设置舞台

歌剧歌手击中了一个高音，嘎嘎作着观众的耳朵鼓，并在客厅里爆炸葡萄酒玻璃。你可能已经在电影中看到过这一点，但这真的可以用声音独自吗？是一种从人类的声音攻击足够强大的攻击玻璃？

如果你让街上的人来做这个实验，他们可能会做两件事:尽可能大声地唱歌，用尽可能高的音调唱歌。结果呢?附近所有的狗都会开始吠叫，但玻璃很可能完好无损。一个人可以把自己的脸喊得青一块紫一块，但如果声音的音调不对，他或她声音中的大部分力量都会反射出来，而不会伤害玻璃。

要想用声音打碎玻璃，需要力量和精确度，有一个秘诀;每个物体都有独特的魔法色调。一个自由振动的物体倾向于以一个特定的频率振动，称为其自然频率或共振频率。这个频率取决于物体的大小、形状和组成。当一个物体受到其共振频率的振动时，它会剧烈振动，几乎没有衰减。相反，它反映了自然共振范围以外的大部分力。当你敲击水晶玻璃时，发出的纯声音就是玻璃的共振频率，从理论上讲，如果一个歌手将音调与足够的音量匹配起来，这种力量就会强大而集中，足以震碎玻璃。

在幕后

为了证明这一理论，我们建立了一个模拟，看看水晶酒杯是否会在可能的人类声音的可能体积和范围内突破。训练有素的歌剧歌手可以在100分贝上或略高于100分贝（DB）的情况下，几乎是Jackhammer的体积。我们还需要确定是否可以在歌手的潜在间距范围内达到谐振频率。平均语音通常在100至220赫兹（HZ）的频率之间，并且专业的Soprano的频率范围从250到1,500 Hz。

最重要的确定是玻璃本身的精确谐振频率。如果刺激频率声音的葡萄酒玻璃，玻璃上的振动将比任何其他频率更强烈。如果它们很激烈，玻璃会破裂。

打破玻璃的秘诀之一是谐振频率略微变化，因为玻璃振动较大的位移。当您点击玻璃听到谐振频率时，略高（超过几Hz）比频率要打破玻璃。

准备表演时间:设置模拟

这种经典的共振演示使用激烈的声波，其频率被调整以匹配葡萄酒玻璃的固有频率。该玻璃具有高铅含量，可产生该演示所需的高质量因子Q.通过注意敲击后的戒指有多长时间，可以听到玻璃的“质量”。在演示之前仔细测量使用的葡萄酒玻璃的固有频率在〜0.1Hz内。当由放大器和扬声器驱动时，沿着酒杯的圆周激励的驻波大约需要大约一秒钟，以构建到最大振幅并打破酒杯。它应该强调频率匹配至关重要，并且没有匹配的音频信号的幅度足以打破酒杯。

为了模拟这种现象，最初我们需要创建一个酒杯的有限型号，并获得谐振频率及其模式形状。模式是各种方式，其中能量可以动态地存储在系统中，动力学和潜在能量之间的振荡。在模拟世界中，我们能够在结构的每个谐振频率下看到这些模式形状，并且在这里我们有以下模式形状的快照Altair OptiStruct.^TM正常模式分析。

共振频率392.2赫兹确定其模态形状能够充分扭曲酒杯碗的形状，以及酒杯的杯柄和杯脚。这个频率完全在人声的可能范围之内。然后我们在玻璃周围建立了一个声域，用这个高负荷来激发它。

主要事件:运行模拟

声内辐射问题一般是基于线性压力密度关系的无粘流动来求解的。无限单元通常用于模拟外部辐射问题。声学模型，在有限和半无限域，是必不可少的预测数量，如外部噪声和辐射噪声振动声学问题。无限元素是这些领域建模的一种流行方法。本文采用声无限单元模拟接收机的外部声压。

该有限元模型在流体球体的中心具有声压源。在球体内，葡萄酒玻璃从声源收到的激励振动。无限元素是元件法线指向接收器的球体的皮肤。这是在这里建模的，以监控110 dB至140 dB的声压，在人声的可持续体积的上限中。

在声学结果中，我们观察到酒杯以392.2 Hz的频率振动，酒杯周长产生了非常高的位移，而在酒杆和底部是可以抵消的。而在接收板上，我们观察到一个非常高的声压，超过140分贝。观测到的最大位移在120-140 dB之间。

渐强:玻璃碎了吗?

当我们在位移值为120-140 dB的有限元求解器中打开失效预测时，我们观察到玻璃破碎在1k-10k正弦曲线范围内(0.00243秒/周期)。这相当于在一个歌手能够维持一个音符的范围内，总共不到20秒。在下面的模拟图像中，你可以看到从碗的顶部开始初始化的裂缝。

模拟支持我们的初始假设。在玻璃的谐振频率下持续20秒的注释为碗产生了足够的位移以打破。有趣的是，焦点部分随着玻璃渣打地打破。玻璃对于这种共振现象来说是一个很好的测试，因为它是如此脆弱。玻璃中没有许多能量吸收机制，因此所有能量都延长了裂缝的长度，这会迅速发生，并以突然和戏剧性的方式粉碎酒杯。

在这个模拟中，我们看到了我们周围看不见的力量的强大表现，以及机械振动的传播如何物理地影响物体。这对我们来说是好事。