デジタル批評：あなたは実際にあなたの声でガラスを粉砕することができますか？

舞台を設定

オペラ歌手が高い音を鳴らし、聴衆の耳のドラムをガタガタとさせ、客間でワイングラスを爆発させる。 あなたは映画の中でこれを見たことがあるかもしれませんが、これは音だけで本当に可能ですか？ 人間の声からの音響攻撃はガラスを粉砕するのに十分強力ですか？

あなたが通りの誰かにこの実験を試してみるように頼んだら、彼らはおそらく二つのことをしようとするでしょう: 彼らはおそらくできる限り大声で歌い、可能な限り最高のピッチで歌う。 結果は？ 近所のすべての犬が吠え始めるかもしれませんが、ガラスは非常に可能性が高い無傷のままになります。 人は顔の中で自分自身を青く叫ぶことができますが、間違ったピッチでは、彼または彼女の声からの力のほとんどが反映され、ガラスは無傷のままに

パワーと精度の両方を必要とする、あなたの声だけでガラスを壊す秘密があります。 自由に振動する物体は、その自然周波数または共振周波数と呼ばれる特定の速度で振動する傾向があります。 この頻度は、オブジェクトのサイズ、形状、および組成に依存します。 物体が共振周波数で振動を受けると、物体は実質的に減衰せずに強く振動します。 逆に、それはこの自然な共鳴範囲外の力の多くを反映しています。 あなたがクリスタルガラスを打つときに放つ純粋な音は、ガラスの共振周波数であり、理論的には、歌手が十分な音量でピッチに一致する場合、力はガラ

舞台裏

この理論を証明するために、水晶のワイングラスが人間の声の可能な音量と範囲内で壊れるかどうかを確認するシミュレーションを設 訓練を受けたオペラ歌手は、100デシベル（dB）、削岩機のほぼボリュームを超えるノートを維持することができます。 また、共振周波数が歌手の潜在的なピッチ範囲内で到達できるかどうかを判断する必要がありました。 平均的な音声は、典型的には100〜220ヘルツ（Hz）の周波数と250〜1,500Hzのプロのソプラノの周波数範囲の間である。

最も重要な決定は、ガラス自体の正確な共振周波数です。 その周波数で音でワイングラスを刺激すると、ガラスの振動は他のどの周波数よりもはるかに強くなります。 彼らが十分に強烈であれば、ガラスは壊れます。

ガラスを壊す秘密の一つは、ガラスがより大きな変位で振動するにつれて共振周波数がわずかに変化することです。 あなたは共振周波数を聞くためにガラスをタップすると、それはあなたがガラスを破る必要があります周波数よりもわずかに（数Hzで）高いです。

ショータイムの準備:シミュレーションの設定

この古典的な共鳴のデモは、ワイングラスの固有振動数に合わせて周波数が調整された強烈な音波を使 このガラスは鉛含有量が高く、このデモに必要な高品質の係数Qを生成します。 ガラスの”品質”は、タップした後にどのくらい鳴るかに注目することによって聞くことができます。 使用されるワイングラスの固有振動数は、デモンストレーションが〜0.1Hz以内になる前に慎重に測定されます。 アンプとスピーカーで駆動すると、ワイングラスの周囲に沿って励起された定在波は、最大振幅に構築し、ワイングラスを破るために約秒かかります。 これは、周波数マッチングが重要であり、不十分に一致したオーディオ信号のない振幅は、ワイングラスを壊すのに十分ではありません強調すべきで

この現象をシミュレートするために、最初はワイングラスの有限モデルを作成し、共振周波数とそのモード形状を取得する必要がありました。 モードは、エネルギーをシステムに動的に格納することができる様々な方法であり、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの間の振動である。 シミュレーションの世界では、構造の各共振周波数でこれらのモード形状を見ることができ、ここではAltair OptiStructTM normal mode analysisから以下のこれらのモード形状のスナップショ

392.2Hzの共振周波数は、ワイングラスのボウルの形状とガラスのステムと足を十分に歪めるモード形状を有することが決定されました。 この周波数は、人間の声の可能な範囲内に十分にあります。 その後、ガラスの周りに音響ドメインを構築し、この高負荷でそれを励起しました。

メインイベント:シミュレーションの実行

一般に、音響内部放射の問題は、線形圧力密度関係を持つ非粘性流れに基づいて解決されます。 無限の要素は、通常、外部放射問題をシミュレートするために使用されます。 有限領域および半無限領域における音響モデリングは，振動音響問題における外部雑音および放射雑音のような量の予測に不可欠である。 無限要素は、これらのドメインをモデル化する一般的な方法です。 音響の無限要素が受信機の外的な音圧を模倣するのにここに使用されている。

この有限要素モデルは、流体球の中心に音圧源を持っています。 球の中では、音源から受け取った励起からワイングラスが振動します。 無限の要素は、要素法線が受信機の方を指している球のスキンです。 これは、人間の声の持続可能な音量の上限で、110dBから140dBの範囲の音圧を監視するためにここでモデル化されています。

音響結果では、ワイングラスは392.2Hzで振動しており、ワインボウルの周囲は非常に高い変位を発生させており、茎と足で否定可能であることが観察されました。 受信機の版の間、私達は140dBの上の非常に高い音圧を、観察しました。 観測された最大変位は120-140dBの間であった。

クレッシェンド：ガラスが壊れたのか？

変位値が120-140dBの有限要素ソルバーの故障予測をオンにしたとき、1k-10kの正弦曲線（0.00243秒/サイクル）。 これは、歌手がノートを維持することができる範囲内で、20未満の合計秒に相当します。 下のシミュレーション画像では、ボウルの上から周囲の亀裂が見えます。

で開発されたガラスの形状シミュレーションは、我々の最初の仮説を支持しました。 ガラスの共振周波数で20秒間持続したノートは、ボウルが壊れるのに十分な変位を作り出しました。 興味深いことに、ガラスが粉々になるにつれて、フォーカスセクションが一度にすべて壊れます。 ガラスは非常に脆いので、この共鳴現象のための素晴らしいテストです。 ガラスには多くのエネルギー吸収機構がないので、すべてのエネルギーが亀裂の長さを延ばすことになり、非常に迅速に起こり、突然かつ劇的な方法でワイ

このシミュレーションでは、私たちの周りの目に見えない力と、機械的振動の伝播が物体に物理的にどのように影響するかを強力に表現しています。 それは私たちの耳に音楽です。