Digital Debunking: Voitko todella särkeä lasia äänelläsi?

lavalla

oopperalaulaja lyö korkean nuotin, kolistelee yleisön korvarumpuja ja räjäyttää viinilasin salissa. Olet ehkä nähnyt tämän elokuvissa, mutta onko tämä todella mahdollista pelkällä äänellä? Onko ihmisäänen akustinen hyökkäys tarpeeksi voimakas särkemään lasin?

jos pyytäisit jotakuta kadulta kokeilemaan tätä koetta, hän todennäköisesti yrittäisi tehdä kaksi asiaa: laula niin lujaa kuin mahdollista ja laula mahdollisimman korkealla äänenkorkeudella. Mikä oli tulos? Kaikki naapuruston koirat saattaisivat alkaa haukkua, mutta lasi säilyisi hyvin todennäköisesti ehjänä. Ihminen voisi kirkua itseään siniseksi naamalleen, mutta väärällä äänenkorkeudella suurin osa hänen äänestään lähtevistä voimista heijastuisi, jolloin lasi ei vahingoittuisi.

vaaditaan sekä voimaa että tarkkuutta, joten lasin rikkomisessa pelkällä äänellä on salaisuus; jokaiselle esineelle ominainen taikasävy. Vapaasti värähtelevällä kappaleella on taipumus tehdä se tietyllä nopeudella, jota kutsutaan sen luonnolliseksi tai resonanssitaajuudeksi. Tämä taajuus riippuu kohteen koosta, muodosta ja koostumuksesta. Kappale värähtelee voimakkaasti vaimentamatta sitä käytännössä lainkaan, kun se altistuu värähtelyille resonanssitaajuudellaan. Kääntäen, se heijastaa paljon voimaa ulkopuolella luonnollinen resonanssi alue. Puhdas ääni, joka syntyy, kun isket kristallilasiin, on lasin resonanssitaajuus, ja teoriassa, jos laulaja vastaa sävelkorkeutta tarpeeksi suurella äänenvoimakkuudella, voimat ovat tarpeeksi voimakkaita ja keskittyneitä särkemään lasin.

kulissien takana

todistaaksemme tämän teorian asetimme simulaation nähdäksemme, rikkoutuisiko kristalliviinilasi ihmisäänen mahdollisen määrän ja kantaman sisällä. Koulutettu oopperalaulaja voi kestää nuotin 100 desibelin (dB) voimakkuudella tai hieman sen ylikin, mikä on lähes tunkkarin äänenvoimakkuus. Meidän piti myös selvittää, voisiko resonanssitaajuus saavuttaa laulajan mahdollisen sävelkorkeuden alueella. Keskimääräinen puhe on tyypillisesti 100-220 hertsin (Hz) taajuuden välillä ja ammattisopraanon taajuus vaihtelee 250-1 500 hertsin välillä.

tärkein määritys on itse lasin tarkka resonanssitaajuus. Jos viinilasia stimuloidaan äänillä kyseisellä taajuudella, lasin värähtelyt ovat paljon voimakkaampia kuin millään muulla taajuudella. Jos ne ovat tarpeeksi voimakkaita, lasi rikkoutuu.

yksi lasin rikkoutumisen salaisuuksista on resonanssitaajuus muuttuu hieman, koska lasi värähtelee suuremmalla iskutilavuudella. Kun napautat lasia kuulla resonanssitaajuus, joka on hieman korkeampi (muutaman Hz) kuin taajuus sinun täytyy rikkoa lasi.

Preparing for Showtime: seting up the Simulation

tämä klassinen resonanssin demonstraatio käyttää voimakkaita ääniaaltoja, joiden taajuus on viritetty vastaamaan viinilasin luonnollista taajuutta. Lasissa on korkea lyijypitoisuus, joka tuottaa korkealaatuisen tekijän, Q, jota tarvitaan tässä esittelyssä. Lasin ”laatu”voidaan kuulla toteamalla, kuinka kauan se soi napauttamalla. Käytettävän viinilasin luonnollinen taajuus mitataan huolellisesti ennen esittelyä ~ 0,1 Hz: n tarkkuudella. Vahvistimen ja kaiuttimen ohjaamina viinilasin ympärysmittaa pitkin kiihtyvät seisovat aallot vievät noin sekunnin maksimiamplitudin rakentamiseen ja viinilasin rikkomiseen. On korostettava taajuus matching on ratkaisevan tärkeää, eikä Amplitudi huonosti sovitettu äänisignaalin riittää rikkoa viinilasi.

