振動解析-音でワイングラスを割る

ワイングラスが共振するとどのように揺れる

振動解析の結果、モード１では１秒間に81回の振動（81Hz）でワイングラスが共振すると判明しました。揺れ方の大きい箇所を赤色、小さい箇所を青色で表しています。

振動解析では、各モードにおけるワイングラスの揺れ方を調べることができます。モードの右横の振動数は振動解析によって求めた固有振動数です。固有振動数と同じ振動数の揺れが外部から加えられると、共振によりワイングラスの振幅が大きくなります。

モード1とモード2では、ワイングラスの上部全体が振動する解析結果になりました。

モード4とモード5では、ワイングラスの縁に振動の大きな箇所と振動の少ない箇所が交互に表れます。共振によりワイングラスの振動が大きくなっていき、やがて振動に耐えられなくなるとワイングラスは割れてしまいます。

モード８とモード９でも、ワイングラスの縁に振動の大きな箇所と振動の少ない箇所が交互に表れて、グラスが波打っている様子がシミュレーションで観察できます。

　

各振動数での揺れ方をシミュレーション

固有振動数が求まったので、次は各振動数でワイングラスがどのように揺れるのか可視化します。振動解析では、対象物上の任意点の加速度、ミーゼス応力、変位などの計算と数値化が可能です。

下図では、ミーゼス応力の大小を色分けして表示しています。応力が小さいところは青色、応力の大きいところは赤色で表示しています。ガラスが振動すると、圧縮される部分と引っ張られる部分が生じます。ガラスは圧縮には強く、引張には弱い性質を持っているので、ガラスを引っ張る力が強くなると割れにつながります。

解析では、モード4～7の固有振動数に近い600Hzでワイングラスに掛かる応力が最大になりました。600Hzで共振してワイングラスが大きく振動するため、応力が強いことを示す赤色の部分がワイングラス全体に広がっています。

振動解析では、任意の振動数での揺れ方をシミュレーションすることができます。モード8～10の固有振動数が1500Hz付近であることを確認しているため、1300Hzから1600Hzまでの振動数で共振する場合のワイングラスに掛かるミーゼス応力も確認します。

1500Hzの振動数では、ワイングラスの縁に振動の大きな箇所と振動の少ない箇所が交互に表れることが確認できます。しかし、600Hzでは応力が大きいことを示す赤色箇所が多かったのに対し、1500Hzでは赤い色箇所が少なくなっています。

以上の結果から、ワイングラスを割るには固有振動数と同じ600Hzの音を当てることが最も効果的とわかりました。共振することで振動がどんどん大きくなり、やがてワイングラスが割れる結果につながります。

声でワイングラスを割ることはできるのか？

固有振動数と同じ振動を当てることで共振じて、ワイングラスに大きな応力がかかることが振動解析によって確認できました。上例のワイングラスは600Hzの振動で共振するため、600Hzの声で振動させればワイングラスを割ることができると考えられます。

ただし、音は空気中で減衰するため、ワイングラスのすぐ近くで音を出す必要があります。

また、歌声だけで少し離れた家の窓ガラスが割れたり、小鳥が落ちたりといった現象を起こすことは難しそうです。

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