近日，來自哥倫比亞大學(xué)、哈佛大學(xué)以及麻省理工學(xué)院的計算機(jī)科學(xué)家們開發(fā)出了一種計算機(jī)新算法，并利用該算法使用3D打印技術(shù)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(zhì)均可與專業(yè)制作的金屬木琴相媲美。科學(xué)家們由此證明可以利用3D打印技術(shù)控制物體的聲學(xué)特征(包括振動和聲音特征)。

由于體鳴樂器(以一定形狀的發(fā)聲物質(zhì)為聲源體，在自由狀態(tài)下受激發(fā)聲，無其他媒介振動體。木琴為體鳴樂器之一)復(fù)雜的振動模式及其產(chǎn)生的聲音都是由樂器的形狀決定的，但目前樂器已有的設(shè)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(jī)圖形學(xué)以及計算制造技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家們對聲音仿真有著濃厚的興趣。如果能夠?qū)⑦@兩個學(xué)科領(lǐng)域結(jié)合起來，便可以利用計算技術(shù)和數(shù)字化制造技術(shù)來控制物體的聲學(xué)特性，獲得復(fù)雜幾何圖形的振動頻譜。

然而，計算技術(shù)最難的地方在于模擬出能夠產(chǎn)生“特定聲音”(比如中央C，Middle C，固定唱名為“哆/do”)的最優(yōu)物體形狀。于是，該研究團(tuán)隊利用近兩年時間開發(fā)出了一種新的快速隨機(jī)優(yōu)化計算方法——Latin Complement Sampling?？茖W(xué)家們利用這種優(yōu)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(shù)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(shù)自動優(yōu)化琴鍵的形狀，最終發(fā)出了“特定的聲音”。

研究人員指出，這種新的優(yōu)化算法同時優(yōu)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(xué)特征。該項目綜合了計算機(jī)圖形學(xué)、聲學(xué)模型、機(jī)械工程學(xué)以及3D打印技術(shù)，使得這些動物琴鍵可自動調(diào)諧演奏出與專業(yè)體鳴樂器相媲美的音符。

哥倫比亞大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院的Zheng Changxi副教授(該研究團(tuán)隊的主要研究人員)說：“該項技術(shù)不僅會為樂器制造領(lǐng)域帶來新的啟示，也可為發(fā)明高壓下抑制振動的低噪聲計算機(jī)風(fēng)扇以及連接器提供技術(shù)性的突破口。另外，對改進(jìn)微電機(jī)共振器的結(jié)構(gòu)也具有非常重要的意義。”

Zheng教授說：“如今，物體的聲學(xué)設(shè)計費時且成本較高，而我們開發(fā)出的這種計算機(jī)新算法不僅能夠改進(jìn)發(fā)聲樂器的設(shè)計過程，而且可以更好地控制物體的聲學(xué)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(shè)計物體的方向邁出了第一步。”