科學家用聲體素操縱3D打印對象的聲學屬性

近日，哥倫比亞大學工程與應(yīng)用科學院的研究人員，與迪斯尼研究中心和麻省理工學院（MIT）的科學家們合作開發(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。
在該校計算機科學教授鄭昌熙的領(lǐng)導下，這個團隊設(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標簽，我們3D打印的每一個都是獨特的，它們里面都有編碼信息，這就相當于QR碼或RFID標簽，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雜關(guān)系。
而在這個最新的研究中，鄭教授的團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打印機的今天，幾何復雜性不再是障礙。再復雜的形狀都可以很輕松地制造出來�！编嵅�熙教授說：“所以問題就變成了，我們可以使用復雜的形狀來提高產(chǎn)品的聲學性能嗎？”

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雜的結(jié)果，以制造出具有針對性的聲學濾波屬性。

聲體素的創(chuàng)造也使得鄭教授的團隊發(fā)現(xiàn)了一個全新的領(lǐng)域：制造聲音標記來唯一地標識一個3D打印對象，這種聲學編碼可以將信息（比如版權(quán)）植入一個對象的形狀當中。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)用程序來準確地標識每個對象。
研究人員們稱，聲學標記有可能成為QR碼和RFID標簽的有益補充，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簽的時間、精力和費用。此外，聲學標簽也可以編碼原創(chuàng)的版權(quán)信息。

據(jù)悉，鄭教授當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，他的團隊已經(jīng)展示了如何將信息和標志嵌入對象的聲音當中，而且無需在制造之后進行單獨處理。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基金會和Adobe公司的部分資助。
（編譯自哥倫比亞大學）
來源：marker8

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