Digital Debunking: kun je echt glas breken met je stem?

het podium instellen

een operazanger slaat een hoge noot, rammelt het publiek met de trommels en explodeert een wijnglas in de salon. Je hebt dit misschien in de film gezien, maar is dit echt mogelijk met geluid alleen? Is een akoestische aanval van de menselijke stem krachtig genoeg om glas te breken?

als je iemand van de straat vraagt om dit experiment uit te voeren, zouden ze waarschijnlijk twee dingen proberen te doen: zing zo hard als ze kunnen en zing in de hoogst mogelijke toonhoogte. Het resultaat? Alle honden in de buurt zouden kunnen beginnen te blaffen, maar het glas zou zeer waarschijnlijk intact blijven. Een persoon kon zichzelf blauw in het gezicht schreeuwen, maar op de verkeerde toonhoogte zouden de meeste krachten van zijn of haar stem worden gereflecteerd, waardoor het glas ongedeerd bleef.

vereist zowel kracht en precisie, Er is een geheim aan het breken van glas met uw stem alleen; een magische Toon uniek voor elk object. Een object vrij om te trillen heeft de neiging om dit te doen met een specifieke snelheid, de zogenaamde natuurlijke of resonantiefrequentie. Deze frequentie is afhankelijk van de grootte, vorm en samenstelling van het object. Een object zal sterk trillen met vrijwel geen demping wanneer het wordt blootgesteld aan trillingen op zijn resonantiefrequentie. Omgekeerd weerspiegelt het veel van de kracht buiten dit natuurlijke resonantiebereik. Het zuivere geluid dat wordt afgegeven wanneer u een kristalglas slaat is de resonantiefrequentie van het glas, en in theorie, als een zanger overeenkomt met toonhoogte met genoeg volume, zullen de krachten krachtig en geconcentreerd genoeg zijn om het glas te verbrijzelen.

achter de schermen

om deze theorie te bewijzen, hebben we een simulatie opgezet om te zien of een kristalwijnglas zou breken binnen het mogelijke volume en bereik van de menselijke stem. Een getrainde operazanger kan een noot op of iets boven 100 decibel (dB) dragen, bijna het volume van een drilboor. We moesten ook bepalen of de resonantiefrequentie kon worden bereikt binnen het potentiële pitchbereik van een zanger. De gemiddelde spraak ligt meestal tussen een frequentie van 100 tot 220 hertz (Hz) en het frequentiebereik van een professionele sopraan varieert van 250 tot 1.500 Hz.

de belangrijkste bepaling is de exacte resonantiefrequentie van het glas zelf. Als je het wijnglas stimuleert met geluid op die frequentie, zullen de trillingen in het glas veel intenser zijn dan op elke andere frequentie. Als ze intens genoeg zijn, zal het glas breken.

een van de geheimen van het breken van het glas is dat de resonantiefrequentie licht verandert, als het glas trilt met een grotere verplaatsing. Wanneer je op het glas tikt om de resonantiefrequentie te horen, is dat iets hoger (een paar Hz) dan de frequentie die je nodig hebt om het glas te breken.

Preparing for Showtime: het opzetten van de simulatie

deze klassieke demonstratie van resonantie maakt gebruik van intense geluidsgolven waarvan de frequentie is afgestemd op de natuurlijke frequentie van een wijnglas. Het glas heeft een hoog loodgehalte, wat de voor deze demonstratie vereiste kwaliteitsfactor Q oplevert. De” kwaliteit ” van het glas kan worden gehoord door op te merken hoe lang het na het tikken rinkelt. De natuurlijke frequentie van het te gebruiken wijnglas wordt zorgvuldig gemeten voordat de demonstratie binnen ~ 0,1 Hz ligt. Wanneer aangedreven door een versterker en luidspreker, de staande golven opgewonden langs de omtrek van het wijnglas duurt ongeveer een seconde om te bouwen tot maximale amplitude en breken het wijnglas. Het moet worden benadrukt frequentie matching is cruciaal, en geen amplitude van een slecht afgestemd audiosignaal zal genoeg zijn om het wijnglas te breken.