tämän ilmiön simuloimiseksi piti aluksi luoda äärellinen malli viinilasista ja saada resonanssitaajuus ja sen moodimuodot. Moodit ovat eri tapoja, joilla energiaa voidaan dynaamisesti varastoida systeemiin, liike-ja potentiaalienergioiden välistä värähtelyä. Simulaatiomaailmassa voimme nähdä nämä moodimuodot rakenteen jokaisella resonanssitaajuudella ja tässä alla on tilannekuva näille moodimuodoille Altair OptiStructTM-normaalitila-analyysistä.

392,2 Hz: n resonanssitaajuudella määritettiin moodimuoto, joka pystyi riittävästi vääristämään viinilasikulhon muotoa sekä lasin vartta ja jalkaa. Tämä taajuus on hyvin ihmisäänen mahdollisen kantaman sisällä. Rakensimme sitten akustisen verkkotunnuksen lasin ympärille ja innostimme sitä tällä suurella kuormituksella.

päätapahtuma: simulaation suorittaminen

yleensä akustiset sisäiset säteilyongelmat ratkaistaan inviscid-virtauksen perusteella lineaarisella painetiheyssuhteella. Äärettömiä alkuaineita käytetään tyypillisesti ulkoisten säteilyongelmien simulointiin. Akustinen mallinnus äärellisissä ja puolittain äärettömissä verkkotunnuksissa on olennaista suureiden, kuten ulkoisen ja säteilevän kohinan ennustamisessa vibroakustisissa ongelmissa. Äärettömät elementit ovat suosittu tapa mallintaa näitä verkkotunnuksia. Akustisia äärettömiä elementtejä käytetään tässä vastaanottimen ulkoisen äänenpaineen simulointiin.

tässä äärellisessä elementtimallissa on nestepallon keskellä äänenpainelähde. Pallon sisällä viinilasi värisee äänilähteestä saadusta herätyksestä. Äärettömät elementit ovat sen pallon iho, jonka elementin normaalit osoittavat vastaanottajaa kohti. Tämä on mallinnettu tässä tarkkailla äänenpaine välillä 110 dB 140 dB, ylärajoilla ihmisäänen kestävän äänenvoimakkuuden.

akustisissa tuloksissa havaitsimme viinilasin värähtelevän 392,2 Hz: n taajuudella ja viinimaljan ympärysmitta tuottaa erittäin suuria siirtymiä, ja se on kielteistä varressa ja jalassa. Vastaanotinlevyllä havaitsimme erittäin korkean äänenpaineen, yli 140 dB. Suurin havaittu uppouma oli 120-140 dB.

The Crescendo: Hajosiko lasi?

kun käynnistimme vikaennusteet äärellisessä elementtiratkaisijassa, jonka siirtoarvot olivat 120-140 dB, havaitsimme lasin rikkoutuvan 1K-10k sinimuotoisen käyrän (0.00243 sek / sykli). Tämä vastaa alle 20 yhteensä sekuntia, alueella laulaja voisi ylläpitää huomautus. Alla olevissa simulaatiokuvissa näet särön alustettuna kulhon yläreunasta kehällä.

simulaatio tuki alkuperäistä hypoteesiamme. Lasien resonanssitaajuudella 20 sekunnin ajan jatkunut nuotti loi tarpeeksi uppoumaa maljan rikkoutumiseen. Mielenkiintoista on, että tarkennusosa hajoaa kerralla lasin särkyessä. Lasi on erinomainen testi tälle resonanssi-ilmiölle, koska se on niin hauras. Lasissa ei ole monia energiaa vaimentavia mekanismeja, joten kaikki energia menee halkeamien pituuden pidentämiseen, mikä tapahtuu hyvin nopeasti ja rikkoo viinilasin äkillisellä ja dramaattisella tavalla.

tässä simulaatiossa näemme voimakkaan esityksen ympärillämme olevista näkymättömistä voimista ja siitä, miten mekaanisten värähtelyjen leviäminen voi fyysisesti vaikuttaa esineisiin. Se on musiikkia korvillemme.