Debunking digitale: puoi davvero frantumare il vetro con la tua voce?

Allestire il palco

Un cantante d’opera colpisce una nota alta, scuotendo i tamburi del pubblico e facendo esplodere un bicchiere di vino nel salotto. Potreste aver visto questo nei film, ma è davvero possibile con il suono da solo? È un assalto acustico dalla voce umana abbastanza potente per frantumare il vetro?

Se hai chiesto a qualcuno fuori strada di provare questo esperimento, probabilmente tenteranno di fare due cose: canta il più forte possibile e canta nel tono più alto possibile. Il risultato? Tutti i cani del quartiere potrebbero iniziare ad abbaiare, ma il vetro molto probabilmente rimarrà intatto. Una persona potrebbe urlare se stesso o se stessa blu in faccia, ma al tono sbagliato la maggior parte delle forze dalla sua voce sarebbe riflessa, lasciando il vetro illeso.

Richiedendo potenza e precisione, c’è un segreto per rompere il vetro solo con la tua voce; un tono magico unico per ogni oggetto. Un oggetto libero di vibrare tende a farlo ad una velocità specifica, chiamata la sua frequenza naturale o risonante. Questa frequenza dipende dalla dimensione, dalla forma e dalla composizione dell’oggetto. Un oggetto vibrerà fortemente con praticamente nessun smorzamento quando è sottoposto a vibrazioni alla sua frequenza di risonanza. Al contrario, riflette gran parte della forza al di fuori di questa gamma di risonanza naturale. Il suono puro emesso quando si colpisce un bicchiere di cristallo è la frequenza di risonanza del vetro, e in teoria, se un cantante corrisponde passo con abbastanza volume, le forze saranno potenti e concentrati abbastanza per frantumare il vetro.

Dietro le quinte

Per dimostrare questa teoria, abbiamo creato una simulazione per vedere se un bicchiere di vino di cristallo si romperebbe all’interno del volume e della gamma possibili della voce umana. Un cantante d’opera addestrato può sostenere una nota pari o leggermente superiore a 100 decibel (dB), quasi il volume di un martello pneumatico. Avevamo anche bisogno di determinare se la frequenza di risonanza poteva essere raggiunta all’interno del potenziale intervallo di intonazione di un cantante. Il discorso medio è tipicamente tra una frequenza di 100 a 220 hertz (Hz) e la frequenza di un soprano professionale varia da 250 a 1.500 Hz.

La determinazione più importante è l’esatta frequenza di risonanza del vetro stesso. Se stimoli il bicchiere di vino con il suono a quella frequenza, le vibrazioni nel bicchiere saranno molto più intense rispetto a qualsiasi altra frequenza. Se sono abbastanza intensi, il vetro si romperà.

Uno dei segreti della rottura del vetro è la frequenza di risonanza che cambia leggermente, poiché il vetro vibra con uno spostamento maggiore. Quando si tocca il vetro per sentire la frequenza di risonanza, che è leggermente superiore (di pochi Hz) rispetto alla frequenza è necessario rompere il vetro.

Preparazione per Showtime: Impostazione della simulazione

Questa classica dimostrazione di risonanza utilizza onde sonore intense la cui frequenza è sintonizzata per abbinare la frequenza naturale di un bicchiere di vino. Il vetro ha un alto contenuto di piombo, che produce il fattore di alta qualità, Q, richiesto per questa dimostrazione. La” qualità ” del vetro può essere ascoltata notando quanto tempo suona dopo aver toccato. La frequenza naturale del bicchiere da vino da utilizzare viene accuratamente misurata prima della dimostrazione per essere entro ~ 0,1 Hz. Quando guidato da un amplificatore e altoparlante, le onde stazionarie eccitato lungo la circonferenza del bicchiere di vino prendere circa un secondo per costruire alla massima ampiezza e rompere il bicchiere di vino. Va sottolineato corrispondenza di frequenza è fondamentale, e nessuna ampiezza di un segnale audio mal abbinato sarà sufficiente a rompere il bicchiere di vino.

