Digital Debunking: kan du faktiskt krossa glas med din röst?

ställa in scenen

en operasångare träffar en hög ton, skramlar publikens örontrummor och exploderar ett vinglas i salongen. Du kanske har sett detta i filmerna, men är det verkligen möjligt med ljud ensam? Är ett akustiskt angrepp från den mänskliga rösten tillräckligt kraftfullt för att krossa glas?

om du frågade någon från gatan för att prova detta experiment, skulle de troligen försöka göra två saker: sjung så högt som möjligt och sjung i högsta möjliga tonhöjd. Resultatet? Alla hundar i grannskapet kan börja skälla, men glaset skulle sannolikt förbli intakt. En person kunde skrika sig själv blå i ansiktet, men vid fel tonhöjd skulle de flesta krafterna från hans eller hennes röst återspeglas och lämna glaset oskadat.

kräver både kraft och precision, det finns en hemlighet att bryta glas med din röst ensam; en magisk ton unik för varje objekt. Ett objekt som är fritt att vibrera tenderar att göra det med en viss hastighet, kallad dess naturliga eller resonansfrekvens. Denna frekvens beror på objektets storlek, form och sammansättning. Ett objekt vibrerar starkt med praktiskt taget ingen dämpning när det utsätts för vibrationer vid sin resonansfrekvens. Omvänt återspeglar det mycket av kraften utanför detta naturliga resonansområde. Det rena ljudet som avges när du träffar ett kristallglas är glasets resonansfrekvens, och i teorin, om en sångare matchar tonhöjd med tillräcklig volym, kommer krafterna att vara kraftfulla och koncentrerade nog för att krossa glaset.

bakom kulisserna

för att bevisa denna teori satte vi upp en simulering för att se om ett kristallvinsglas skulle bryta inom den möjliga volymen och räckvidden för den mänskliga rösten. En utbildad operasångare kan hålla en anteckning på eller något över 100 decibel (dB), nästan volymen av en jackhammer. Vi behövde också bestämma om resonansfrekvensen kunde nås inom en sångers potentiella tonhöjdsområde. Genomsnittligt tal är vanligtvis mellan en frekvens på 100 till 220 hertz (Hz) och en professionell sopran frekvensområden var som helst från 250 till 1500 Hz.

den viktigaste bestämningen är den exakta resonansfrekvensen för själva glaset. Om du stimulerar vinglaset med ljud vid den frekvensen blir vibrationerna i glaset mycket intensivare än vid någon annan frekvens. Om de är intensiva nog kommer glaset att bryta.

en av hemligheterna med att bryta glaset är resonansfrekvensen ändras något, eftersom glaset vibrerar med en större förskjutning. När du trycker på glaset för att höra resonansfrekvensen är det något högre (med några Hz) än frekvensen du behöver för att bryta glaset.

förberedelser för Showtime: ställa in simuleringen

denna klassiska demonstration av resonans använder intensiva ljudvågor vars frekvens är inställd för att matcha den naturliga frekvensen hos ett vinglas. Glaset har ett högt blyinnehåll, vilket ger den högkvalitativa faktorn, Q, som krävs för denna demonstration. Glasets” kvalitet ” kan höras genom att notera hur länge det ringer efter att ha tappats. Den naturliga frekvensen hos vinglaset som ska användas mäts noggrant innan demonstrationen ligger inom ~ 0,1 Hz. När de drivs av en förstärkare och högtalare tar de stående vågorna som är upphetsade längs vinglasets omkrets ungefär en sekund för att bygga till maximal amplitud och bryta vinglaset. Det bör betonas frekvensmatchning är avgörande, och ingen amplitud av en dåligt matchad ljudsignal kommer att räcka för att bryta vinglaset.

för att simulera detta fenomen behövde vi initialt skapa en ändlig modell av ett vinglas och få resonansfrekvensen och dess lägesformer. Lägen är de olika sätten på vilka energi kan lagras dynamiskt i ett system, svängning mellan kinetiska och potentiella energier. I simuleringsvärlden kan vi se dessa lägesformer vid varje resonansfrekvens i strukturen och här har vi ögonblicksbild för dessa lägesformer nedan från Altair OptiStructTM normalläge analys.

en resonansfrekvens på 392,2 Hz bestämdes för att ha modeformen som tillräckligt kunde snedvrida formen på vinglasskålen, såväl som stammen och foten på glaset. Denna frekvens ligger väl inom det möjliga området för den mänskliga rösten. Vi byggde sedan en akustisk domän runt glaset och upphetsade den med denna höga belastning.

huvudevenemanget: kör simuleringen

generellt löses akustiska interna strålningsproblem baserat på inviscid flöde med linjär tryckdensitetsförhållande. Oändliga element används vanligtvis för att simulera externa strålningsproblem. Akustisk modellering, i ändliga och halv oändliga domäner, är väsentliga för förutsägelsen av kvantiteter, såsom externt och utstrålat brus i vibroakustiska problem. Oändliga element är ett populärt sätt att modellera dessa domäner. Akustiska oändliga element används här för att simulera det externa ljudtrycket på mottagaren.

denna finita elementmodell har en ljudtryckskälla i mitten av vätskesfären. Inuti sfären vibrerar vinglaset från excitation mottagen från ljudkällan. De oändliga elementen är huden på sfären vars elementnormaler pekar mot mottagaren. Detta modelleras här för att övervaka ljudtrycket i intervallet 110 dB till 140 dB, i de övre gränserna för den mänskliga röstens hållbara volym.

i de akustiska resultaten observerade vi att vinglaset vibrerar vid 392,2 Hz och vinskålens omkrets genererar mycket höga förskjutningar och kan negeras vid stammen och foten. På mottagarplattan observerade vi ett mycket högt ljudtryck, över 140 dB. Den observerade maximala förskjutningen var mellan 120-140 dB.

Crescendo: bröt glaset?

när vi aktiverade felförutsägelserna i finita elementlösaren med förskjutningsvärdena vid 120-140 dB observerade vi glasbrytningen mellan ett intervall av 1K-10k sinusformad kurva (0.00243 sek / cykel). Detta motsvarar mindre än 20 totala sekunder, inom intervallet en sångare kunde upprätthålla en anteckning. I simuleringsbilderna nedan kan du se sprickan initieras från toppen skålen vid omkretsen.

simuleringen stödde vår ursprungliga hypotes. En anteckning som upprätthölls i 20 sekunder vid glasets resonansfrekvens skapade tillräckligt med förskjutning för att skålen skulle gå sönder. Intressant nog bryter fokusavsnittet på en gång när glaset splittras. Glas är ett bra test för detta resonansfenomen, eftersom det är så sprött. Det finns inte många energiabsorberande mekanismer i glas, så all energi går till att förlänga spricklängden, vilket händer mycket snabbt och krossar vinglaset på ett abrupt och dramatiskt sätt.

i denna simulering ser vi en kraftfull representation av de osynliga krafterna runt oss och hur förökningen av mekaniska vibrationer fysiskt kan påverka föremål. Det är musik för våra öron.