Акустический симулятор поможет превратить драконов в свистульки

Новая интерактивная программа Printone позволит создавать свистульки любой формы для печати на 3D-принтере. Во время работы над их дизайном пользователи смогут услышать, как влияют вносимые ими изменения на звучание, и исходя из этого подкорректировать размер или форму духовых инструментов. Программа Printone будет показана на конференции ACM SIGGRAPH, со статьей разработчиков можно ознакомиться здесь.

Несмотря на то, что духовые инструменты отличаются многообразием размеров и форм, в большинстве своем, они представляют деревянные или металлические трубки различной конфигурации. Особенности возникновения акустического резонанса в них хорошо изучены. Однако при создании инструмента более сложной формы, например свистульки в форме дракона, могут возникнуть трудности. Из-за нестандартной геометрии внутренней полости звук не всегда получается таким, как было запланировано, а его «настройка» занимает много времени и усилий. Поэтому исследователи из компании Autodesk и Дартмутского колледжа создали программу, которая позволяет спроектировать духовой инструмент, исходя из набора желаемых нот.

Сначала пользователю предлагается задать форму будущей свистульки: для этого необходимо загрузить в Printone полигональную сетку, изображающую желаемый объект. После обработки данных, программа автоматически рассчитывает, какой будет полость внутри будущего музыкального инструмента. Затем пользователь должен выбрать, где разместить мундштук, а также задать размер свистульки — от последнего параметра зависит, какую самую низкую ноту можно будет взять на инструменте. Потом добавляются звуковые отверстия: это можно сделать как вручную, так и в автоматическом режиме (в этом случае программа сама настроит их форму в зависимости от заданных нот). Все это время Printone непрерывно «играет» на инструменте, позволяя пользователю послушать, как влияют изменения в дизайне на звук. После того, как работа над свистулькой закончена, ее можно распечатать на 3D-принтере.

Музыкальный фидбек программы основывается на симуляции акустического резонанса. Как известно, духовые инструменты обычно состоят из двух элементов — мундштука и резонатора. Мундштук рождает колебания воздуха, то есть звуковые волны, в определенном диапазоне частот — они позволяют резонансу возникнуть и поддерживают его. Резонатор, в свою очередь, усиливает колебания волн определенных частот (соответствующих его собственной резонансной частоте), и делает звук слышимым. При создании Printone исследователи фокусировались на доминантной частоте получаемого звука — одной из резонансных частот, которую музыкант может контролировать путем изменения амбушюра или скорости выдувания воздуха.

Работу программы исследователи проверили, создав 16 свистулек разной формы: звезду, на которой можно играть колыбельную «Twinkle, Twinkle, Little Star», кролика, который играет детскую песню «Little Peter Rabbit», снеговика для «Jingle Bells» и другие. Качество напечатанных инструментов проверяли с помощью тюнера.

В прошлом году

создали алгоритм, позволяющий дорабатывать металлические предметы для звучания с заданной частотой и амплитудой. Он позволяет создавать пластины необычной формы для идиофонов. Работу программы исследователи продемонстрировали, создав металлофон, где все пластины были выполнены в форме зверей.