Digital Debunking: kan du faktisk knuse glas med din stemme?

Indstilling af scenen

en operasanger rammer en høj tone, rasler publikums øretrommer og eksploderer et vinglas i stuen. Du har måske set dette i filmene, men er det virkelig muligt med lyd alene? Er et akustisk angreb fra den menneskelige stemme kraftigt nok til at knuse glas?

hvis du spurgte nogen fra gaden for at prøve dette eksperiment, ville de sandsynligvis forsøge at gøre to ting: syng så højt som muligt og syng på den højest mulige tonehøjde. Resultatet? Alle hunde i nabolaget kan begynde at gø, men glasset vil meget sandsynligt forblive intakt. En person kunne skrige sig selv blå i ansigtet, men på den forkerte tonehøjde ville de fleste kræfter fra hans eller hendes stemme blive reflekteret og efterlade glasset uskadt.

kræver både kraft og præcision, der er en hemmelighed at bryde glas med din stemme alene; en magisk tone unik for hvert objekt. Et objekt, der er frit at vibrere, har en tendens til at gøre det med en bestemt hastighed, kaldet dets naturlige eller resonansfrekvens. Denne frekvens afhænger af objektets størrelse, form og sammensætning. Et objekt vil vibrere kraftigt med næsten ingen dæmpning, når det udsættes for vibrationer ved sin resonansfrekvens. Omvendt afspejler det meget af kraften uden for dette naturlige resonansområde. Den rene lyd, der afgives, når du rammer et krystalglas, er glassets resonansfrekvens, og i teorien, hvis en sanger matcher tonehøjde med nok lydstyrke, kræfterne vil være kraftige og koncentrerede nok til at knuse glasset.

bag kulisserne

for at bevise denne teori oprettede vi en simulering for at se, om et krystalvinglas ville bryde inden for det mulige volumen og rækkevidde af den menneskelige stemme. En uddannet operasanger kan opretholde en note på eller lidt over 100 decibel (dB), næsten volumenet af en jackhammer. Vi havde også brug for at afgøre, om resonansfrekvensen kunne nås inden for en sangers potentielle tonehøjde. Gennemsnitlig tale er typisk mellem en frekvens på 100 til 220 HMS og en professionel sopran ‘ s frekvensområder overalt fra 250 til 1.500 HMS.

den vigtigste bestemmelse er den nøjagtige resonansfrekvens for selve glasset. Hvis du stimulerer vinglasset med lyd ved den frekvens, vil vibrationerne i glasset være meget mere intense end ved nogen anden frekvens. Hvis de er intense nok, vil glasset bryde.

en af hemmelighederne ved at bryde glasset er resonansfrekvensen ændres lidt, da glasset vibrerer med en større forskydning. Når du trykker på glasset for at høre resonansfrekvensen, er det lidt højere (med nogle få HS) end den frekvens, du skal bryde glasset.

forberedelse til visningstid: opsætning af simuleringen

denne klassiske demonstration af resonans bruger intense lydbølger, hvis frekvens er indstillet til at matche den naturlige frekvens af et vinglas. Glasset har et højt blyindhold, hvilket giver den højkvalitetsfaktor, K, der kræves til denne demonstration. Glasets “kvalitet” kan høres ved at bemærke, hvor længe det ringer efter at have tappet. Den naturlige frekvens af det vinglas, der skal bruges, måles omhyggeligt før demonstrationen for at være inden for ~ 0,1 HS. Når de drives af en forstærker og højttaler, tager de stående bølger, der er ophidset langs vinglasets omkreds, cirka et sekund at bygge til maksimal amplitude og bryde vinglasset. Det skal understreges, at frekvensmatchning er afgørende, og ingen amplitude af et dårligt matchet lydsignal vil være nok til at bryde vinglasset.

for at simulere dette fænomen var vi oprindeligt nødt til at oprette en endelig model af et vinglas og opnå resonansfrekvensen og dens tilstandsformer. Tilstande er de forskellige måder, hvorpå energi kan lagres dynamisk i et system, svingning mellem kinetiske og potentielle energier. I simuleringsverdenen, vi er i stand til at se disse tilstandsformer ved hver resonansfrekvens i strukturen, og her har vi snapshot for disse tilstandsformer nedenfor fra Altair OptiStructTM normal tilstandsanalyse.

en resonansfrekvens på 392,2 HS blev bestemt til at have den tilstandsform, der i tilstrækkelig grad kunne fordreje formen på vinglasskålen såvel som stilken og foden af glasset. Denne frekvens er godt inden for det mulige område af den menneskelige stemme. Vi byggede derefter et akustisk domæne omkring glasset og begejstrede det med denne høje belastning.

hovedbegivenheden: kørsel af simuleringen

generelt løses akustiske interne strålingsproblemer baseret på usynlig strømning med lineær trykdensitetsforhold. Uendelige elementer bruges typisk til at simulere eksterne strålingsproblemer. Akustisk modellering, i endelige og semi-uendelige domæner, er afgørende for forudsigelsen af mængder, såsom ekstern og udstrålet støj i vibro-akustiske problemer. Uendelige elementer er en populær måde at modellere disse domæner på. Akustiske uendelige elementer bruges her til at simulere det eksterne lydtryk på modtageren.

denne endelige elementmodel har en lydtrykskilde i midten af væskesfæren. Inde i kuglen vibrerer vinglaset fra spænding modtaget fra lydkilden. De uendelige elementer er huden på kuglen, hvis elementnormaler peger mod modtageren. Dette er modelleret her for at overvåge lydtrykket i området fra 110 dB til 140 dB i de øvre grænser for den menneskelige stemmes bæredygtige lydstyrke.

i de akustiske resultater observerede vi, at vinglaset vibrerer ved 392,2 HS, og vinskålens omkreds genererer meget høje forskydninger og negeres ved stammen og foden. Mens vi var på modtagerpladen, observerede vi et meget højt lydtryk over 140 dB. Den maksimale observerede forskydning var mellem 120-140 dB.

Crescendo:brød glasset?

da vi tændte for fejlforudsigelserne i den endelige elementløser med forskydningsværdierne ved 120-140 dB, observerede vi, at glasset brød mellem et interval på 1K-10k sinusformet kurve (0.00243 sek/cyklus). Dette svarer til mindre end 20 samlede sekunder, inden for det interval, en sanger kunne opretholde en note. I simuleringsbillederne nedenfor kan du se revnen initialiseret fra toppen af skålen ved omkredsen.

simuleringen understøttede vores oprindelige hypotese. En note opretholdt i 20 sekunder ved resonansfrekvensen af glasset skabte tilstrækkelig forskydning til, at skålen kunne gå i stykker. Interessant nok bryder fokusafsnittet på en gang, da glasset knuses. Glas er en god test for dette resonansfænomen, da det er så skørt. Der er ikke mange energiabsorberende mekanismer i glas, så al energi går i forlængelse af længden af revner, hvilket sker meget hurtigt og knuser vinglasset på en brat og dramatisk måde.

i denne simulering ser vi en stærk repræsentation af de usete kræfter omkring os, og hvordan udbredelsen af mekaniske vibrationer fysisk kan påvirke objekter. Det er musik for vores ører.