Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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

Камертон представляет собой акустический резонатор в виде двустороннего вилки с зубцами ( зубцы ) , образованные из U-образного стержня упругого металла (обычно стали ). Он резонирует с определенной постоянной высотой тона, когда он вибрирует, ударяя его о поверхность или предмет, и издает чистый музыкальный тон, когда затухают высокие обертоны . Шаг камертона зависит от длины и массы двух зубцов. Это традиционные источники стандартной высоты звука для настройки музыкальных инструментов.

Камертон был изобретен в 1711 году британским музыкантом Джоном Шором , сержантом трубачом и придворным лютнистом . [1]

Описание [ править ]

Движение камертона А-440 (сильно преувеличено), вибрирующего в своем основном режиме

Камертон - это акустический резонатор в форме вилки, используемый во многих приложениях для получения фиксированного тона. Основная причина использования формы вилки заключается в том, что, в отличие от многих других типов резонаторов, он дает очень чистый звук с большей частью энергии колебаний на основной частоте . Причина в том, что частота первого обертона около5 2/2 2 знак равно 25/4= 6 1 / 4 раза фундаментальные (около 2 На 1 ⁄ 2 октавы выше). [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 частоты основного тона и обертона. При ударе по камертону небольшая часть энергии уходит в режимы обертона; они также быстрее умирают, оставляя чистую синусоидальную волну на основной частоте. Этим чистым звуком легче настраивать другие инструменты.

Еще одна причина использования формы вилки заключается в том, что ее можно удерживать у основания без гашения колебаний. Это связано с тем, что его основная форма вибрации является симметричной, при этом два зубца всегда движутся в противоположных направлениях, так что у основания, где встречаются два зубца, есть узел (точка отсутствия вибрационного движения), с которым, следовательно, можно обращаться без потери энергии. от колебаний (гашения). Тем не менее, все еще существует крошечное движение , индуцированное в ручке в его продольном направлении ( при этом под прямым углом к колебанию зубцов) , которые могут быть сделаны с использованием слышимым какой - либо звуковой платы. Таким образом, при нажатии основанием камертона на звуковую доску, такую ​​как деревянный ящик, столешница или мост музыкального инструмента, это небольшое движение, но которое происходит при высоком акустическом давлении (следовательно, очень высоком акустическом импедансе ), частично устраняется. преобразуется в слышимый звук в воздухе, который предполагает гораздо большее движение ( скорость частиц ) при относительно низком давлении (следовательно, с низким акустическим импедансом). [3] Шаг камертона также можно услышать непосредственно через костную проводимость , если прижать камертон к кости сразу за ухом, или даже удерживая стержень вилки в зубах, удобно оставляя обе руки свободными. [4]Костная проводимость с помощью камертона специально используется в тестах Вебера и Ринне на слух для обхода среднего уха . Если просто держать на открытом воздухе, звук камертона будет очень слабым из-за несоответствия акустического импеданса между сталью и воздухом. Более того, поскольку слабые звуковые волны, исходящие от каждого зубца, сдвинуты по фазе на 180 ° , эти две противоположные волны интерферируют , в значительной степени компенсируя 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 перегородки. 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 воспроизводит ноту А = 440 Гц , стандартную концертную высоту звука, которую 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. К хорошо известным производителям камертонов относятся Рэгг и Джон Уокер из Шеффилда , Англия .

Шаг камертона незначительно меняется в зависимости от температуры, в основном из-за небольшого уменьшения модуля 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 ровной ) с повышением температуры. [6] Камертон изготавливается с правильным шагом при стандартной температуре. Стандартная температура теперь 20 ° С (68 ° F), но на 15 ° C (59 ° F) , является более старым стандартом. Высота звука других инструментов также может изменяться при изменении температуры.

Расчет частоты [ править ]

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

куда:

  • f - частота колебаний вилки в герцах .
  • 1,875 - это наименьшее положительное решение cos ( x ) ch ( x ) = −1 . [8]
  • l - длина зубцов в метрах .
  • E - модуль Юнга (модуль упругости или жесткости) материала, из которого сделана вилка, в паскалях .
  • I - второй момент площади поперечного сечения в метрах в четвертой степени.
  • ρ - плотность материала, из которого сделана вилка, в килограммах на кубический метр.
  • Представляет собой поперечное сечение площади вилка (зубцов) в квадратных метрах.

Соотношение я/А в приведенном выше уравнении можно переписать как r 2/4если зубцы цилиндрические с радиусом r , иа 2/12если выступы имеют прямоугольное поперечное сечение шириной а в направлении движения.

Использует [ редактировать ]

Камертоны традиционно использовались для настройки музыкальных инструментов , хотя электронные тюнеры во многом их заменили. Вилки могут приводиться в движение электрическим приводом, размещая электромагниты, приводимые в действие электронным генератором, близко к штырям .

В музыкальных инструментах [ править ]

В некоторых клавишных музыкальных инструментах используются принципы, аналогичные камертонам. Самым популярным из них является пианино Rhodes , в котором молотки ударяют по металлическим зубцам, которые вибрируют в магнитном поле звукоснимателя , создавая сигнал, приводящий в действие электрическое усиление. Более ранний неусиленный дульцитон , в котором напрямую использовались камертоны, страдал от низкой громкости.

