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科学家用声体素操纵3D打印对象的声学属性

发布时间:2020-12-24    来源:亚博官方网站381

亚博网页版_最近,哥伦比亚大学工程和应用科学院的研究人员与迪士尼研究中心和麻省理工学院的科学家一起,开发了一种控制声波的新方法。这种方法需要以计算的方式逆向设计声音过滤器,以适应环境的任何3D形状,并且需要构建所需的声音过滤属性。在该大学计算机科学教授郑昌熙的领导下,该团队设计了一个声光体素,这是一个中空的立方体形状的小空腔,声音可以通过它进出,就像一个模块化系统。

而且声音体素需要像乐高积木一样相互连接,形成一个简单的结构。由于其内部空腔,它们也可以改变结构的声音过滤特性,只需改变体素的数量、大小或连接方式,声音效果就需要改变。过去,人们曾多次尝试通过计算来设计特定的声学产品,比如某一类型的消声器或特定形状的喇叭。

郑昌熙教授说,操纵声波的一般方法还是通过计算来设计腔体形状。我们的算法可以构建噪音消声器、助听器、管乐器等产品的新设计,因为我们可以构建任何我们想要的形状,甚至可以用3D打印机制作一个听起来像小号的玩具河马。据了解,他的团队不会在7月27日的SIGGRAPH2016会议上提交题为《声体素:模块化声音过滤器的计算出来优化(AcousticVoxels:ComputationalOptimizationofModularAcousticFilters)》的论文。

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郑教授补充说:“我们已经清楚地提出了一个非常有趣的新方法用于声音过滤器。我们可以用音体作为声学标签。我们的每台3D打印机都是独一无二的,都有编码信息,相当于二维码字节或者RFID标签,从而以3D打印机的方式关上了编码产品和版权信息的大门。去年,郑教授的团队设计了一种带有3D打印机的计算用的“动物留声机”,这是一种类似于木琴的乐器,但它的按键被做成动物园里动物的形状。

Zoolophone代表了研究团队在振动声控制方面的基础研究成果,它利用了物体的几何形状和其表面被撞击后产生的振动声之间的简单关系。在最近的这项研究中,郑教授的团队明确提出了许多产品的计算方法,以更好地控制声音传播,如汽车消声器和乐器。时至今日,几何复杂度仍然是3D打印机的一个障碍。即使是简单的形状也能产生奇妙的效果。

郑昌熙教授说:那么问题就变成了,能否用简单的形状来提高产品的声学性能?因此,他们明确提出,使用声音体素,这是一种单一的、模块化的声音滤波器形状,可以在数字仿真中用来预测和计算其声音滤波器是不道德的。在此基础上,他们开发了一种新的算法,使得他们需要像乐高积木一样将声学体素组装成简单的结果,从而产生有针对性的声学滤波属性。声学体素的构建也使郑教授的团队找到了一个全新的领域:产生声学标记来唯一识别3D打印机对象,这可以将信息(如版权)嵌入对象的形状中。

独特的声体组合不会产生独特的音响效果。因此,虽然两个对象可能有完全相同的外观,但如果它们有不同的发声方式,它们不会产生几乎不同的声音。研究人员可以记录不同组体素接收到的声音,并使用它们开发一个iPhone应用程序来准确识别每个对象。

研究人员表示,声学标记可能会成为二维码字节和射频识别标签的有益补充,因为后两种技术在生产过程中几乎必须独立于操作员。如果制造商需要在对象中植入标识信息,他们将节省单独标记零件的时间、精力和成本。此外,声学标签还可以对原始版权信息进行编码。 据报道,郑教授目前的体素项目是为了产生可测量的物体来产生声音。

现在,他的团队已经展示了如何将信息和符号映射到对象的声音中,并且需要在生产后单独处理。接下来,他们想利用声学体素技术,通过计算来控制超声波。郑教授说:我们正在研究一些有趣的操纵超声波的可能性,比如隐形。

我们可以使物体变形,传播声音,这样就看不到超声波了。这可能导致新的声纳系统或水下通信系统的设计。这是一个令人兴奋的新领域。

这项研究工作得到了美国国家科学基金会和Adobe公司的支持。。

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