om dit fenomeen te simuleren, moesten we eerst een eindig model van een wijnglas maken en de resonantiefrequentie en de modusvormen verkrijgen. Modi zijn de verschillende manieren waarop energie dynamisch kan worden opgeslagen in een systeem, oscillatie tussen kinetische en potentiële energieën. In de simulatiewereld zijn we in staat om deze modusvormen te zien bij elke resonantiefrequentie van de structuur en hier hebben we snapshot voor deze modusvormen hieronder uit de Altair OptiStructTM normal mode analysis.

bij een resonantiefrequentie van 392,2 Hz werd de vorm van de modus vastgesteld die de vorm van de glazen wijnschaal, de steel en de voet van het glas voldoende kon verstoren. Deze frequentie is ruim binnen het mogelijke bereik van de menselijke stem. Daarna bouwden we een akoestisch domein rond het glas en maakten het enthousiast met deze hoge belasting.

de belangrijkste gebeurtenis: het uitvoeren van de simulatie

in het algemeen worden akoestische interne stralingsproblemen opgelost op basis van onzichtbare flow met lineaire drukdichtheid relatie. Oneindige elementen worden meestal gebruikt om externe stralingsproblemen te simuleren. Akoestische modellering, in eindige en semi-oneindige domeinen, zijn essentieel in de voorspelling van grootheden, zoals externe en uitgestraalde ruis in vibro-akoestische problemen. Oneindige elementen zijn een populaire manier om deze domeinen te modelleren. Akoestische oneindige elementen worden hier gebruikt om de externe geluidsdruk op de ontvanger te simuleren.

dit eindige-elementenmodel heeft een geluidsdrukbron in het midden van de vloeistofbol. In de bol trilt het wijnglas van opwinding die wordt ontvangen van de geluidsbron. De oneindige elementen zijn de huid van de bol waarvan de elementnormalen naar de ontvanger wijzen. Dit is hier gemodelleerd om de geluidsdruk in het bereik van 110 dB tot 140 dB te monitoren, in de bovengrens van het duurzame volume van de menselijke stem.

in de akoestische resultaten zagen we dat het wijnglas trilt bij 392,2 Hz en dat de omtrek van de wijnkom zeer hoge verschuivingen genereert, die aan de stam en de voet negeerbaar zijn. Op de ontvangerplaat zagen we een zeer hoge geluidsdruk, boven de 140 dB. De maximale verplaatsing lag tussen 120-140 dB.

het Crescendo: is het glas gebroken?

toen we de faalvoorspellingen in de eindige-elementenoplosser met de verplaatsingswaarden op 120-140 dB inschakelden, zagen we het glas breken tussen een bereik van 1K-10k sinusoïdale kromme (0.00243 sec / cyclus). Dit komt neer op minder dan 20 seconden in totaal, binnen het bereik van een zanger kan een noot te ondersteunen. In de simulatie beelden hieronder, kunt u de scheur geïnitialiseerd zien vanaf de bovenkant van de kom aan de omtrek.

de simulatie ondersteunde onze eerste hypothese. Een noot die gedurende 20 seconden op de resonantiefrequentie van het glas werd aangehouden, creëerde genoeg verplaatsing voor de kom om te breken. Interessant is dat de focus sectie breekt allemaal in een keer als het glas verbrijzelt. Glas is een geweldige test voor dit resonantiefenomeen, omdat het zo Bros is. Er zijn niet veel energieabsorberende mechanismen in glas, dus alle energie gaat naar het verlengen van de lengte van scheuren, wat heel snel gebeurt en het wijnglas op een abrupte en dramatische manier verbrijzelt.

In deze simulatie zien we een krachtige representatie van de onzichtbare krachten om ons heen en hoe de voortplanting van mechanische trillingen fysiek objecten kan beïnvloeden. Dat klinkt als muziek in onze oren.