Камертон - Tuning fork

Камертон Джона Уокера с отметкой (E) и частотой в герцах (659)

А камертон является акустический резонатор в виде двухстороннего вилка с зубцами (зубья ) сформированный из U-образного стержня эластичный металл (обычно стали ). Это резонирует при определенной постоянной подача когда он вибрирует, ударяя им о поверхность или каким-либо предметом, и издает чистый музыкальный тон при высоком обертоны исчезать. Шаг камертона зависит от длины и массы двух зубцов. Это традиционные источники стандартной высоты звука для настройка музыкальные инструменты.

Камертон был изобретен в 1711 году британским музыкантом. Джон Шор, Сержант трубач и лютнист в суд.^[1]

Описание

Движение камертона А-440 (сильно преувеличено), вибрирующее в основном Режим

Камертон имеет форму вилки. акустический резонатор используется во многих приложениях для получения фиксированного тона. Основная причина использования формы вилки заключается в том, что, в отличие от многих других типов резонаторов, она дает очень чистый тон, с большей частью колебательной энергии на основная частота. Причина в том, что частота первого обертона около 5²/2² = 25/4 = ​6 ¹⁄₄ раз больше фундаментального (около2 ¹⁄₂ октавы над ним).^[2] Для сравнения: первый обертон вибрирующей струны или металлического такта на одну октаву выше (в два раза) основного тона, поэтому, когда струна щипается или ударяется по такту, ее колебания имеют тенденцию смешивать основную и обертоновую частоты. При ударе по камертону небольшая часть энергии уходит в режимы обертона; они также соответственно быстрее гаснут, оставляя чистую синусоидальную волну на основной частоте. С помощью этого чистого тона легче настраивать другие инструменты.

Еще одна причина использования формы вилки заключается в том, что ее можно удерживать у основания без увлажнение колебание. Это потому, что его главный Режим вибрации является симметричным, причем два зубца всегда движутся в противоположных направлениях, так что у основания, где встречаются два зубца, есть узел (точка отсутствия вибрационного движения), с которой, следовательно, можно работать, не снимая энергию колебаний (гашение). Тем не менее, в ручке все еще наблюдается крошечное движение в ее продольном направлении (то есть под прямым углом к ​​колебаниям зубцов), которое можно сделать слышимым с помощью любого вида дека. Таким образом, при нажатии основанием камертона на звуковую доску, такую ​​как деревянный ящик, столешница или мост музыкального инструмента, это небольшое, но очень сильное движение. акустическое давление (таким образом, очень высокий акустический импеданс ), частично преобразуется в слышимый звук в воздухе, который предполагает гораздо большее движение (скорость частицы ) при относительно низком давлении (следовательно, с низким акустическим импедансом).^[3] Шаг камертона также можно услышать прямо через костная проводимость, прижав камертон к кости сразу за ухом, или даже удерживая стержень вилки зубами, удобно оставляя обе руки свободными.^[4] Костная проводимость с помощью камертона специально используется в Вебер и Ринне тесты на слух, чтобы обойти среднее ухо. Если просто подержать на открытом воздухе, звук камертона будет очень слабым из-за акустической Несоответствие импеданса между сталью и воздухом. Более того, поскольку слабые звуковые волны, исходящие от каждого зубца, отклоняются на 180 ° фаза эти две противоположные волны вмешиваться, в значительной степени отменяя друг друга. Таким образом, когда сплошной лист вставляется между зубцами вибрирующей вилки, кажущийся объем фактически увеличивается, поскольку это подавление уменьшается, так же, как громкоговоритель требует перегородка чтобы излучать эффективно.

Коммерческие камертоны настраиваются на правильный тон на заводе, и на них штампуются высота и частота в герцах. Их можно перенастроить, сняв материал со штырей. Запиливание концов штырей увеличивает шаг, а опиливание внутренней части основания штырей снижает его.

В настоящее время наиболее распространенный камертон звучит как A = 440 Гц, стандарт концертная площадка что используют многие оркестры. Эта А - высота второй струны скрипки, первой струны альта и на октаву выше первой струны виолончели. Оркестры между 1750 и 1820 годами в основном использовали A = 423,5 Гц, хотя было много вилок и много разных высот.^[5] Доступны стандартные камертоны, которые вибрируют на всех высотах в пределах центральной октавы фортепиано, а также на других высотах. Известными производителями камертонов являются Рэгг и Джон Уокер, оба Шеффилд, Англия.

Шаг камертона незначительно меняется в зависимости от температуры, в основном из-за небольшого уменьшения модуль упругости стали с повышением температуры. Изменение частоты на 48 частей на миллион на ° F (86 частей на миллион на ° C) типично для стального камертона. Частота уменьшается (становится плоский ) с повышением температуры.^[6] Камертоны производятся с правильным шагом при стандартной температуре. В стандартная температура сейчас составляет 20 ° C (68 ° F), но 15 ° C (59 ° F) - более старый стандарт. Высота звука других инструментов также может изменяться при изменении температуры.

