麻省理工新工具：虚拟小提琴提前试音效，助力制琴师设计

麻省理工虚拟小提琴制琴新利器制作小提琴是一门艺术需要音乐家的耳朵、工匠的技艺和历史学家的经验且制琴师通常要等乐器完成才能听到音效。不过麻省理工学院工程师开发的新工具改变了这一现状能让制琴师在雕刻部件前尝试不同设计并调整音色。基于物理原理的“计算小提琴”在发表于《npj Acoustics》杂志的研究中麻省理工团队报告了新的“计算小提琴”——计算机模拟程序。它捕捉乐器详细物理特性拨动琴弦时能逼真产生小提琴声音。与其他软件程序和插件不同新的计算小提琴采用基于物理原理的方法根据乐器与周围空气的物理相互作用产生声音。研究人员用它演奏了《巴赫G小调赋格曲》和《黛西·贝尔》。目前它模拟的是拨弦音效模拟拉弓演奏更复杂但为弦乐器音效奠定了基于物理原理的基础未来可能与拉弓模型结合产生逼真拉奏音乐。新工具助力小提琴设计该团队表示新的虚拟小提琴可用于小提琴设计初始阶段。制琴师能调整参数如木材类型或琴身厚度聆听乐器可能发出的声音。麻省理工高级研究科学家Yuming Liu称传统完善设计的过程缓慢且成本高现在可在虚拟环境中修改并查看音效。麻省理工机械工程教授Nicholas Makris补充说他们试图理解小提琴发声的物理原理在设计过程中帮助制琴师。Makris和Liu的共同作者包括2023年获得博士学位的Arun Krishnadas、前博士后Bryce Campbell以及北本尼特街学校的Roman Barnas。声音矩阵解析小提琴音质小提琴音质由尺寸和设计决定由精心制作的部件和材料构成。近年来科学家试图理解哪些参数塑造了小提琴声音。2006年作为Strad3D项目一部分科学家将一把1715年安东尼奥·斯特拉迪瓦里制作的斯特拉迪瓦里小提琴放入CT扫描仪扫描生成600个“切片”或视图。CT扫描数据可在网上查看Makris和同事将其导入实体建模软件生成三维模型进行有限元模拟把小提琴划分为数百万个“单元”记录材料类型应用应力和运动方程预测单元运动。他们还对小提琴周围空气做类似处理划分小块并应用声波方程预测空气块运动和对声音的贡献。Krishnadas解释说整个过程像由数百万个单元组成的矩阵最终小提琴和周围空气相互连接、相互作用。灵动的模型模拟拨弦音效团队模拟了新计算小提琴拨弦时的音效。小提琴手拨弦时琴弦振动振动在乐器内部和周围传播空气振动放大后听众能听到声音。工程师通过指令让虚拟小提琴琴弦伸展回弹模拟拨弦动作计算单元运动和振动以及声音。对于需在指板上按压的音符模拟拨弦动作并增加琴弦固定条件。研究人员虚拟拨奏出《黛西·贝尔》和《巴赫G小调赋格曲》的几个小节。身为鲁特琴演奏者的Makris说音效机械是因为对每个音符使用相同时间函数或标准拨弦方式音乐家会调整拨弦方式增添情感可进一步细化完善。这个新计算模型是首个基于物理和声学定律生成逼真音效的模型制琴师可使用它测试改变尺寸或属性时的音效如改变背板厚度或木材类型能听到音效差异。Makris称调整模型聆听音效有助于理解塑造小提琴声音的因素灵感多来自工匠。这项工作部分得到麻省理工学院Bose研究奖学金的支持。