基於 CT 影像進行日本古箏的 3D 建模與聲學有限元模擬

概述

將電腦輔助技術應用於音樂學是一個相對較新的領域，但在研究樂器方面具有巨大的潛力。這種方法的主要挑戰是表徵由於內部零件而無法輕鬆進行物理研究的儀器。 CT 掃描和儀器建模解決了這個問題，並且可以更好地了解其不同組件的特殊特性。

在本研究中，Simpleware 軟體用於對日本古箏（一種古老的手工樂器）的 CT 掃描進行分割，並為 CAE 模擬準備高品質的網格。該計畫的目標是了解古箏的獨特音色，並考慮盡可能多的現實生活測量。透過與實驗數據的比較和驗證，可以深入了解古箏的功能，包括其內腔及其特定木質材料的特性。

亮點

CT 掃描可以檢查手工製作的日本古箏的內部特徵
使用 Simpleware 軟體分割和克服影像資料的網格劃分挑戰
模擬提供對古箏獨特內部結構的全面見解
結果有助於從第一原理（從頭開始）和與橢圓相關的日本神聖幾何學中揭開古箏聲音的神秘面紗

複雜的古箏幾何形狀建模

創建古箏有限元素模型的過程依賴於開發簡化的概念形狀和儀器的高解析度電腦斷層掃描 CT 掃描，掃描電子顯微鏡也用於捕捉古箏中使用的泡桐木材的高度各向異性特徵，以在 CAE 軟體中研究不同的紋理方向，CT 掃描對於了解手工製作的古箏獨特的內部結構特別有價值，包括澄清內室分隔壁是否有孔。

圖：在皇家阿德萊德醫院放射科對古箏進行 CT 掃描。

Simpleware 軟體中的分割與網格劃分

Simpleware ScanIP 可將古箏分割成七個組件：頂板、底板、內部隔板、支柱、橋接器、腳和端板，儘管單獨分割由相同木材組成的多個組件存在困難，且木質部件由於木材紋理而存在局部灰度變化，但 Simpleware ScanIP 的廣泛工具仍然可以實現精確分割，在影像資料因與橋樑相關的金屬偽影而失真的區域，使用 Simpleware ScanIP 的插值工具箱來確保這些偽影不會影響分割的品質。

圖：古箏的 CT 影像切片（左）和分割古箏的橫切面（右）。

使用 Simpleware FE 模組，可以快速輕鬆地產生高品質的古箏體積網格，+FE 免費網格劃分演算法確保模型符合影像幾何形狀，同時將元素數量保持在適當的範圍內，將網格匯出到 CAE 軟體，在其中應用邊界條件並執行各種模擬。

圖：使用 Simpleware FE 模組產生古箏的 FE 網格。

研究木材的機械振動和物理聲波

CAE 模型用於進行一系列模擬，包括古箏自然振動的固體力學、壓力聲學（空氣中的聲音產生），在十個位置以 1/48,000 秒的間隔進行測量。結果顯示了對古箏在 85 Hz 和 100 Hz 共振下外部木殼和內部腔體聲學的複雜聲學的深入了解，以 220 Hz 播放的 CAE 模型也與 Coaldrake 教授的古箏錄音的「播放時」傅立葉變換進行了比較。

圖：CAE 模型播放 220Hz 與 Prof Coaldrake 播放 220Hz 的比較。

結論

這項研究成功地創建了手工製作的日本古箏的高解析度有限元素模型，並得到了多項研究驗證的支持，包括文獻、聲學相機數據和振動分析，此模型解決了研究古箏時的兩個主要問題，即木材的物理特性及其複雜的幾何形狀。 Simpleware 軟體使有限元網格能夠根據實際模擬工作流程進行定制，而無需犧牲精度，從而克服了網格非常大的障礙。因此，CAE 模型作為準實驗工具具有廣闊的前景，其工作流程適用於不同類型的複雜和稀有儀器。

參考資料