Камертон: устройство для получения чистого тона.

Введение

Устройство, которое при ударе генерирует звуки постоянной высоты тона.

Камертон – это акустический резонатор в форме двухзубой вилки, зубья (рожки) которой образованы U-образной планкой из упругого металла (обычно стали). Он резонирует на определенной постоянной высоте тона при введении в колебание ударом о поверхность или предмет, и излучает чистый музыкальный тон после затухания высоких обертонов. Высота тона камертона зависит от длины и массы его зубьев. Камертоны традиционно используются в качестве эталонных источников высоты для настройки музыкальных инструментов. Камертон был изобретен в 1711 году британским музыкантом Джоном Шором, сержантом-трубачом и лютнистом королевского двора.

Описание

Настройка вилки – это форкообразный акустический резонатор, используемый во многих приложениях для получения фиксированной тональности. Основная причина использования форкообразной формы заключается в том, что, в отличие от многих других типов резонаторов, она производит очень чистый тон, при этом большая часть энергии вибрации сосредоточена на основной частоте. Это происходит потому, что частота первого обертона примерно в 6 ¼ раза выше основной (около 2 ½ октав выше). Для сравнения, первый обертон вибрирующей струны или металлического стержня на одну октаву выше (в два раза) основной частоты, поэтому при защипывании струны или ударе по стержню их вибрации склонны смешивать основную и обертонные частоты. Когда настройка вилки приводится в действие, мало энергии уходит на обертонные моды; они также затухают соответственно быстрее, оставляя чистую синусоидальную волну на основной частоте. Другие инструменты легче настраивать с использованием этого чистого тона. Другая причина использования форкообразной формы заключается в том, что ее можно удерживать за основание, не гася колебания. Это связано с тем, что основной способ вибрации симметричен, при этом два зубца всегда движутся в противоположных направлениях, так что в основании, где зубцы встречаются, находится узел (точка без вибрационного движения), который, следовательно, можно удерживать, не отнимая энергию у колебания (не вызывая затухания). Однако в рукоятке все еще присутствует небольшое движение в продольном направлении (то есть под прямым углом к колебанию зубцов), которое можно услышать, используя любую звуковую деку. Таким образом, прижимая основание настройка вилки к звуковой деке, такой как деревянная коробка, столешница или подставка музыкального инструмента, это небольшое движение, но при высоком акустическом давлении (следовательно, с очень высоким акустическим импедансом), частично преобразуется в слышимый звук в воздухе, который включает в себя гораздо большее движение (скорость частиц) при относительно низком давлении (следовательно, низком акустическом импедансе). Точность настройки вилки также можно услышать непосредственно через костную проводимость, прижимая вилку к кости сразу за ухом или даже удерживая стержень вилки в зубах, освобождая обе руки. Костная проводимость с использованием настройка вилки специально используется в тестах Вебера и Ринне для слуха, чтобы обойти среднее ухо. Если просто держать настройка вилку на открытом воздухе, звук будет очень слабым из-за несоответствия акустического импеданса между сталью и воздухом. Кроме того, поскольку слабые звуковые волны, исходящие от каждого зубца, сдвинуты по фазе на 180°, эти две противоположные волны интерферируют друг с другом, в значительной степени взаимно уничтожаясь. Таким образом, когда твердый лист вставляется между зубцами вибрирующей вилки, кажущийся объем фактически увеличивается, поскольку это взаимное уничтожение уменьшается, как и динамику требуется перегородка для эффективного излучения. Коммерческие настройка вилки настроены на правильную тональность на заводе, и тональность и частота в герцах наносятся на них. Их можно перенастроить, снимая материал с зубцов. Снятие материала с концов зубцов повышает тональность, а снятие материала с внутренней стороны основания зубцов понижает ее. В настоящее время наиболее распространенной тональностью является нота Ля = 440 Гц, стандартная концертная тональность, используемая многими оркестрами. Эта Ля соответствует высоте второй по высоте струны скрипки, самой высокой струны альто и октавой выше самой высокой струны виолончели. Оркестры между 1750 и 1820 годами в основном использовали Ля = 423,5 Гц, хотя было много вилок и много немного отличающихся тональностей. Доступны стандартные настройка вилки, которые вибрируют на всех тональностях в центральной октаве фортепиано, а также на других тональностях. Тональность настройка вилки незначительно меняется с температурой, главным образом из-за небольшого снижения модуля упругости стали с повышением температуры. Изменение частоты на 48 частей на миллион на °F (86 ppm на °C) является типичным для стальной настройка вилки. Частота уменьшается (становится ниже) с повышением температуры. Настройка вилки изготавливается так, чтобы иметь правильную тональность при стандартной температуре. Стандартная температура в настоящее время, но это более старый стандарт. Тональность других инструментов также подвержена изменениям с изменением температуры.

