Al crear lo que parece ser un simple instrumento musical para niños, un xilófono con teclas en forma de animales de zoológico, los científicos informáticos de Columbia Engineering, Harvard y MIT han demostrado que el sonido puede controlarse mediante formas de impresión en 3D.Diseñaron un algoritmo de optimización y utilizaron métodos computacionales y fabricación digital para controlar las propiedades acústicas, tanto de sonido como de vibración, al alterar la forma de los objetos 2D y 3D. Su trabajo - "Diseño computacional de sonidos de contacto de metalófono" - serápresentado en SIGGRAPH Asia el 4 de noviembre en Kobe, Japón.
"Nuestro descubrimiento podría conducir a una gran cantidad de posibilidades que van mucho más allá de los instrumentos musicales", dice Changxi Zheng, profesor asistente de ciencias de la computación en Columbia Engineering, quien dirigió el equipo de investigación. "Nuestro algoritmo podría conducir a formas de construir menos ruidosoventiladores de computadora, puentes que no amplifican las vibraciones bajo tensión y promueven la construcción de resonadores microelectromecánicos cuyos modos de vibración son de gran importancia ".
Zheng, que trabaja en el área del sonido computacional dinámico basado en la física para entornos inmersivos, quería ver si podía usar la computación y la fabricación digital para controlar activamente la propiedad acústica o vibración de un objeto. Simulación de sonidos de contactodurante mucho tiempo ha interesado a la comunidad de gráficos por computadora, al igual que la fabricación computacional y, explica, "esperábamos unir estas dos disciplinas y explorar cuánto control se puede obtener sobre los espectros de frecuencia vibratoria de la geometría compleja".
El equipo de Zheng decidió centrarse en simplificar el proceso lento, complicado y manual de diseño de idiófonos, instrumentos musicales que producen sonidos a través de vibraciones en el propio instrumento, no a través de cuerdas o juncos. Debido a que la vibración de la superficie y los sonidos resultantes dependen de la forma del idiófonode manera compleja, diseñar las formas para obtener las características de sonido deseadas no es sencillo, y sus formas se han limitado a diseños bien entendidos, como barras que se ajustan mediante la perforación cuidadosa de hoyuelos en la parte inferior del instrumento.
Para demostrar su nueva técnica, el equipo decidió construir un "zoolófono", un metalófono con formas juguetonas de animales un metalófono es un idiófono hecho de barras de metal afinadas que pueden golpearse para emitir sonido, como un glockenspiel.algoritmo optimizado e impreso en 3D las teclas del instrumento en forma de coloridos leones, tortugas, elefantes, jirafas y más, modelando la geometría para lograr el tono y la amplitud deseados de cada parte.
"Las teclas de nuestro zoolofón se ajustan automáticamente para reproducir notas en una escala con sobretonos y frecuencia de un xilófono producido profesionalmente", dice Zheng, cuyo equipo pasó casi dos años desarrollando nuevos métodos computacionales mientras tomaban prestados conceptos de gráficos de computadora, modelado acústico,ingeniería mecánica e impresión 3D. "Al optimizar automáticamente la forma de los objetos 2D y 3D a través de la deformación y la perforación, pudimos producir sonidos tan profesionales que nuestra técnica permitirá que incluso los novatos diseñen micrófonos con sonido y apariencia únicos".
Aunque es un juguete divertido, el zoolófono representa una investigación fundamental para comprender las complejas relaciones entre la geometría de un objeto y sus propiedades materiales, y las vibraciones y sonidos que produce cuando se golpea. Mientras que los algoritmos anteriores intentaron optimizar la amplitud volumen o la frecuencia,el zoolófono requería optimizar ambos simultáneamente para controlar completamente sus propiedades acústicas. Crear sonidos musicales realistas requería más trabajo para agregar sobretonos, frecuencias secundarias más altas que las principales que contribuyen al timbre asociado con las notas tocadas en un instrumento producido profesionalmente.
Buscando la forma más óptima que produce el sonido deseado cuando se golpea resultó ser la dificultad computacional central: el espacio de búsqueda para optimizar tanto la amplitud como la frecuencia es inmenso. Para aumentar las posibilidades de encontrar la forma más óptima, Zheng y sus colegasdesarrollaron un nuevo método de optimización estocástica rápida, que llamaron Latin Complement Sampling LCS. Ingresan la forma y los espectros de frecuencia y amplitud especificados por el usuario por ejemplo, los usuarios pueden especificar qué formas producen qué nota y, a partir de esa información, optimizanla forma de los objetos a través de la deformación y la perforación para producir los sonidos deseados. LCS superó a todas las demás optimizaciones alternativas y puede utilizarse en una variedad de otros problemas.
"El diseño acústico de objetos hoy en día sigue siendo lento y costoso", señala Zheng. "Nos gustaría explorar algoritmos de diseño computacional para mejorar el proceso para controlar mejor las propiedades acústicas de un objeto, ya sea para lograr los espectros de sonido deseados o para reducir el ruido no deseado.Este proyecto subraya nuestro primer paso hacia esta dirección emocionante para ayudarnos a diseñar objetos de una manera nueva ".
Zheng, cuyo trabajo previo en gráficos de computadora incluye sintetizar sonidos realistas que se sincronizan automáticamente con movimientos simulados, ya ha sido contactado por investigadores interesados en aplicar su enfoque a los sistemas microelectromecánicos MEMS, en el que las vibraciones filtran las señales de RF.
El trabajo en Columbia Engineering fue apoyado en parte por la National Science Foundation NSF e Intel, en Harvard y MIT por NSF, Air Force Research Laboratory y DARPA.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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