Digital Debunking: czy rzeczywiście można rozbić szkło swoim głosem?

ustawiając scenę

śpiewak operowy uderza wysoką nutą, grzechocząc w ucho publiczności i wybuchając kieliszkiem wina w salonie. Być może widzieliście to w filmach, ale czy jest to naprawdę możliwe z samym dźwiękiem? Czy akustyczny atak ludzkiego głosu jest wystarczająco silny, by rozbić szkło?

jeśli poprosisz kogoś z ulicy, aby spróbował tego eksperymentu, prawdopodobnie spróbuje zrobić dwie rzeczy: śpiewaj tak głośno, jak to tylko możliwe i śpiewaj na najwyższym możliwym poziomie. Wynik? Wszystkie psy w okolicy mogą zacząć szczekać, ale szkło prawdopodobnie pozostanie nienaruszone. Osoba mogłaby krzyczeć na niebiesko w twarz, ale przy niewłaściwej wysokości większość sił z jego głosu uległaby odbiciu, pozostawiając szybę nienaruszoną.

wymagając zarówno siły, jak i precyzji, istnieje sekret tłuczenia szkła tylko głosem; magiczny ton unikalny dla każdego obiektu. Obiekt wolny od wibracji ma tendencję do robienia tego w określonym tempie, zwanym jego naturalną lub rezonansową częstotliwością. Częstotliwość ta zależy od wielkości, kształtu i składu obiektu. Obiekt będzie wibrował silnie, praktycznie bez tłumienia, gdy zostanie poddany wibracjom z częstotliwością rezonansową. I odwrotnie, odbija ona dużą część siły poza tym naturalnym zakresem rezonansu. Czysty dźwięk wydobywający się po uderzeniu w szkło kryształowe jest częstotliwością rezonansową szkła, a teoretycznie, jeśli wokalista dopasuje wysokość dźwięku z wystarczającą głośnością, siły będą potężne i skoncentrowane na tyle, aby rozbić szkło.

za kulisami

aby udowodnić tę teorię, stworzyliśmy symulację, aby sprawdzić, czy Kryształowy kieliszek do wina pęknie w granicach możliwej głośności i zakresu ludzkiego głosu. Wyszkolony śpiewak operowy może utrzymać dźwięk na poziomie lub nieco powyżej 100 decybeli (dB), prawie głośności młota pneumatycznego. Musieliśmy również ustalić, czy częstotliwość rezonansowa może być osiągnięta w potencjalnym zakresie tonalnym piosenkarza. Średnia mowa mieści się zwykle w zakresie częstotliwości od 100 do 220 herców (Hz), a częstotliwość profesjonalnego sopranu wynosi od 250 do 1500 Hz.

najważniejszym określeniem jest dokładna częstotliwość rezonansowa samego szkła. Jeśli pobudzisz kieliszek do wina dźwiękiem o tej częstotliwości, wibracje w kieliszku będą znacznie bardziej intensywne niż przy jakiejkolwiek innej częstotliwości. Jeśli są wystarczająco intensywne, szkło pęknie.

jednym z sekretów rozbicia szyby jest nieznaczna zmiana częstotliwości rezonansowej, ponieważ szkło wibruje z większym przesunięciem. Kiedy stukasz w szybę, aby usłyszeć częstotliwość rezonansową, która jest nieco wyższa (o kilka Hz) niż częstotliwość, którą musisz rozbić szybę.

przygotowanie do Showtime: ustawienie symulacji

ta klasyczna demonstracja rezonansu wykorzystuje intensywne fale dźwiękowe, których częstotliwość jest dostrojona tak, aby pasowała do naturalnej częstotliwości kieliszka do wina. Szkło ma wysoką zawartość ołowiu, co daje wysoki współczynnik jakości, Q, wymagany do tej demonstracji. „Jakość” szkła można usłyszeć, zauważając, jak długo dzwoni po stuknięciu. Naturalna częstotliwość używanego kieliszka do wina jest dokładnie mierzona przed demonstracją w granicach ~ 0,1 Hz. Podczas napędzania przez wzmacniacz i głośnik, fale stojące wzbudzone wzdłuż obwodu kieliszka do wina zajmują około sekundy, aby zbudować maksymalną amplitudę i rozbić kieliszek do wina. Należy podkreślić, że dopasowanie częstotliwości jest kluczowe, a żadna Amplituda źle dopasowanego sygnału audio nie wystarczy, aby rozbić kieliszek wina.

