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。