Per simulare questo fenomeno, inizialmente avevamo bisogno di creare un modello finito di un bicchiere di vino e ottenere la frequenza di risonanza e le sue forme di modalità. I modi sono i vari modi in cui l’energia può essere immagazzinata dinamicamente in un sistema, oscillazione tra energie cinetiche e potenziali. Nel mondo della simulazione, siamo in grado di vedere queste forme di modalità ad ogni frequenza di risonanza della struttura e qui abbiamo un’istantanea per queste forme di modalità di seguito dall’analisi in modalità normale di Altair OptiStructTM.

Una frequenza di risonanza di 392,2 Hz è stata determinata per avere la forma del modo che potesse distorcere sufficientemente la forma della ciotola del bicchiere da vino, così come il gambo e il piede del bicchiere. Questa frequenza è ben all’interno della gamma possibile della voce umana. Abbiamo quindi costruito un dominio acustico attorno al vetro e lo abbiamo eccitato con questo carico elevato.

L’evento principale: Esecuzione della simulazione

Generalmente, i problemi di radiazione acustica interna sono risolti in base al flusso invisibile con rapporto di densità di pressione lineare. Elementi infiniti sono in genere utilizzati per simulare problemi di radiazione esterna. La modellazione acustica, in domini finiti e semi-infiniti, è essenziale nella previsione di grandezze, come il rumore esterno e irradiato nei problemi vibro-acustici. Gli elementi infiniti sono un modo popolare di modellare questi domini. Gli elementi infiniti acustici vengono utilizzati qui per simulare la pressione sonora esterna sul ricevitore.

Questo modello ad elementi finiti ha una sorgente di pressione sonora al centro della sfera del fluido. All’interno della sfera, il bicchiere da vino vibra dall’eccitazione ricevuta dalla sorgente sonora. Gli elementi infiniti sono la pelle della sfera i cui elementi normali puntano verso il ricevitore. Questo è modellato qui per monitorare la pressione sonora nell’intervallo da 110 dB a 140 dB, nei limiti superiori del volume sostenibile della voce umana.

Nei risultati acustici, abbiamo osservato che il bicchiere da vino vibra a 392,2 Hz e che la circonferenza della ciotola del vino genera spostamenti molto elevati e negabili allo stelo e al piede. Mentre sulla piastra del ricevitore, abbiamo osservato una pressione sonora molto alta, superiore a 140 dB. Lo spostamento massimo osservato era compreso tra 120-140 dB.

Il Crescendo: si è rotto il vetro?

Quando abbiamo attivato le previsioni di guasto nel risolutore ad elementi finiti con i valori di spostamento a 120-140 dB, abbiamo osservato la rottura del vetro tra un intervallo di 1k-10k curva sinusoidale (0.00243 sec / ciclo). Ciò equivale a meno di 20 secondi totali, nell’intervallo in cui un cantante potrebbe sostenere una nota. Nelle immagini di simulazione qui sotto, si può vedere il crack inizializzato dalla parte superiore della ciotola alla circonferenza.

La simulazione ha supportato la nostra ipotesi iniziale. Una nota sostenuta per 20 secondi alla frequenza di risonanza del vetro ha creato uno spostamento sufficiente per rompere la ciotola. È interessante notare che la sezione di messa a fuoco si rompe tutto in una volta come il vetro si frantuma. Il vetro è un ottimo test per questo fenomeno di risonanza, poiché è così fragile. Non ci sono molti meccanismi di assorbimento di energia nel vetro, quindi tutta l’energia va ad estendere la lunghezza delle fessure, il che accade molto rapidamente e frantuma il bicchiere di vino in modo brusco e drammatico.

In questa simulazione, vediamo una potente rappresentazione delle forze invisibili che ci circondano e di come la propagazione delle vibrazioni meccaniche possa avere un impatto fisico sugli oggetti. Questa è musica per le nostre orecchie.