Digital Debunking: você pode realmente partir vidro com a sua voz?

Setting the Stage

An opera singer hits a high note, ratling the audiower’s e exploding a wine glass in the drawing room. Você pode ter visto isso nos filmes, mas isso é realmente possível com o som sozinho? Um ataque acústico da voz humana é suficientemente poderoso para partir vidro?Se você pedisse a alguém fora das ruas para experimentar esta experiência, provavelmente tentariam fazer duas coisas.: cantem o mais alto que puderem e cantem no tom mais alto possível. O resultado? Todos os cães da vizinhança podem começar a ladrar, mas o vidro provavelmente permanecerá intacto. Uma pessoa poderia gritar a si mesma ou a si mesma azul na cara, mas no tom errado a maioria das forças de sua voz seria refletida, deixando o vidro ileso.Requerendo tanto poder quanto precisão, há um segredo para quebrar vidro apenas com a sua voz; um tom mágico único para cada objeto. Um objeto livre para vibrar tende a fazê-lo a uma taxa específica, chamada sua frequência natural ou ressonante. Esta frequência depende do tamanho, forma e composição do objeto. Um objeto vibrará fortemente com virtualmente nenhum amortecimento quando estiver sujeito a vibrações em sua frequência ressonante. Por outro lado, reflete grande parte da força fora desta faixa de ressonância natural. O som puro Dado fora quando você golpeia um vidro de cristal é a frequência ressonante do vidro, e em teoria, se um cantor iguala a altura com volume suficiente, as forças serão poderosas e concentradas o suficiente para quebrar o vidro.

nos bastidores

a fim de provar esta teoria, montamos uma simulação para ver se um copo de vinho cristal iria quebrar dentro do possível volume e alcance da voz humana. Um cantor de ópera treinado pode sustentar uma nota a 100 decibéis (dB), quase o volume de um martelo pneumático. Também precisávamos determinar se a frequência ressonante poderia ser alcançada dentro do alcance de um cantor. A fala média é tipicamente entre uma frequência de 100 a 220 hertz (Hz) e a frequência de uma soprano profissional varia entre 250 e 1500 Hz.

a determinação mais importante é a frequência de ressonância exata do próprio vidro. Se você estimular o copo de vinho com som a essa frequência, as vibrações no copo serão muito mais intensas do que em qualquer outra frequência. Se eles são intensos o suficiente, o vidro vai quebrar.

um dos segredos de quebrar o vidro é a frequência ressonante muda ligeiramente, como o vidro vibra com um deslocamento maior. Quando você toca o vidro para ouvir a frequência ressonante, que é ligeiramente maior (por alguns Hz) do que a frequência que você vai precisar para quebrar o vidro.

preparação para o Showtime: configurar a simulação

esta demonstração clássica de ressonância utiliza ondas sonoras intensas cuja frequência é ajustada para corresponder à frequência natural de um copo de vinho. O vidro tem um alto teor de chumbo, que produz o Fator de alta qualidade, Q, necessário para esta demonstração. A “qualidade”do vidro pode ser ouvida observando quanto tempo ele toca depois de bater. A frequência natural do copo de vinho a utilizar é cuidadosamente medida antes da demonstração ser de ~ 0,1 Hz. Quando impulsionadas por um amplificador e alto-falante, as ondas de pé excitadas ao longo da circunferência do copo de vinho levam cerca de um segundo para construir a amplitude máxima e quebrar o copo de vinho. Deve ser enfatizada correspondência de frequência é crucial, e nenhuma amplitude de um sinal de áudio mal correspondido será suficiente para quebrar o copo de vinho.

para simular este fenômeno, inicialmente precisávamos criar um modelo finito de um copo de Vinho e obter a frequência de ressonância e suas formas de modo. Modos são as várias maneiras pelas quais a energia pode ser armazenada dinamicamente em um sistema, oscilação entre as energias cinética e potencial. No mundo da simulação, nós somos capazes de ver essas formas de modo em cada frequência de ressonância da estrutura e aqui temos instantâneo para essas formas de modo abaixo a partir da análise Altair OptiStructTM modo normal.

uma frequência de ressonância de 392,2 Hz foi determinada para ter a forma de modo que poderia distorcer suficientemente a forma da Taça de vidro de vinho, bem como o caule e o pé do vidro. Esta frequência está bem dentro do possível alcance da voz humana. Então construímos um domínio acústico em torno do vidro e o excitamos com esse alto carregamento.

o evento principal: rodando a simulação

geralmente, os problemas de radiação acústica interna são resolvidos com base no fluxo invisível com relação de densidade de pressão linear. Elementos infinitos são tipicamente usados para simular problemas de radiação externa. Modelagem acústica, em domínios finitos e semi-infinitos, são essenciais na previsão de quantidades, como ruído externo e radiado em problemas vibro-acústicos. Elementos infinitos são uma forma popular de modelar esses domínios. Elementos acústicos infinitos são usados aqui para simular a pressão sonora externa no receptor.

este modelo de elemento finito tem uma fonte de pressão sonora no centro da esfera de fluido. Dentro da esfera, o copo de vinho vibra da excitação recebida da fonte sonora. Os elementos infinitos são a pele da esfera cujos elementos normais estão apontando para o receptor. Isto é modelado aqui para monitorar a pressão sonora na faixa de 110 dB a 140 dB, nos limites superiores do volume sustentável da voz humana.

nos resultados acústicos, observamos que o copo de vinho está vibrando a 392,2 Hz e a circunferência da Taça de vinho está gerando deslocamentos muito altos, e negável no caule e pé. Enquanto na placa do receptor, observamos uma pressão sonora muito alta, acima de 140 dB. O deslocamento máximo observado foi de 120-140 dB.O Crescendo: o vidro partiu-se?

When we turned on the failure predictions in the finite element solver with the displacement values at 120-140 dB, we observed the glass breaking between a range of 1k-10k sinusoidal curve (0.00243 s / ciclo). Isso equivale a menos de 20 segundos no total, dentro da faixa que um cantor poderia sustentar uma nota. Nas imagens de simulação abaixo, você pode ver a fenda inicializada do topo da tigela na circunferência.

the simulation supported our initial hypothesis. Uma nota mantida durante 20 segundos na frequência ressonante do vidro criou deslocamento suficiente para a tigela quebrar. Curiosamente, a secção de foco parte-se ao mesmo tempo que o vidro quebra. O vidro é um grande teste para este fenômeno de ressonância, já que é tão frágil. Não há muitos mecanismos de absorção de energia no vidro, por isso toda a energia vai para a extensão do comprimento de rachaduras, que acontece muito rapidamente e quebra o copo de vinho de uma forma abrupta e dramática.

nesta simulação, vemos uma poderosa representação das forças invisíveis que nos rodeiam e como a propagação de vibrações mecânicas podem fisicamente impacto de objetos. Isso é música para os nossos ouvidos.