Debunking Digital: poți sparge de fapt sticla cu vocea ta?

aranjând scena

un cântăreț de operă lovește o notă înaltă, zguduind tobele urechii publicului și explodând un pahar de vin în salon. Este posibil să fi văzut acest lucru în filme, dar este cu adevărat posibil acest lucru doar cu sunetul? Este un atac acustic al vocii umane suficient de puternic pentru a sparge sticla?

dacă ai ruga pe cineva de pe stradă să încerce acest experiment, probabil că ar încerca să facă două lucruri: cântă cât de tare pot și cântă în cel mai înalt ton posibil. Rezultatul? Toți câinii din cartier ar putea începe să latre, dar paharul ar rămâne foarte probabil intact. O persoană ar putea țipa albastru în față, dar la un pas greșit majoritatea forțelor din vocea sa ar fi reflectate, lăsând paharul nevătămat.

necesitând atât putere, cât și precizie, există un secret pentru a sparge sticla doar cu vocea ta; un ton magic unic pentru fiecare obiect. Un obiect liber să vibreze tinde să facă acest lucru la o rată specifică, numită frecvența sa naturală sau rezonantă. Această frecvență depinde de dimensiunea, forma și compoziția obiectului. Un obiect va vibra puternic, practic fără amortizare atunci când este supus vibrațiilor la frecvența sa de rezonanță. Dimpotrivă, reflectă o mare parte din forța din afara acestui interval de rezonanță naturală. Sunetul pur emis atunci când lovești un pahar de cristal este frecvența de rezonanță a sticlei și, teoretic, dacă un cântăreț se potrivește cu tonul cu un volum suficient, forțele vor fi puternice și suficient de concentrate pentru a sparge paharul.

în spatele scenei

pentru a demonstra această teorie, am creat o simulare pentru a vedea dacă un pahar de vin de cristal s-ar rupe în volumul și intervalul posibil al vocii umane. Un cântăreț de operă instruit poate susține o notă la sau puțin peste 100 de decibeli (dB), aproape volumul unui ciocan pneumatic. De asemenea, a trebuit să determinăm dacă frecvența rezonantă ar putea fi atinsă în intervalul potențial al unui cântăreț. Vorbirea medie este de obicei între o frecvență de 100 până la 220 hertz (Hz) și frecvența unei soprane profesionale variază de la 250 la 1.500 Hz.

cea mai importantă determinare este frecvența exactă de rezonanță a sticlei în sine. Dacă stimulați paharul de vin cu sunet la acea frecvență, vibrațiile din pahar vor fi mult mai intense decât la orice altă frecvență. Dacă sunt suficient de intense, paharul se va rupe.

unul dintre secretele spargerii sticlei este frecvența rezonantă se schimbă ușor, deoarece sticla vibrează cu o deplasare mai mare. Când atingeți geamul pentru a auzi frecvența de rezonanță, aceasta este puțin mai mare (cu câțiva Hz) decât frecvența de care veți avea nevoie pentru a sparge geamul.

pregătirea pentru Showtime: Configurarea simulării

această demonstrație clasică de rezonanță folosește unde sonore intense a căror frecvență este reglată pentru a se potrivi cu frecvența naturală a unui pahar de vin. Sticla are un conținut ridicat de plumb, care produce factorul de înaltă calitate, Q, necesar pentru această demonstrație. „Calitatea” sticlei poate fi auzită observând cât timp sună după atingere. Frecvența naturală a sticlei de vin care trebuie utilizată este măsurată cu atenție înainte ca demonstrația să se încadreze în ~ 0,1 Hz. Când sunt conduse de un amplificator și difuzor, undele în picioare excitate de-a lungul circumferinței paharului de vin durează aproximativ o secundă pentru a construi la amplitudine maximă și a sparge paharul de vin. Trebuie subliniat că potrivirea frecvenței este crucială și nici o amplitudine a unui semnal audio slab asortat nu va fi suficientă pentru a sparge paharul de vin.

pentru a simula acest fenomen, inițial a trebuit să creăm un model finit al unui pahar de vin și să obținem frecvența de rezonanță și formele sale de mod. Modurile sunt diferitele moduri în care energia poate fi stocată dinamic într-un sistem, oscilația dintre energiile cinetice și cele potențiale. În lumea simulării, putem vedea aceste forme de mod la fiecare frecvență de rezonanță a structurii și aici avem instantaneu pentru aceste forme de mod de mai jos din analiza modului normal Altair OptiStructTM.

o frecvență de rezonanță de 392,2 Hz a fost determinată să aibă forma modului care ar putea distorsiona suficient forma vasului de sticlă de vin, precum și tulpina și piciorul paharului. Această frecvență este bine în intervalul posibil al vocii umane. Apoi am construit un domeniu acustic în jurul sticlei și l-am entuziasmat cu această încărcare ridicată.

Evenimentul Principal: rularea simulării

în general, problemele de radiație internă acustică sunt rezolvate pe baza fluxului inviscid cu relație liniară de densitate a presiunii. Elementele Infinite sunt de obicei utilizate pentru a simula problemele de radiații externe. Modelarea acustică, în domenii finite și semi-infinite, sunt esențiale în predicția cantităților, cum ar fi zgomotul extern și radiat în probleme vibro-acustice. Elementele Infinite sunt o modalitate populară de modelare a acestor domenii. Elementele infinite acustice sunt utilizate aici pentru a simula presiunea sonoră externă asupra receptorului.

acest model de element finit are o sursă de presiune sonoră în centrul sferei fluide. În interiorul sferei, sticla de vin vibrează din excitația primită de la sursa de sunet. Elementele infinite sunt pielea sferei ale cărei elemente normale sunt îndreptate spre receptor. Acesta este modelat aici pentru a monitoriza presiunea sonoră în intervalul de la 110 dB la 140 dB, în limitele superioare ale volumului durabil al vocii umane.

în rezultatele acustice, am observat că sticla de vin vibrează la 392,2 Hz, iar circumferința bolului de vin generează deplasări foarte mari și poate fi negată la tulpină și picior. În timp ce se afla pe placa receptorului, am observat o presiune sonoră foarte mare, peste 140 dB. Deplasarea maximă observată a fost între 120-140 dB.

Crescendo-ul: s-a spart sticla?

când am pornit predicțiile de eșec în solverul cu elemente finite cu valorile de deplasare la 120-140 dB, am observat ruperea sticlei între un interval de curbă sinusoidală 1k-10k (0.00243 sec / ciclu). Aceasta echivalează cu mai puțin de 20 de secunde totale, în intervalul în care un cântăreț ar putea susține o notă. În imaginile de simulare de mai jos, puteți vedea fisura inițializată din partea de sus a bolului la circumferință.

simularea a susținut ipoteza noastră inițială. O notă susținută timp de 20 de secunde la frecvența de rezonanță a sticlei a creat suficientă deplasare pentru ca vasul să se rupă. Interesant este că secțiunea de focalizare se rupe dintr-o dată pe măsură ce sticla se sparge. Sticla este un test excelent pentru acest fenomen de rezonanță, deoarece este atât de fragil. Nu există multe mecanisme de absorbție a energiei în sticlă, astfel încât toată energia merge în extinderea lungimii fisurilor, ceea ce se întâmplă foarte repede și sparge paharul de vin într-un mod abrupt și dramatic.

în această simulare, vedem o reprezentare puternică a forțelor nevăzute din jurul nostru și modul în care propagarea vibrațiilor mecanice poate afecta fizic obiectele. Asta e muzica pentru urechile noastre.