Расчет частоты

Частота использования камертона зависит от его размеров и от того, из чего он сделан:^[7]

${\displaystyle f={\frac {1.875^{2}}{2\pi l^{2}}}{\sqrt {\frac {EI}{\rho A}}}}$

куда:

• ж это частота вилка вибрирует в герц.
• 1,875 - наименьшее положительное решение потому что (Икс)шиш (Икс) = −1.^[8]
• л это длина зубцов в метры.
• E это Модуль для младших (модуль упругости или жесткость) материала, из которого сделана вилка. паскали.
• я это второй момент площади поперечного сечения в метрах в четвертой степени.
• ρ это плотность из материала, из которого сделана вилка килограммы за кубометр.
• А это поперечное сечение площадь зубцов (зубцов) в квадратных метрах.

Соотношение я/А в приведенном выше уравнении можно переписать как р²/4 если зубцы цилиндрические с радиусом р, и а²/12 если зубцы имеют прямоугольное сечение по ширине а по направлению движения.

Использует

Камертон традиционно использовался для настраивать музыкальные инструменты, хотя электронные тюнеры в значительной степени заменили их. Вилы можно приводить в действие от электричества, поместив электронный генератор -приводной электромагниты близко к зубцам.

В музыкальных инструментах

Номер клавиатура музыкальные инструменты используют принципы, подобные камертонам. Самый популярный из них - Родосское фортепиано, в котором молотки ударяются о металлические зубья, которые вибрируют в магнитном поле подбирать, создавая сигнал, приводящий в действие электрическое усиление. Более ранний, не усиленный дульцитон, которые напрямую использовали камертоны, страдали малой громкостью.

В часах и часах

Кварцевый резонатор от современного кварцевые часы, сформированный в виде камертона. Он вибрирует с частотой 32 768 Гц, в ультразвуковой классифицировать.

А Булова Часы Accutron 1960-х годов, в которых используется стальной камертон. (виден в центре) вибрирует с частотой 360 Гц.

В Кристалл кварца который служит элементом хронометража в современном кварцевые часы и часы имеет форму крошечного камертона. Обычно он вибрирует с частотой 32 768 Гц в ультразвуковой диапазон (выше диапазона человеческого слуха). Его заставляют вибрировать небольшими колебательными напряжениями, приложенными к металлическим электродам, нанесенным на поверхность кристалла с помощью электронный генератор схема. Кварц - это пьезоэлектрический, поэтому напряжение заставляет лапы быстро изгибаться вперед и назад.

В Accutron, электромеханические часы разработан Максом Хетцелем и изготовлен Булова начиная с 1960 г. использовался 360-герц стальной камертон в качестве хронометра, питаемый от электромагнитов, подключенных к цепи транзисторного генератора с батарейным питанием. Вилка обеспечивала большую точность, чем обычные часы с балансиром. Жужжание камертона было слышно, когда часы подносили к уху.

Медицинское и научное использование

Камертон 1 кГц вакуумная труба осциллятор используется Национальным бюро стандартов США (сейчас NIST ) в 1927 году в качестве стандарта частоты.

Альтернативы общему стандарту A = 440 включают: философский или научный подход со стандартным шагом C = 512. В соответствии с Рэлей, эту площадку использовали физики и производители акустических инструментов.^[9] Камертон Джон Шор дал Георг Фридрих Гендель дает C = 512.^[10]

Камертоны, обычно C512, используются практикующими врачами для оценки слуха пациента. Чаще всего это делается с помощью двух экзаменов, называемых Тест Вебера и Ринне тест, соответственно. Более низкие частоты, обычно на уровне C128, также используются для проверки чувствительности к вибрации в рамках исследования периферической нервной системы.^[11]

Хирурги-ортопеды исследовали использование камертона (самая низкая частота C = 128) для оценки травм, при которых подозревается перелом костей. Они удерживают конец вибрирующей вилки на коже над предполагаемым переломом, постепенно приближаясь к предполагаемому перелому. Если есть перелом, надкостница кости вибрируют, и огонь ноцицепторы (болевые рецепторы), вызывающие местную резкую боль.^{[нужна цитата ]} Это может указывать на перелом, который практикующий направляет на медицинский рентген. Острая боль от местного растяжения может дать ложный результат.^{[нужна цитата ]} Однако устоявшаяся практика требует рентгеновского снимка в любом случае, потому что это лучше, чем пропустить настоящий перелом, задаваясь вопросом, означает ли реакция растяжение. Систематический обзор, опубликованный в 2014 г. BMJ Open предполагает, что этот метод недостаточно надежен или точен для клинического использования.^[12]

Камертон также играет роль в нескольких альтернативная терапия практики, такие как сонопункция и полярная терапия.^[13]

Калибровка радара

А радар который измеряет скорость автомобилей или мяча в спорте, обычно калибруется с помощью камертона.^[14][15] Вместо частоты на этих вилках указана скорость калибровки и диапазон радара (например, диапазон X или диапазон K), для которого они откалиброваны.