A tuning fork is a fork shaped acoustic resonator used in many applications to produce a fixed tone. The main reason for using the fork shape is that, unlike many other types of resonators, it produces a very pure tone, with most of the vibrational energy at the fundamental frequency. The reason for this is that the frequency of the first overtone is about = = 6 1/4 times the fundamental (about 2 1/2 octaves above it). By comparison, the first overtone of a vibrating string or metal bar is one octave above (twice) the fundamental, so when the string is plucked or the bar is struck, its vibrations tend to mix the fundamental and overtone frequencies. When the tuning fork is struck, little of the energy goes into the overtone modes; they also die out correspondingly faster, leaving a pure sine wave at the fundamental frequency. It is easier to tune other instruments with this pure tone. Another reason for using the fork shape is that it can then be held at the base without damping the oscillation. That is because its principal mode of vibration is symmetric, with the two prongs always moving in opposite directions, so that at the base where the two prongs meet there is a node (point of no vibratory motion) which can therefore be handled without removing energy from the oscillation (damping). However, there is still a tiny motion induced in the handle in its longitudinal direction (thus at right angles to the oscillation of the prongs) which can be made audible using any sort of sound board. Thus by pressing the tuning fork's base against a sound board such as a wooden box, table top, or bridge of a musical instrument, this small motion, but which is at a high acoustic pressure (thus a very high acoustic impedance), is partly converted into audible sound in air which involves a much greater motion (particle velocity) at a relatively low pressure (thus low acoustic impedance). The pitch of a tuning fork can also be heard directly through bone conduction, by pressing the tuning fork against the bone just behind the ear, or even by holding the stem of the fork in one's teeth, conveniently leaving both hands free. Bone conduction using a tuning fork is specifically used in the Weber and Rinne tests for hearing in order to bypass the middle ear. If just held in open air, the sound of a tuning fork is very faint due to the acoustic impedance mismatch between the steel and air. Moreover, since the feeble sound waves emanating from each prong are 180° out of phase, those two opposite waves interfere, largely cancelling each other. Thus when a solid sheet is slid in between the prongs of a vibrating fork, the apparent volume actually increases, as this cancellation is reduced, just as a loudspeaker requires a baffle in order to radiate efficiently. Commercial tuning forks are tuned to the correct pitch at the factory, and the pitch and frequency in hertz is stamped on them. They can be retuned by filing material off the prongs. Filing the ends of the prongs raises the pitch, while filing the inside of the base of the prongs lowers it. Currently, the most common tuning fork sounds the note of A = 440 Hz, the standard concert pitch that many orchestras use. That A is the pitch of the violin's second highest string, the highest string of the viola, and an octave above the highest string of the cello. Orchestras between 1750 and 1820 mostly used A = 423.5 Hz, though there were many forks and many slightly different pitches. Standard tuning forks are available that vibrate at all the pitches within the central octave of the piano, and also other pitches. Tuning fork pitch varies slightly with temperature, due mainly to a slight decrease in the modulus of elasticity of steel with increasing temperature. A change in frequency of 48 parts per million per °F (86 ppm per °C) is typical for a steel tuning fork. The frequency decreases (becomes flat) with increasing temperature. Tuning forks are manufactured to have their correct pitch at a standard temperature. The standard temperature is now , but is an older standard. The pitch of other instruments is also subject to variation with temperature change.

