Digital Debuning：你能用声音粉碎玻璃吗？

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？

如果你询问街道上的某人试试这个实验，他们可能会尝试做两件事：唱歌，因为他们可能能够在最高的球场上唱歌。结果？邻里的所有狗都可能开始吠叫，但玻璃很可能保持完整。一个人可以在脸上尖叫自己或她自己的蓝色，但是在错误的音调中，来自他或她的声音的大部分力量都会被反射，让玻璃造成不安。

需要功率和精度，有一个秘密打破玻璃用你的声音;每个对象都是独一无二的魔术的语气。自由振动的物体往往以特定的速率为单位，称为其天然或谐振频率。该频率取决于物体的尺寸，形状和组成。当在其谐振频率的振动经受振动时，物体将强烈地振动。相反，它反映了在这种自然共振范围之外的大部分力。当你撞击水晶玻璃是玻璃'谐振频率的纯声音，理论上，如果歌手与足够的音量匹配沥青，力量将能够强大并集中足以打击玻璃。

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Showtime：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值正常模式分析。

谐振频率392.2 Hz.确定具有可以充分扭曲酒杯碗的形状的模式形状，以及玻璃的杆和脚。这种频率在人类声音的可能范围内。然后，我们在玻璃周围构建了一个声学域，并用这种高负荷激发了它。

主事件：运行模拟

通常，基于具有线性压力密度关系的缺陷流来解决声学内部辐射问题。无限元素通常用于模拟外部辐射问题。在有限和半无限域中，在有限和半无限域中是必不可少的，例如vibro-声问题中的外部和辐射噪声。无限元素是建模这些域的流行方式。这里使用声学无限元素来模拟接收器上的外部声压。

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，我们观察到葡萄酒玻璃在392.2 Hz振动，葡萄酒碗周长产生非常高的位移，并且在茎和脚下消极。在接收器板上，我们观察到一个非常高的声压，高于140 dB。观察到的最大位移在120-140dB之间。

Crescendo：玻璃休息了吗？

当我们在120-140 dB的位移值打开有限元求解器中打开有限元求解器的故障预测时，我们观察到在1K-10K正弦曲线（0.00243秒/循环）之间的玻璃中断裂。这相当于少于20个总秒，在歌手可以维持票据的范围内。在下面的仿真图像中，您可以看到圆周从碗上初始化的裂缝。

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。

在这一模拟中，我们看到我们周围的看不见的力量的强大表示以及机械振动的传播如何物理地影响物体。这是我们耳朵的音乐。