Desacreditación Digital: ¿Puedes Romper Cristales con Tu Voz?
Preparando el escenario
Un cantante de ópera toca una nota alta, haciendo sonar los tímpanos de la audiencia y explotando una copa de vino en el salón. Es posible que hayas visto esto en las películas, pero ¿es esto realmente posible solo con el sonido? ¿Es un ataque acústico de la voz humana lo suficientemente potente como para romper cristales?
Si le pides a alguien de la calle que pruebe este experimento, es probable que intenten hacer dos cosas: canta tan fuerte como sea posible y canta en el tono más alto posible. El resultado? Todos los perros del vecindario podrían empezar a ladrar, pero es muy probable que el vaso permanezca intacto. Una persona podría gritar de azul en la cara, pero en el tono equivocado, la mayoría de las fuerzas de su voz se reflejarían, dejando el vidrio ileso.
Que requiere potencia y precisión, hay un secreto para romper cristales solo con su voz; un tono mágico único para cada objeto. Un objeto libre de vibración tiende a hacerlo a una velocidad específica, llamada frecuencia natural o resonante. Esta frecuencia depende del tamaño, la forma y la composición del objeto. Un objeto vibrará fuertemente sin prácticamente amortiguación cuando se somete a vibraciones en su frecuencia resonante. Por el contrario, refleja gran parte de la fuerza fuera de este rango de resonancia natural. El sonido puro que se emite cuando golpeas un cristal es la frecuencia resonante del cristal, y en teoría, si un cantante coincide con el tono con suficiente volumen, las fuerzas serán lo suficientemente poderosas y concentradas como para romper el cristal.
Detrás de escena
Para probar esta teoría, configuramos una simulación para ver si una copa de vino de cristal se rompería dentro del volumen y rango posibles de la voz humana. Un cantante de ópera entrenado puede sostener una nota en o ligeramente por encima de 100 decibelios (dB), casi el volumen de un martillo neumático. También necesitábamos determinar si la frecuencia de resonancia se podía alcanzar dentro del rango de tono potencial de un cantante. El habla promedio suele estar entre una frecuencia de 100 a 220 hertz (Hz) y la frecuencia de una soprano profesional varía entre 250 y 1.500 Hz.
La determinación más importante es la frecuencia de resonancia exacta del vidrio en sí. Si estimulas la copa de vino con sonido a esa frecuencia, las vibraciones en la copa serán mucho más intensas que en cualquier otra frecuencia. Si son lo suficientemente intensos, el vaso se romperá.
Uno de los secretos de romper el vidrio es que la frecuencia resonante cambia ligeramente, ya que el vidrio vibra con un mayor desplazamiento. Al tocar el vidrio para escuchar la frecuencia resonante, que es ligeramente más alta (unos pocos Hz) que la frecuencia que necesitará para romper el vidrio.
Preparación para el Showtime: Configuración de la simulación
Esta demostración clásica de resonancia utiliza ondas de sonido intensas cuya frecuencia se ajusta para que coincida con la frecuencia natural de una copa de vino. El vidrio tiene un alto contenido de plomo, lo que produce el factor de alta calidad, Q, requerido para esta demostración. La» calidad » del vidrio se puede escuchar observando cuánto tiempo suena después de tocar. La frecuencia natural de la copa de vino que se utilizará se mide cuidadosamente antes de la demostración para que esté dentro de ~ 0,1 Hz. Cuando son impulsadas por un amplificador y un altavoz, las ondas estacionarias excitadas a lo largo de la circunferencia de la copa de vino tardan aproximadamente un segundo en llegar a la amplitud máxima y romper la copa de vino. Se debe enfatizar que la coincidencia de frecuencia es crucial, y ninguna amplitud de una señal de audio mal emparejada será suficiente para romper la copa de vino.
Para simular este fenómeno, inicialmente necesitábamos crear un modelo finito de una copa de vino y obtener la frecuencia de resonancia y sus formas de modo. Los modos son las diversas formas en que la energía se puede almacenar dinámicamente en un sistema, oscilación entre las energías cinéticas y potenciales. En el mundo de la simulación, podemos ver estas formas de modo en cada frecuencia de resonancia de la estructura y aquí tenemos una instantánea de estas formas de modo a continuación del análisis de modo normal Altair OptiStructTM.
Se determinó que una frecuencia de resonancia de 392,2 Hz tenía la forma de modo que podía distorsionar suficientemente la forma del tazón de la copa de vino, así como el tallo y el pie de la copa. Esta frecuencia está dentro del rango posible de la voz humana. Luego construimos un dominio acústico alrededor del vidrio y lo excitamos con esta alta carga.
El Evento Principal: Ejecutar la simulación
Generalmente, los problemas de radiación interna acústica se resuelven en función del flujo invisible con relación de densidad de presión lineal. Los elementos infinitos se usan típicamente para simular problemas de radiación externa. El modelado acústico, en dominios finitos y semi-infinitos, es esencial en la predicción de cantidades, como el ruido externo e irradiado en problemas vibro-acústicos. Los elementos infinitos son una forma popular de modelar estos dominios. Los elementos acústicos infinitos se utilizan aquí para simular la presión de sonido externa en el receptor.
Este modelo de elementos finitos tiene una fuente de presión de sonido en el centro de la esfera de fluido. Dentro de la esfera, la copa de vino vibra por la excitación recibida de la fuente de sonido. Los elementos infinitos son la piel de la esfera cuyos elementos normales apuntan hacia el receptor. Esto se modela aquí para monitorear la presión de sonido en el rango de 110 dB a 140 dB, en los límites superiores del volumen sostenible de la voz humana.
En los resultados acústicos, observamos que la copa de vino vibra a 392,2 Hz y la circunferencia de la copa de vino genera desplazamientos muy altos, y negables en el tallo y el pie. Mientras estábamos en la placa receptora, observamos una presión de sonido muy alta, por encima de 140 dB. El desplazamiento máximo observado fue de entre 120-140 dB.
El Crescendo: ¿Se rompió el Vidrio?
Cuando activamos las predicciones de falla en el solucionador de elementos finitos con los valores de desplazamiento a 120-140 dB, observamos que el vidrio se rompía entre un rango de curva sinusoidal de 1k-10k (0.00243 seg / ciclo). Esto equivale a menos de 20 segundos en total, dentro del rango que un cantante podría sostener una nota. En las imágenes de simulación a continuación, puede ver la grieta inicializada desde la parte superior del recipiente en la circunferencia.
La simulación apoyó nuestra hipótesis inicial. Una nota sostenida durante 20 segundos a la frecuencia de resonancia del vaso creó suficiente desplazamiento para que el recipiente se rompiera. Curiosamente, la sección de enfoque se rompe al mismo tiempo que el vidrio se rompe. El vidrio es una gran prueba para este fenómeno de resonancia, ya que es tan frágil. No hay muchos mecanismos de absorción de energía en el vidrio, por lo que toda la energía se destina a extender la longitud de las grietas, lo que sucede muy rápidamente y rompe la copa de vino de una manera abrupta y dramática.
En esta simulación, vemos una poderosa representación de las fuerzas invisibles que nos rodean y cómo la propagación de vibraciones mecánicas puede impactar físicamente a los objetos. Eso es música para nuestros oídos.