哈佛&MIT科学家用算法开发3D打印铁琴音质接近专业乐器

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铁琴（Metallophone）是一个用金属板制成的乐器，可以通过小锤甚至用手敲击发出悦耳的音符。该乐器在亚洲已经有几千年的历史。相对于科技不太发达的古代来说，打造像这样的一个金属乐器需要使用复杂的工艺，这也使为什么这种乐器的每个键的形状都很简单，就像一块板，因此也有人称之为金属板琴。
近日，来自哈佛、哥伦比亚大学和麻省理工学院的研究人员们对于这样一种不算常见的乐器产生了浓厚的兴趣，他们希望藉此能够发现敲击不同形状的金属对象发声的秘密。为此，研究团队通过算法设计出了一台3D打印的铁琴，它发出的乐音质量接近于专业制造的乐器。

据了解，该研究团队能够制造出一套2D的动物形状金属板和3D打印的杯子，使之共同构成一个音阶。他们能够根据用户提供的3D形状和目标频率，模拟对象的几何形状以实现各个部分所需要的音调和振幅。在传统的铁琴制造工艺中，每个金属板都需要用其下面的一个共鸣管进行手动调音，这个共鸣管通常是在金属板制造出来之后新加上的，主要作用是为各个金属板提供独特的频率。
而科学家们的这个3D打印铁琴项目则可以让设计师一次即可完成对乐器的调音。这就去除了需要手动调音的共鸣管，而调音的对象完全可以通过经过优化的CAD软件设计完成，也就是说，用这样的设计软件设计的乐器一制造出来音就是准的。此外，该软件还能够为用户提供了一个3D打印出来的对象敲击时能够发出声音的样本。换句话说，您在软件上进行设计乐器的时候就已经知道它会发出什么样的声音了。

而将设计对象的几何形状与指定的音符连接起来，就需要探索其复杂的能量传递规律。为了使这个过程更高效，研究团队采用了拉丁补充抽样（Latin Complement Sampling）方法以加速寻找极小值和对于整个探索过程提供一个概率的界限。而在生产接近专业声音的乐器时，这种方法也扩展了可选择的形状和声音的范围。该技术可以实现对声音的优化，甚至能够制造出泛音——也就是说同一个对象在被敲击时能够产生同一音符的三个八度音，从而使声音更加丰富、完整。与此同时，它也可以抑制特定的频率。