En créant ce qui semble être un simple instrument de musique pour les enfants -un xylophone avec des touches en forme d’animaux de zoo – des scientifiques informatiques de la Columbia Engineering à Harvard et le MIT ont démontré que le son peut être contrôlé par des formes imprimées en 3D. Ils ont conçu un algorithme d’optimisation et utilisé des méthodes de calcul et de fabrication numérique pour contrôler les propriétés à la fois acoustiques et les vibrations du son en modifiant la forme des objets 2D et 3D. Leur travail « Computational Design of Metallophone Contact Sounds » -sera présenté au SIGGRAPH Asia le 4 Novembre à Kobe, au Japon.
« Notre découverte pourrait conduire à une foule de possibilités qui vont bien au-delà des instruments de musique, » assure Changxi Zheng, professeur adjoint en science informatique à l’Université d’Ingénierie de Columbia, qui a dirigé l’équipe de recherche. « Notre algorithme pourrait conduire à des façons de construire des moins bruyants d’un ordinateur, des ponts qui n’amplifient pas les vibrations en situation de stress, et faire avancer la construction de résonateurs micro-électro-mécaniques dont les modes de vibration sont d’une grande importance. »
Changxi Zheng, qui travaille dans le domaine des sons informatiques basés sur de la physique et de la dynamique, pour les environnements immersifs, voulait voir s’il pouvait utiliser le calcul et la fabrication numérique pour contrôler activement la propriété acoustique, ou des vibrations, d’un objet. La simulation de sons de contact a longtemps intéressé la communauté de l’infographie, de même que la fabrication informatisée, et, il explique: «Nous espérions faire un pont entre ces deux disciplines et explorer le niveau de contrôle que l’on peut recueillir sur les spectres de fréquence de vibration de géométries complexes. »
L’équipe de Changxi Zheng a décidé de se concentrer sur la simplification du processus manuel, complexe et lent de la conception d’idiophones, des instruments de musique qui produisent des sons par des vibrations dans l’instrument lui-même, et non par des cordes ou des roseaux. Parce que la vibration en surface et les sons obtenus dépendent de la forme de l’idiophone d’une manière complexe, la conception des formes pour obtenir des caractéristiques de son désiré n’est pas simple, et leurs formes ont été limitées à des conceptions bien connues telles que les barres qui sont accordées par le forage minutieux des fossettes sur la face inférieure de l’instrument.
Les tubes musicaux en 3D créés automatiquement par des ordinateurs
Pour démontrer leur nouvelle technique, l’équipe s’est concentrée sur la construction d’une « zoolophone », c’est-à-dire un métallophone avec des formes animales ludiques (un métallophone est un idiophone fait de barres métalliques accordées qui peuvent être frappé pour produire un son, comme un glockenspiel). Leur algorithme a été optimisé et a imprimé en 3D, les touches de l’instrument en forme de lions, tortues, éléphants, girafes colorés, et plus, en modélisant la géométrie pour atteindre la hauteur et l’amplitude désirées de chaque pièce.
« Les touches de notre zoolophone sont automatiquement réglées pour jouer des notes sur une gamme avec les accents et la fréquence d’un xylophone produit professionnellement», lance Changxi Zheng, dont l’équipe a passé près de deux ans sur le développement de nouvelles méthodes de calcul tout en empruntant les concepts de l’infographie, la modélisation acoustique, mécanique, et l’impression 3D. « En optimisant automatiquement la forme des objets 2D et 3D par déformation et perforation, nous étions en mesure de produire ces sons professionnelles et notre technique permettra même aux novices de concevoir des métallophones avec un son et une apparence uniques »
Bien qu’étant un jouet amusant, le zoolophone représente une recherche fondamentale sur la compréhension des relations complexes entre la géométrie d’un objet et ses propriétés matérielles, et les vibrations et les sons qu’il produit lorsqu’il est frappé. Alors que les algorithmes précédents ont tenté d’optimiser soit amplitude (volume) ou la fréquence, le zoolophone a requis l’optimisation en même temps du contrôle total de ses propriétés acoustiques. La création de sons musicaux réalistes a requis plus de travail pour ajouter les harmoniques, des fréquences secondaires plus élevées que la principale, qui contribuent au timbre associé avec les notes jouées sur un instrument produit par des professionnels.
Le travail à la Columbia Engineering a été financé en partie par la National Science Foundation (NSF) et Intel, à Harvard et au MIT par la NSF, Air Force Research Laboratory et la DARPA.
http://engineering.columbia.edu/researchers-develop-algorithm-3d-print-vibrational-sounds
http://www.cs.columbia.edu/~cxz/publications/metallophone.pdf