aby zasymulować to zjawisko, początkowo musieliśmy stworzyć skończony model kieliszka do wina i uzyskać częstotliwość rezonansową i jej kształty trybów. Tryby to różne sposoby dynamicznego magazynowania energii w układzie, oscylacja pomiędzy energiami kinetycznymi i potencjalnymi. W świecie symulacji jesteśmy w stanie zobaczyć te kształty trybu przy każdej częstotliwości rezonansowej struktury, a tutaj mamy migawkę dla tych kształtów trybu poniżej z analizy trybu normalnego Altair OptiStructTM.

ustalono, że częstotliwość rezonansowa 392,2 Hz ma kształt trybu, który może wystarczająco zniekształcić kształt miski kieliszka do wina, a także trzonu i stopy kieliszka. Częstotliwość ta mieści się w możliwym zakresie ludzkiego głosu. Następnie zbudowaliśmy domenę akustyczną wokół Szyby i wzbudziliśmy ją tak dużym obciążeniem.

główne wydarzenie: uruchomienie symulacji

Ogólnie Rzecz Biorąc, akustyczne problemy z promieniowaniem wewnętrznym są rozwiązywane w oparciu o niewidoczny przepływ z liniową relacją gęstości ciśnienia. Nieskończone elementy są zwykle używane do symulacji problemów z promieniowaniem zewnętrznym. Modelowanie akustyczne, w domenach skończonych i pół-nieskończonych, jest niezbędne w przewidywaniu wielkości, takich jak hałas zewnętrzny i promieniowany w problemach wibroakustycznych. Elementy nieskończone są popularnym sposobem modelowania tych domen. Acoustic infinite elements służą tu do symulacji zewnętrznego ciśnienia akustycznego na odbiorniku.

ten model elementów skończonych ma źródło ciśnienia akustycznego w centrum sfery płynu. Wewnątrz kuli kieliszek do wina wibruje od wzbudzenia otrzymanego ze źródła dźwięku. Elementy nieskończone są skórą sfery, której elementy skierowane są w stronę odbiornika. To jest modelowane tutaj do monitorowania ciśnienia akustycznego w zakresie od 110 dB do 140 dB, w górnej granicy zrównoważonego głośności ludzkiego głosu.

w wynikach akustycznych zaobserwowaliśmy, że kieliszek do wina wibruje przy 392,2 Hz, a obwód miski do wina generuje bardzo wysokie przemieszczenia i jest ujemny w trzonie i stopie. Na płycie odbiornika zaobserwowaliśmy bardzo wysokie ciśnienie akustyczne, powyżej 140 dB. Maksymalna obserwowana Wyporność wynosiła 120-140 dB.

Crescendo: stłukła się szyba?

kiedy włączyliśmy przewidywania awarii w rozwiązywaniu elementów skończonych z wartościami przemieszczenia przy 120-140 dB, zaobserwowaliśmy rozbicie szkła w zakresie 1K-10K sinusoidalnej krzywej (0.00243 sek / cykl). Oznacza to mniej niż 20 sekund, w zakresie, w jakim śpiewak może utrzymać nutę. Na poniższych obrazach symulacji widać pęknięcie zainicjowane od góry Miski na obwodzie.

symulacja wsparła naszą wstępną hipotezę. Nuta utrzymywana przez 20 sekund przy częstotliwości rezonansowej szkła stworzyła wystarczające przemieszczenie, aby miska pękła. Co ciekawe, sekcja ostrości rozbija się naraz, gdy szkło rozbija się. Szkło jest doskonałym testem na to zjawisko rezonansu, ponieważ jest tak kruche. W szkle nie ma wielu mechanizmów pochłaniania energii, więc cała energia idzie w wydłużenie długości pęknięć, co dzieje się bardzo szybko i rozbija kieliszek wina w nagły i dramatyczny sposób.

w tej symulacji widzimy potężną reprezentację niewidzialnych sił wokół nas i jak propagacja wibracji mechanicznych może fizycznie wpływać na obiekty. To muzyka dla naszych uszu.