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图片说明：图为科学家们利用优化算法打印出来的动物形状的金属木琴琴键。图片来源：Changxi Zheng/Columbia Engineering

近日，来自哥伦比亚大学、哈佛大学以及麻省理工学院的计算机科学家们开发出了一种计算机新算法，并利用该算法使用3D打印技术打印出了一组动物形状的金属木琴（由一套长方形小木块组成，演奏时以两个木制的小槌在木块上敲击），这种金属木琴每个琴键的音质均可与专业制作的金属木琴相媲美。科学家们由此证明可以利用3D打印技术控制物体的声学特征（包括振动和声音特征）。

由于体鸣乐器（以一定形状的发声物质为声源体，在自由状态下受激发声，无其他媒介振动体。木琴为体鸣乐器之一）复杂的振动模式及其产生的声音都是由乐器的形状决定的，但目前乐器已有的设计形式非常有限，因此想要通过改变乐器的外形来获得一种理想的声频特征并不是一件容易的事。

一直以来，计算机图形学以及计算制造技术领域的科学家们对声音仿真有着浓厚的兴趣。如果能够将这两个学科领域结合起来，便可以利用计算技术和数字化制造技术来控制物体的声学特性，获得复杂几何图形的振动频谱。

然而，计算技术最难的地方在于模拟出能够产生“特定声音”（比如中央C，Middle C，固定唱名为“哆/do”）的最优物体形状。于是，该研究团队利用近两年时间开发出了一种新的快速随机优化计算方法——Latin Complement Sampling。科学家们利用这种优化算法输入几何外形信息以及用户定义的频率和幅度谱，然后利用3D打印技术打印出了各种动物（如狮子、乌龟、大象、长颈鹿等）形状的琴键，并通过形变和穿孔技术自动优化琴键的形状，最终发出了“特定的声音”。

研究人员指出，这种新的优化算法同时优化了物体振动的幅度谱和频率，从而可以全面控制动物琴键的声学特征。该项目综合了计算机图形学、声学模型、机械工程学以及3D打印技术，使得这些动物琴键可自动调谐演奏出与专业体鸣乐器相媲美的音符。

哥伦比亚大学计算机科学学院的Zheng Changxi副教授（该研究团队的主要研究人员）说：“该项技术不仅会为乐器制造领域带来新的启示，也可为发明高压下抑制振动的低噪声计算机风扇以及连接器提供技术性的突破口。另外，对改进微电机共振器的结构也具有非常重要的意义。”

Zheng教授说：“如今，物体的声学设计费时且成本较高，而我们开发出的这种计算机新算法不仅能够改进发声乐器的设计过程，而且可以更好地控制物体的声学特性。该项目无论是在获得理想的声音频谱还是抑制噪声方面都蕴含着巨大的潜力，让我们朝着以全新方法设计物体的方向迈出了第一步。”（科学之家，译审/编辑：AJ Chen）

参考文献

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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