科学者は音響ボクセルを使用して3Dプリントされた物体の音響特性を操作する

この投稿は、Little Soft Bear によって 2016-7-25 14:54 に最後に編集されました。

コロンビア大学工学応用科学部の研究者らは、ディズニー・リサーチおよびマサチューセッツ工科大学 (MIT) の科学者らと共同で、音波を制御する新しい方法を開発しました。この方法では、サウンドフィルターをコンピューターでリバースエンジニアリングして、あらゆる 3D 形状に適合させ、望ましいサウンドフィルタリング特性を実現できます。
同大学のコンピューターサイエンス教授、チャンヒ・チョン氏が率いるチームは、モジュラーシステムのように音が流入したり流出したりできる小さな中空の立方体状の空洞である音響ボクセルを設計した。さらに、これらの音響ボクセルはレゴブロックのように互いに接続して複雑な構造を形成することができます。内部の空洞のおかげで、構造のサウンドフィルタリング特性を変更することもできます。つまり、ボクセルの数、サイズ、または接続を変更するだけでサウンドを変更できます。

「これまで、特定のタイプのマフラーや特定の形状のトランペットなど、特定の音響製品をコンピューターで設計する研究が行われてきました」と鄭昌喜教授は述べています。「音波を操作する一般的な方法は、空洞の形状をコンピューターで設計することでした。私たちのアルゴリズムは、ノイズマフラー、補聴器、管楽器などの製品のまったく新しい設計を可能にする可能性があります。なぜなら、3Dプリントされたおもちゃのカバにトランペットのような音を出すことさえできるからです。」

彼のチームは、7 月 27 日の SIGGRAPH 2016 カンファレンスで「音響ボクセル: モジュラー音響フィルターの計算最適化」と題する論文を発表する予定です。
鄭教授は次のように付け加えた。「私たちは音響フィルターを使用する非常に興味深い新しい方法も考案しました。音響ボクセルを音響タグとして使用できるのです。3Dプリントしたボクセルはそれぞれがユニークで、その中に情報がエンコードされています。これはQRコードやRFIDタグに相当し、3Dプリントされたフォームに製品情報や著作権情報をエンコードする道を開きます。」

昨年、鄭氏のチームは計算手法を用いて、動物園の動物の形をした鍵盤を持つ木琴のような楽器「Zoolophone」を設計し、3Dプリントした。 Zoolophone は、物体の形状とその表面を叩いたときに発生する振動音響音との複雑な関係を利用した、研究チームによる振動音響制御の基礎研究の成果です。
この最新の研究で、鄭氏のチームは、自動車のマフラーや楽器など、多くの製品における音の伝播をより適切に操作するための計算手法を提案した。
「今日の 3D プリンターでは、形状の複雑さはもはや障害ではありません。複雑な形状でも簡単に製造できます」と Zheng Changxi 教授は述べています。「そこで問題になるのは、複雑な形状を使用して製品の音響性能を向上させることができるかどうかです。」

そこで彼らは、音響ボクセル（デジタルシミュレーションを使用して音響フィルタリングの動作を事前に計算できる単一のモジュール式音響フィルター形状）の使用を提案しました。これを基に、研究者らは、レゴブロックを組み立てるのと同じように、音を含むボクセルを複雑な結果に組み立てて、目的の音響フィルタリング特性を生み出す新しいアルゴリズムを開発しました。

音響ボクセルの作成により、鄭氏のチームは、3D プリントされたオブジェクトを一意に識別するサウンドタグの作成というまったく新しい分野を探求できるようになりました。この音響エンコーディングにより、オブジェクトの形状に情報 (著作権など) を埋め込むことができます。音響ボクセルを独自の方法で組み合わせることで、ユニークな音響特性が生まれます。したがって、2 つのオブジェクトは同じ外観を持ちますが、内部のサウンドボクセルの組み合わせ方が異なると、まったく異なるサウンドが生成されます。研究者たちは、さまざまな音響ボクセルの組み合わせによって発せられる音を録音し、開発した iPhone アプリを使用して各物体を正確に識別することができました。
研究者らは、音響タグは製造プロセスとはまったく独立して動作するQRコードやRFIDタグを補完する可能性があると述べている。メーカーが ID 情報をオブジェクトに直接埋め込むことができれば、部品に個別にタグを付ける時間、労力、費用を節約できます。さらに、音響タグはオリジナルの著作権情報をエンコードすることもできます。

鄭教授の現在の音響ボクセルプロジェクトは、音を出す測定可能な物体を作成することであると伝えられており、現在、彼のチームは、製造後に別途処理を必要とせずに、物体の音に情報や記号を埋め込む方法を実証しました。次に、音響ボクセル技術を使用して、計算によって超音波を制御する予定です。「我々は超音波を操作する興味深い可能性を研究している。例えば、物体の音の伝搬を歪ませて探知されないようにするクローキングなどだ」と鄭氏は言う。「これは新しいソナーシステムや水中通信システムの設計につながる可能性がある。これは刺激的な新しい分野だ」

この研究は、国立科学財団と Adobe によって部分的に支援されました。
（コロンビア大学より抜粋）
出典: marker8

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