱形，我們可以使對象扭曲聲音的傳播使得超聲波無從探測。這可能導(dǎo)致新的聲納系統(tǒng)或水下通信系統(tǒng)的設(shè)計。這是一個令人興奮的新領(lǐng)域�！�

這項研究工作得到了美國國家科學(xué)基金會和Adobe公司的部分資助。
（編譯自哥倫比亞大學(xué)）
來源：marker8

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