В гироскопах

Двойные камертоны и камертоны H-типа используются для тактического уровня Гироскопы с вибрирующей структурой и различные виды микроэлектромеханические системы.^[16]

Датчики уровня

Камертонная вилка является чувствительной частью датчиков уровня вибрации. Датчики точечного уровня. Пьезоэлектрическое устройство поддерживает вибрацию камертона на его резонансной частоте. При контакте с твердыми телами амплитуда колебаний уменьшается, то же самое используется в качестве параметра переключения для определения предельного уровня твердых частиц.^[17] Для жидкостей резонансная частота камертона изменяется при контакте с жидкостями, изменение частоты используется для определения уровня.

Смотрите также

• Электронный тюнер
• Труба смола
• Колесо савара
• Тонометр

Рекомендации

1. Фельдманн, Х. (1997). «История камертона. I: Изобретение камертона, его ход в музыке и естествознании. Рисунки из истории оториноларингологии, представленные инструментами из коллекции Немецкого музея истории медицины Ингольштадта». Ларинго-рино-отология. 76 (2): 116–22. Дои:10.1055 / с-2007-997398. PMID  9172630.
2. Тиндаль, Джон (1915). Звук. Нью-Йорк: Д. Эпплтон и Ко. Стр. 156.
3. Россинг, Томас Д .; Мур, Ф. Ричард; Уиллер, Пол А. (2001). Наука звука (3-е изд.). Пирсон. ISBN  978-0805385656.^{[страница нужна ]}
4. Дэн Фокс (1996). Научитесь играть на мандолине. Издательство Альфред Мьюзик. ISBN  9780739002865. Получено 3 июля 2015.
5. Fletcher, Neville H .; Россинг, Томас (2008). Физика музыкальных инструментов (2-е изд.). Springer. ISBN  978-0387983745.^{[страница нужна ]}
6. Эллис, Александр Дж. (1880). «По истории музыкальной сцены». Журнал Общества искусств. 28 (545): 293–336. Bibcode:1880Натура..21..550Е. Дои:10.1038 / 021550a0.
7. Хан, Сеон М .; Бенароя, Хайм; Вэй, Тимоти (1999). «Динамика поперечно колеблющихся балок с использованием четырех инженерных теорий». Журнал звука и вибрации. 225 (5): 935–988. Bibcode:1999JSV ... 225..935H. Дои:10.1006 / jsvi.1999.2257. S2CID  121014931.
8. Уитни, Скотт (23 апреля 1999 г.). «Колебания консольных балок: отклонение, частота и исследовательское использование». Университет Небраски – Линкольн. Получено 9 ноября 2011.
9. Рэлей, Дж. У. С. (1945). Теория звука. Нью-Йорк: Дувр. п.9. ISBN  0-486-60292-3.
10. Бикертон, RC; Барр, GS (декабрь 1987 г.). «Происхождение камертона». Журнал Королевского медицинского общества. 80 (12): 771–773. Дои:10.1177/014107688708001215. ЧВК  1291142. PMID  3323515.
11. Бикли, Линн; Силагьи, Питер (2009). Руководство Бейтса по медицинскому осмотру и сбору анамнеза (10-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN  978-0-7817-8058-2.
12. Мугунтан, Каялвили; Дуст, Дженни; Курц, Бодо; Гласзиу, Пол (4 августа 2014 г.). «Достаточно ли доказательств для использования камертонных тестов при диагностике переломов? Систематический обзор». BMJ Open. 4 (8): e005238. Дои:10.1136 / bmjopen-2014-005238. ЧВК  4127942. PMID  25091014.
13. Хокинс, Хайди (август 1995). «СОНОПАНКТУРА: Иглоукалывание без игл». Новости целостного здоровья.
14. «Калибровка полицейских радаров» (PDF). Национальное бюро стандартов. 1976 г.
15. «Подробное объяснение того, как работают полицейские радары». Radars.com.au. Перт, Австралия: TCG Industrial. 2009 г.. Получено 8 апреля 2010.
16. Материалы юбилейного семинара по твердотельной гироскопии (19–21 мая 2008 г., Ялта, Украина). Киев / Харьков: АТС Украины. 2009 г. ISBN  978-976-0-25248-5.
17. [1] «Датчик уровня вибрационной вилки»

внешняя ссылка

• Onlinetuningfork.com, онлайн-камертон, использующий Macromedia Flash Player.
• "Камертон". Новая энциклопедия Кольера. 1921.
• "Камертон". Британская энциклопедия. 27 (11-е изд.). 1911. с. 392.