Нет никаких сомнений в том, что изготовление скрипок – вид искусства. Для этого требуется музыкальный слух, мастерство мастера и понимание исторических уроков, извлекаемых с течением времени. Создание скрипки требует терпения: скрипичным мастерам приходится ждать, пока инструмент будет полностью готов, прежде чем они смогут услышать, как звучит результат их кропотливой работы.

Но новая модель, разработанная инженерами Массачусетского технологического института, поможет мастерам экспериментировать с дизайном скрипки и настраивать ее звучание еще до того, как будет вырезана каждая отдельная деталь.

В исследовании, опубликованном в журнале npj Acoustics, сообщается о новой «вычислительной скрипке» – компьютерном симуляторе, который детально отражает физические процессы, происходящие с инструментом, и реалистично воспроизводит звук скрипки.

Программы, которые позволяют пользователям играть на виртуальных скрипках, существовали и ранее, но их звучание является результатом сэмплирования и усреднения по тысячам нот, сыгранных настоящими скрипачами на реальных инструментах.

В отличие от этого новая компьютерная скрипка использует физический подход: она воспроизводит звук на основе физического взаимодействия инструмента с окружающим воздухом.

В качестве демонстрации исследователи сыграли на виртуальной скрипке отрывки из фуги соль минор Баха и Daisy Bell – той самой мелодии, которую впервые воспроизвёл компьютерный голос в 1961 году.

В настоящее время компьютерная скрипка имитирует звук щипковых струн – тип игры, известный музыкантам как «пиццикато». Cкрипичный смычок, по словам исследователей, требует гораздо более сложного моделирования. Но рано или поздно у компьютерной скрипки появится модель и для создания реалистичной смычковой скрипичной музыки.

На данный момент новую виртуальную скрипку можно использовать на начальных этапах проектирования. Мастера могут настраивать определенные параметры – тип дерева, толщину корпуса – а затем прослушивать звук, который инструмент должен издавать в ответ.

Сегодня дизайн совершенствуется постепенно, после завершения мастерами работы над скрипками сравнивается их звучание, а потом какие-то изменения вносятся уже в следующий инструмент. Это очень медленный, кропотливый и дорогостоящий процесс. Теперь изменения можно вносить виртуально, оценивая, каким будет звук.

Качество звучания скрипки определяется ее размерами и дизайном. Инструмент изготавливается из тщательно обработанных деталей и материалов, которые способствуют усилению звука. В последние годы ученые пытались понять, что на протяжении веков интуитивно чувствовали мастера, и какие конкретные параметры формируют звучание скрипки.

В ходе одной из первых попыток, предпринятых в 2006 году, ученые в рамках проекта Strad3D поместили редкую скрипку Страдивари в компьютерный томограф. Скрипка была изготовлена в 1715 году итальянским мастером Антонио Страдивари. Чтобы лучше понять анатомию скрипки и ее связь со звуком, ученые отсканировали инструмент и сделали 600 «срезов».

Результаты компьютерной томографии доступны онлайн, и люди могут просматривать ее и использовать в качестве данных для собственных экспериментов. Исследователи из МТИ импортировали их в программу твердотельного моделирования для создания подробной трехмерной модели скрипки. Затем скрипка была разделена на миллионы крошечных кубиков, или элементов. Для каждого элемента указывался тип материала, например, сделан ли кубик на нижней деке скрипки из клена или ели, или сделана ли струна из стали или натуральных волокон. Затем с помощью основанных на физике уравнений напряженности и движения прогнозировался характер перемещения одних элементов относительно других. Аналогичным образом описывалось движение воздуха, окружающего скрипку.

Затем команда смоделировала, как будет звучать новая компьютерная скрипка, если ее пощипать. Дергая за струну, скрипач оттягивает ее в сторону и отпускает, заставляя струну вибрировать. Эти вибрации распространяются по всему инструменту и внутри него; колебания воздуха усиливаются по мере того, как выходят из скрипки и распространяются по окружающей среде, где слушатель воспринимает вибрации как звук.

Новая вычислительная модель впервые генерирует реалистичный звук, основанный на законах физики и акустики. По словам исследователей, производители скрипок могут использовать ее для проверки звучания скрипки при изменении определенных размеров или свойств инструмента. Например, меняя толщину нижней деки виртуальной скрипки или породу дерева, можно услышать явные различия в извлекаемых звуках.