試想一下，假設你是個低音號的演奏家，如果低音號能做的比較方便攜帶，那是不是會更加方便呢？
今天主廚要介紹的這項技術，能夠在任意幾何外型下設計出產生特定音頻的樂器，聽起來是不是很神奇，跟著主廚繼續看下去吧！
小喇叭是怎麼吹出聲音的？
小喇叭為銅管樂器的一種，演奏者振動雙唇讓樂器內的氣柱振動，達到發出聲音的效果。說到這裡你可能會感到好奇，那我們要怎樣使小喇叭產生不同音高呢？如果仔細觀察的話，可以發現小喇叭上面有三個按鈕。演奏家藉由按鈕間的排列組合來改變喇叭內部氣柱的長短，進而讓小喇叭產生不同音高！
如果來看整個銅管樂器家族，會發現為了讓每個樂器擁有獨特音色，每個樂器的形狀都不同，尺寸也是有大有小。假設我們今天需要不同音色的銅管樂器，我們就要找出有著這種音色的形狀，然後再將這種形狀做成樂器，光是想想都覺得麻煩，所以Columbia University、MIT CSAIL、Disney Reasearch的專家們提出聲學體素(Acoustic Voxel)的概念來解決問題。
聲學體素(Acoustic Voxel)的任意組合擁有無限可能
我們日常生活中的電腦畫面由一顆顆像素組成。螢幕上的畫面雖然很複雜，但像素本身卻十分單純。那我們能不能將這個概念用來運用在聲音上呢？
只要設計出一種聲學裝置，透過這些裝置的排列組合來產生不同音頻。
聲學體素就是在這個概念下誕生的，研究團隊提出一種在空腔方塊六個面上具有圓管的結構，稱之為Modular acoustic filter(MAF)，如圖1所示，而這種裝置也是Acoustic filter一種。
看到這兒，您可能會好奇什麼是Acoustic filter？所謂的Acoustic filter其實就是能夠產生或是消除特定音頻的一種裝置泛稱，日常生活中常見的樂器、助聽器或是汽機車排氣管的消音器都是Acoustic filter，透過獨特的空腔設計讓入射聲波在行進時遭到部分反射聲波的干涉，進而讓入射聲波產生音頻上的變化，如圖2所示。
運用數學演算找出最佳的排列組合
從Fig.1可知研究團隊提出來的聲音濾波器擁有單純的幾何。除此之外，這些圓管也都具有相同長度與直徑，只允許空腔尺寸可變，也因為單個濾波器的變數只有一個，設計上就相對單純，而研究團隊更進一步指出這種設計在尺寸足夠小的前提下，能夠在任意形狀的空間內來實現理想的濾波效果，也就是能產生或消除特定音頻。
有了一個標準化的模組後，我們究竟要怎麼組合模組來產出理想結果呢？研究團隊在這邊導入了最佳化的算法，目標就是要在複雜外型的空間下找到符合音頻設計的組合與空腔尺寸。研究團隊將最佳化分成四個步驟，分別是預行計算(Pre-computation)、最佳化條件輸入(Input)、最佳化(Optimization)、結果輸出(Result)，如圖3所示。在這樣的最佳化架構下，研究團隊就能根據預先設定的目標來設計發出或消除特定音頻的裝置。
聲學體素的應用潛力
研究團隊最終展現這項技術的幾個應用，其中一個就是在河馬造型這個空間下，藉由數學計算讓河馬變成可以產生特定音頻的樂器。除此之外，研究團隊還在3D列印的小豬裡設計不同的聲學體素組合，儘管外型一樣，但每隻小豬拍打起來的音色都不同，就可以拿來做聲學上的辨識(怎麼聽起來跟挑西瓜很像)。
不過研究團隊也提到目前這項技術只能控制幾個不同音頻。換言之，沒辦法處理寬頻聲域的問題，也就是只能選好幾個特定頻率的聲音，如1000Hz、2000Hz、3000Hz等等來控制。儘管如此，這還是個相當有趣好玩的科技！如果對這項技術其他應用有興趣，也能參考底下研究團隊在Youtube發表的影片喔！
參考文獻
- Dingze yu et al, Acoustics Voxels: Computational Optimization of Modular Acoustic Filters, SIGGRAPH 2016 Technical Paper, July 24 – 28, 2016