Digital Debunking: Kan Du Faktisk Knuse Glass Med Stemmen din?

Sette Scenen

en operasanger treffer en høy tone, rallende publikums øretrommer og eksploderer et vinglass i salongen. Du har kanskje sett dette i filmene,men er dette virkelig mulig med lyd alene? Er et akustisk angrep fra den menneskelige stemmen kraftig nok til å knuse glass?

hvis du spurte noen fra gaten for å prøve dette eksperimentet, ville de sannsynligvis forsøke å gjøre to ting: syng så høyt som de muligens kan og synge på høyest mulig tonehøyde. Resultatet? Alle hundene i nabolaget kan begynne å bjeffe, men glasset vil sannsynligvis forbli intakt. En person kunne skrike seg selv blå i ansiktet, men på feil tonehøyde ville de fleste kreftene fra hans eller hennes stemme bli reflektert, slik at glasset ble uskadd.

Krever både kraft og presisjon, det Er en hemmelighet å bryte glass med stemmen din alene; en magisk tone unik for hvert objekt. Et objekt som er fritt til å vibrere, har en tendens til å gjøre det med en bestemt hastighet, kalt sin naturlige eller resonansfrekvens. Denne frekvensen avhenger av størrelsen, formen og sammensetningen av objektet. Et objekt vil vibrere sterkt med nesten ingen demping når den blir utsatt for vibrasjoner ved resonansfrekvensen. Omvendt reflekterer det mye av kraften utenfor dette naturlige resonansområdet. Den rene lyden som avgis når du treffer et krystallglass, er glassets resonansfrekvens, og i teorien, hvis en sanger matcher tonehøyde med nok volum, vil kreftene være kraftige og konsentrerte nok til å knuse glasset.

Bak Kulissene

for å bevise denne teorien satte vi opp en simulering for å se om et krystallvineglass ville bryte innenfor det mulige volumet og rekkevidden av den menneskelige stemmen. En utdannet operasanger kan opprettholde et notat på eller litt over 100 desibel (dB), nesten volumet av en jackhammer. Vi trengte også å avgjøre om resonansfrekvensen kunne nås innenfor en sangers potensielle tonehøyde. Gjennomsnittlig tale er vanligvis mellom en frekvens på 100 til 220 hertz (Hz) og en profesjonell sopran frekvensområder hvor som helst fra 250 Til 1500 Hz.

den viktigste bestemmelsen er den nøyaktige resonansfrekvensen til glasset selv. Hvis du stimulerer vinglasset med lyd ved den frekvensen, vil vibrasjonene i glasset bli mye mer intense enn ved noen annen frekvens. Hvis de er intense nok, vil glasset bryte.

en av hemmelighetene til å bryte glasset er resonansfrekvensen endres litt, da glasset vibrerer med større forskyvning. Når du trykker på glasset for å høre resonansfrekvensen, er det litt høyere (med Noen Få Hz) enn frekvensen du trenger for å bryte glasset.

Forberedelse Til Showtime: Sette Opp Simuleringen

denne klassiske demonstrasjonen av resonans bruker intense lydbølger hvis frekvens er innstilt for å matche den naturlige frekvensen til et vinglass. Glasset har et høyt blyinnhold, noe Som gir den høye kvalitetsfaktoren, Q, som kreves for denne demonstrasjonen. Glassets «kvalitet» kan høres ved å merke seg hvor lenge det ringer etter å ha tappet. Den naturlige frekvensen av vinglasset som skal brukes, måles nøye før demonstrasjonen skal ligge innenfor ~ 0,1 Hz. Når drevet av en forsterker og høyttaler, stående bølger spent langs omkretsen av vin glass ta omtrent et sekund å bygge til maksimal amplitude og bryte vin glass. Det bør understrekes frekvens matching er avgjørende, og ingen amplitude av en dårlig matchet lydsignal vil være nok til å bryte vinglass.

for å simulere dette fenomenet måtte vi først lage en endelig modell av et vinglass og få resonansfrekvensen og dens modusformer. Moduser er de forskjellige måtene som energi kan lagres dynamisk i et system, svingning mellom kinetiske og potensielle energier. I simuleringsverdenen kan vi se disse modusformene ved hver resonansfrekvens av strukturen, og her har vi øyeblikksbilde for disse modusformene nedenfor Fra altair OptiStructTM normal modusanalyse.

en resonansfrekvens på 392,2 Hz ble bestemt å ha modusformen som kunne tilstrekkelig forvride formen på vinglassskålen, så vel som stammen og foten av glasset. Denne frekvensen er godt innenfor det mulige området av den menneskelige stemmen. Vi bygde deretter et akustisk domene rundt glasset og begeistret det med denne høye belastningen.

Hovedarrangementet: Kjører Simuleringen

generelt løses akustiske interne strålingsproblemer basert på usynlig strømning med lineær trykktetthetsforhold. Uendelige elementer brukes vanligvis til å simulere eksterne strålingsproblemer. Akustisk modellering, i endelige og semi-uendelige domener, er avgjørende for prediksjon av mengder, for eksempel ekstern og utstrålet støy i vibro-akustiske problemer. Uendelige elementer er en populær måte å modellere disse domenene på. Akustiske uendelige elementer brukes her for å simulere det eksterne lydtrykket på mottakeren.

denne endelige elementmodellen har en lydtrykkskilde i midten av væskesfæren. Inne i sfæren vibrerer vinglasset fra eksitasjon mottatt fra lydkilden. De uendelige elementene er sfærens hud hvis element normaler peker mot mottakeren. Dette er modellert her for å overvåke lydtrykket i området 110 dB til 140 dB, i de øvre grensene for den menneskelige stemmeens bærekraftige volum.

i de akustiske resultatene observerte vi at vinglasset vibrerer ved 392,2 Hz, og vinskålens omkrets genererer svært høye forskyvninger og negeres ved stammen og foten. Mens vi var på mottakerplaten, observerte vi et meget høyt lydtrykk, over 140 dB. Maksimal forskyvning observert var mellom 120-140 dB.

Crescendo: Knuste Glasset?

da vi slått på feilspådommene i den endelige elementløseren med forskyvningsverdiene ved 120-140 dB, observerte vi at glasset brøt mellom en rekke 1k-10k sinusformet kurve (0.00243 sek / syklus). Dette tilsvarer mindre enn 20 totalt sekunder, innenfor området en sanger kunne opprettholde et notat. I simuleringsbildene nedenfor kan du se sprekken initialisert fra toppen av bollen ved omkretsen.

simuleringen støttet vår første hypotese. Et notat opprettholdt i 20 sekunder ved resonansfrekvensen til glasset skapte nok forskyvning for bollen å bryte. Interessant, fokus delen bryter alt på en gang som glasset knuser. Glass er en god test for dette resonansfenomenet, siden det er så sprøtt. Det er ikke mange energiabsorberende mekanismer i glass, så all energi går inn i å forlenge lengden på sprekker, noe som skjer veldig raskt og knuser vinglasset på en brå og dramatisk måte.

i denne simuleringen ser vi en kraftig representasjon av de usynlige kreftene rundt oss og hvordan utbredelsen av mekaniske vibrasjoner fysisk kan påvirke objekter. Det er musikk i våre ører.