Ученые синтензировали всплески, бульки и хлюпы

Американским компьютерным инженерам удалось синтезировать такие сложные «природные» звуки, как журчание воды и всплеск падающей на ее поверхность капли. Моделированием привычных человеческому уху звуков, которые создает вода, занялись профессор факультета компьютерных наук Корнелльского университета Дуг Джеймс и аспирант Чаньси Чжэн.

Всплески, бульканье и журчание воды сопровождают человека повсюду, однако физические процессы, рождающие эти звуки, настолько сложны, что до сих пор инженерам не удавалось их смоделировать и «воспроизвести» при помощи программы. Решение этих вопросов обещает, например, упростить озвучивание фильмов, так как сегодня для этого используется записанное звучание тех или иных процессов, которое может не вполне соответствовать происходящим в кадре событиям. «У нас нет способа эффективно просчитывать плеск воды, комкание бумаги,  аплодисменты, шум деревьев и звон разбитого бокала», -- говорится в исследовании ученых.

При исследовании звуков, создаваемых движущейся водой, исследователи выяснили, что они рождаются множеством воздушных пузырьков, образующихся, например, при падении капли на поверхность воды. В пузырьках диаметром порядка миллиметра силы поверхностного натяжения сжимают воздух до тех пор, пока пузырь не лопается. Совокупность таких одновременных, длящихся миллисекунды процессов рождает волны, заставляющие поверхность воды вибрировать и, как громкоговоритель, распространять звуковые колебания в воздухе.

Алгоритм

Инженеры Корнелльского университета создали алгоритм, способный имитировать миллионы рождений, сжатий, вибраций и схлопываний пузырьков воде. Каждый пузырек инженеры представили, как гармонический осциллятор, распространение и затухание волн которого в среде описывалось при помощи функций Грина. Суперпозиция этих колебаний дала возможность специалистам синтезировать звуки водной природы. Моделирование процессов позволяет ввести в процесс генерации звуков геометрию сосуда, вычислить зону образования пузырьков, просчитать характер их движения и создаваемых колебаний.

Для просчета моделирования этих процессов инженерам требуется несколько часов машинного времени параллельных решений. Для решения разнообразных трехмерных задач Гельмгольца мы предлагаем быстрое решение граничного интеграла, сложность которого выше, чем сложнее границы объема жидкости.

О своих успехах в моделировании бульканья корнелльские ученые расскажут в августе на ежегодной конференции SIGGRAPH по вопросам компьютерной графики, которая пройдет в Новом Орлеане.