Инженеры из MIT разработали инструмент для лутьеров — «вычислительную скрипку», которая позволяет менять дизайн инструмента и настраивать звук еще до того, как будет выточен первый кусок дерева. Результаты исследования опубликованы в журнале npj Acoustics. Суть новинки в том, что она использует физический подход, а не просто имитирует записи реальных инструментов. Программа моделирует реальное взаимодействие вибрирующих струн с окружающим воздухом. В качестве демонстрации исследователи заиграли два отрывка: один из фуги Баха в малой тональности и знаменитую «Daisy Bell», написанную в честь первой компьютерной синтезированной речи. Сейчас симуляция умеет воспроизводить только звук пиццикато, так как отработка смычковой техники куда сложнее. Но это первый физический фундамент, который в будущем можно будет дополнить моделью игры смычком для создания реалистичной музыки.
Лутьеры смогут использовать инструмент на ранних стадиях проектирования. Можно менять параметры, например тип дерева или толщину корпуса, и сразу слышать, как бы звучал инструмент. Инженер Yuming Liu объясняет, что раньше процесс улучшения дизайна занимал годы: строили скрипку, сравнивали звук, вносили правки в следующую и так далее. Теперь изменения происходят виртуально. Профессор Nicholas Makris подчеркивает, что цель — не скопировать магию мастера, а понять физику звучания и помочь в проектировании. Коллегами авторов стали Arun Krishnadas и Bryce Campbell, а также Роман Барнас из North Bennet Street School.
Качество звука определяется размерами и конструкцией, где все части работают на генерацию и усиление звука. В 2006 году в рамках проекта Strad3D ученые сканировали скрипку Страдивари 1715 года на КТ. Полученные 600 слайдов доступны онлайн. Для своей работы команда импортировала данные в программное обеспечение для твердотельного моделирования и создала детальную трехмерную модель. Затем они запустили метод конечных элементов, разбив скрипку на миллионы крошечных кубов. Для каждого куба указывали материал: клен, ель, сталь или натуральные волокна. К каждому элементу применили уравнения напряжений и движения, чтобы предсказать их взаимодействие. Аналогичный процесс провели для воздуха вокруг инструмента. Как говорит Krishnadas, это матрица миллионов элементов, где скрипка и воздух связаны и взаимодействуют друг с другом.
При моделировании пиццикато виртуальная струна растягивается и отскакивает. Программа вычисляет движение миллионов элементов и возникающий звук. Для нот на грифе добавили условие фиксации струны пальцем. Makris признает, что пока звук может казаться механическим из-за использования одного и того же времени оттягивания для каждой ноты. Истолкование пиццикато музыкантом варьируется, но в будущем эти нюансы можно будет внедрить. Новая модель — первая, генерирующая реалистичный звук на основе законов физики. Лутьеры могут менять толщину тыльной пластины или тип дерева и слышать разницу. Как отмечает Makris, мы получаем вдохновение от мастеров, но этот подход добавляет понимания физики звука. Часть работы поддержал грант MIT Bose Research Fellowship.