科学用声体操纵3D打印

近日，哥伦比亚大学工程与应用科学院的研究人员，与迪斯尼研究中心和麻省理工学院（MIT）的科学家们合作开发了一种控制声波的新方法，这种方法能够以计算的方式，逆向设计声音滤波器以适应任何3D形状，并能够实现所需的声音滤波属性。

在该校计算机科学教授郑昌熙的领导下，这个团队设计出了声体素（acoustic voxel），这是一种尺寸很小的空心、立方体形状的腔体，声音可以通过它进出，就像一个模块化的系统。而且这种声体素还能够像乐高积木那样相互连接形成复杂的结构。由于其内部的空腔，他们还可以修改结构的声音滤波属性——只需改变体素的数量、大小或者连接方式就能够改变声音效果。

“在过去，人们也曾经探索过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小号等。”郑昌熙教授说，“操纵声波的一般做法一直是通过计算设计空腔形状。而我们的算法可以实现噪声消声器、助听器、管乐器等产品的全新设计——因为我们可以实现自己想要的任何形状，甚至可以让一个3D打印的玩具河马听起来像一个小号。”

据天工社了解，他的团队将会在7月27日的SIGGRAPH 2016会议上提交题目为《声体素：模块化声音过滤器的计算优化（Acoustic Voxels: Computational Optimization of Modular Acoustic Filters）》的论文。

郑教授补充说：“我们还提出了一种非常有趣的新方式来使用声音过滤器——我们可以用声体素来作为声学标签，我们3D打印的每一个都是独特的，它们里面都有编码信息，这就相当于QR码或RFID标签，从而为以3D打印的方式编码产品和版权信息打开了大门。”

去年，郑教授的团队就使用计算的方式设计和3D打印了一个Zoolophone，这是一个木琴类的乐器但是其琴键被制造成了动物园里动物的形状。Zoolophone代表了研究团队在振动声音控制方面的基础研究成果，它利用了对象的几何形状与其表面被击打后产生的振动声音之间的复杂关系。

而在这个最新的研究中，郑教授的团队又提出了一种计算的方法以便于许多产品更好地操纵声音传播，比如汽车消声器和乐器等。

“在使用3D打印机的今天，几何复杂性不再是障碍。再复杂的形状都可以很轻松地制造出来。”郑昌熙教授说：“所以问题就变成了，我们可以使用复杂的形状来提高产品的声学性能吗？”

于是，他们提出了利用声体素——这是一种单一、模块化的声滤波器形状，可以使用数字模拟来预计算其声音过滤行为。在此基础上，他们开发了一种新的算法，这种算法使得他们能够像组装乐高积木那样把装声体素组装成复杂的结果，以制造出具有针对性的声学滤波属性。

声体素的创造也使得郑教授的团队发现了一个全新的领域：制造声音标记来唯一地标识一个3D打印对象，这种声学编码可以将信息（比如版权）植入一个对象的形状当中。独特的声体素组合方式会产生独特的声波签名。所以两个对象尽管可能具有相同的外观，但如果它们内部声体素组合的方式不同的话，也会产生完全不同的声音。研究人员可以记录不同声体素组合发出的声音，并使用自己开发的一个iPhone应用程序来准确地标识每个对象。

研究人员们称，声学标记有可能成为QR码和RFID标签的有益补充，因为后边两个技术需要完全独立于制造过程的操作。如果制造商能够直接将ID信息植入对象内部，他们将节省出单独对部件贴标签的时间、精力和费用。此外，声学标签也可以编码原创的版权信息。

据悉，郑教授当前的这个声体素项目是为了制造出可度量的制造声音的对象，而如今，他的团队已经展示了如何将信息和标志嵌入对象的声音当中，而且无需在制造之后进行单独处理。下一步，他们打算将声体素技术用于通过计算控制超声波。郑教授说：“我们正在研究操纵超声波的一些有趣的可能性，比如隐形，我们可以使对象扭曲声音的传播使得超声波无从探测。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公司的部分资助。