Применение

Традиционно камертоны использовались для настройки музыкальных инструментов, хотя электронные тюнеры в значительной степени их вытеснили. Камертоны можно приводить в действие электрическим способом, размещая электромагниты, управляемые электронным генератором, вблизи зубцов.

В музыкальных инструментах

Некоторые клавишные музыкальные инструменты используют принципы, аналогичные камертонам. Самым известным из них является электропианино Rhodes, в котором молоточки ударяют по металлическим язычкам, которые вибрируют в магнитном поле звукоснимателя, создавая сигнал для электрического усиления. Более ранний, неусиленный дульцитон, использовавший непосредственно камертоны, отличался низкой громкостью.

Часы и часы

Кварцевый кристалл, используемый в качестве элемента отсчета времени в современных кварцевых часах, имеет форму крошечной камертона. Обычно он вибрирует на частоте 32 768 Гц в ультразвуковом диапазоне (за пределами диапазона человеческого слуха). Вибрация вызывается небольшими колебаниями напряжения, подаваемыми на металлические электроды, нанесенные на поверхность кристалла электронной генераторной схемой. Кварц обладает пьезоэлектрическим эффектом, поэтому напряжение заставляет зубцы камертона быстро изгибаться вперед и назад. Accutron, электромеханические часы, разработанные Максом Хетцелем и выпускаемые компанией Bulova с 1960 года, использовали стальной камертон частотой 360 Гц в качестве регулятора хода, питаемый электромагнитами, подключенными к транзисторной генераторной схеме, работающей от батареи. Камертон обеспечивал более высокую точность по сравнению с традиционными часами с балансировочным колесом. Звук гудения камертона был слышен, если поднести часы к уху.

Медицинское и научное применение

Альтернативы общепринятому стандарту A=440 включают философскую или научную высоту звука, где стандартной является высота C=512. По словам Рэлея, физики и производители акустических инструментов использовали именно эту высоту. Камертон, который Джон Шор подарил Георгу Фридриху Генделю, издает звук C=512. Камертоны, как правило C512, используются врачами для оценки слуха пациентов. Это обычно делается с помощью двух тестов – теста Вебера и теста Ринне соответственно. Более низкие частоты, обычно C128, также применяются для проверки чувствительности к вибрации при обследовании периферической нервной системы. Ортопеды изучали возможность использования камертона (с самой низкой частотой C=128) для оценки травм, при которых подозревается перелом кости. Они прикладывают вибрирующий конец камертона к коже над местом предполагаемого перелома, постепенно приближая его. В случае перелома надкостница кости вибрирует и активирует ноцицепторы (болевые рецепторы), вызывая локальную острую боль. Это может указывать на перелом, при котором пациент направляется на рентгенологическое исследование. Острая боль при местном растяжении может дать ложноположительный результат. Однако, общепринятая практика требует проведения рентгена в любом случае, поскольку лучше не пропустить настоящий перелом, чем ошибочно предположить, что реакция указывает на растяжение. Систематический обзор, опубликованный в 2014 году в BMJ Open, показал, что эта техника недостаточно надежна и точна для клинического применения.

Немедицинское и ненаучное использование

Камертоны также используются в ряде альтернативных методов терапии, таких как сонопунктура и полярная терапия.

Калибровка радарной пушки

Радар, измеряющий скорость автомобилей или мяча в спорте, обычно калибруется с помощью камертона. Вместо указания частоты на этих камертонах указывается скорость калибровки и радиолокационный диапазон (например, X-диапазон или K-диапазон), для которого они предназначены.

В гироскопах

Двойные и H-образные камертоны используются в тактических гироскопах вибрирующей структуры и различных типах микроэлектромеханических систем.

Датчики уровня

Вибрационная вилка является чувствительным элементом датчиков уровня типа "вибрационная вилка". Пьезоэлектрическое устройство поддерживает вибрацию вилки на ее резонансной частоте. При контакте с твердыми веществами амплитуда колебаний уменьшается, что используется в качестве параметра переключения для определения точечного уровня твердых веществ. Для жидкостей резонансная частота вилки изменяется при контакте с жидкостью, и это изменение частоты используется для определения уровня.