В часах и часах [ править ]

Кристаллический кварцевый резонатор от современных кварцевых часов , выполненный в виде камертона. Он вибрирует с частотой 32 768 Гц в ультразвуковом диапазоне.
Булова Accutron часы от 1960 - х годов, которая использует настройки стальной вилкой (видимый в центре) вибрирующий при 360 Гц.

Кристалл кварца , который служит в качестве элемента хронометража в современных кварцевых часов и часы в виде крошечного камертона. Обычно он вибрирует с частотой 32 768 Гц в ультразвуковом диапазоне (выше диапазона человеческого слуха). Его заставляют вибрировать с помощью небольших колебательных напряжений, прикладываемых к металлическим электродам, нанесенным на поверхность кристалла, с помощью схемы электронного генератора . Кварц пьезоэлектрический , поэтому напряжение заставляет лапы быстро изгибаться вперед и назад.

В электромеханических часах Accutron , разработанных Максом Хетцелем и производимых Bulova в начале 1960 года, в качестве хронометра использовался стальной камертон с частотой 360 Гц , работающий от электромагнитов, подключенных к цепи транзисторного генератора с батарейным питанием. Вилка обеспечивала большую точность, чем обычные часы с балансиром. Гудящий звук камертона был слышен, когда часы подносились к уху.

Использование в медицине и науке [ править ]

1 кГц камертон вакуумная трубка генератор , используемый в США Национального бюро стандартов (теперь NIST ) в 1927 году в качестве стандарта частоты.

Альтернативы общепринятому стандарту A = 440 включают философский или научный тон со стандартным шагом C = 512. По словам Рэлея , эту высоту использовали физики и производители акустических инструментов. [9] Камертон, который Джон Шор дал Джорджу Фридриху Генделю, дает C = 512. [10]

Камертоны, обычно C512, используются практикующими врачами для оценки слуха пациента. Чаще всего это делается с двух экзаменов называется тест Вебера и тест Ринне , 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 кости. Они удерживают конец вибрирующей вилки на коже над предполагаемым переломом, постепенно приближаясь к предполагаемому перелому. При переломе надкостница кости вибрирует и возбуждает ноцицепторы (болевые рецепторы), вызывая местную острую боль. [ необходима цитата ] Это может указывать на перелом, который практикующий врач направляет на медицинский рентген. Острая боль от местного растяжения может дать ложный результат. [ необходима цитата ]Однако устоявшаяся практика требует рентгеновского снимка в любом случае, потому что это лучше, чем пропустить настоящий перелом, задаваясь вопросом, означает ли реакция растяжение связок. Систематический обзор, опубликованный в 2014 году в BMJ Open, предполагает, что этот метод недостаточно надежен или точен для клинического использования. [12]

Камертоны также играют роль в некоторых методах альтернативной терапии , таких как сонопункция и полярная терапия . [13]

Калибровка радара [ править ]

Радар , который измеряет скорость автомобилей или мяч в спорте обычно калибруется с камертоном. [14] [15] Вместо частоты на этих вилках указывается скорость калибровки и диапазон радара (например, диапазон X или диапазон K), для которого они откалиброваны.

В гироскопах [ править ]

Сдвоенные камертоны и камертоны H-типа используются для тактических гироскопов с вибрирующими конструкциями и различных типов микроэлектромеханических систем . [16]

Датчики уровня [ править ]

Камертонная вилка образует чувствительную часть вибрационных датчиков 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.

См. Также [ править ]

  • Электронный тюнер
  • Труба смола
  • Колесо савара
  • Тонометр

Ссылки [ править ]

  1. ^ Фельдман, H. (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. DOI : 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; Уилер, Пол А. (2001). Наука звука (3-е изд.). Пирсон. ISBN 978-0805385656.[ требуется страница ]
  4. ^ Дэн Фокс (1996). Научитесь играть на мандолине . Издательство Альфред Мьюзик. ISBN 9780739002865. Дата обращения 3 июля 2015 .
  5. ^ Флетчер, Невилл Х .; Россинг, Томас (2008). Физика музыкальных инструментов (2-е изд.). Springer. ISBN 978-0387983745.[ требуется страница ]
  6. ^ Эллис, Александр Дж. (1880). «К истории музыкальной подачи» . Журнал Общества искусств . 28 (545): 293–336. Bibcode : 1880Natur..21..550E . DOI : 10.1038 / 021550a0 .
  7. ^ Хан, Сеон М .; Бенаройя, 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 . DOI : 10,1006 / jsvi.1999.2257 . S2CID 121014931 . 
  8. ↑ Уитни, Скотт (23 апреля 1999 г.). «Колебания консольных балок: прогиб, частота и использование в исследованиях» . Университет Небраски – Линкольн . Проверено 9 ноября 2011 года .
  9. ^ Рэлей, JWS (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. DOI : 10.1177 / 014107688708001215 . PMC 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. ^ Mugunthan, Kayalvili; Дуст, Дженни; Курц, Бодо; Гласзиу, Пол (4 августа 2014 г.). «Есть ли достаточные доказательства для использования камертонных тестов при диагностике переломов? Систематический обзор» . BMJ Open . 4 (8): e005238. DOI : 10.1136 / bmjopen-2014-005238 . PMC 4127942 . PMID 25091014 .  
  13. ↑ Хокинс, Хайди (август 1995). «СОНОПАНКТУРА: Иглоукалывание без игл». Holistic Health News .
  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 . Проверено 8 апреля 2010 года .
  16. ^ Труды юбилейного семинара по твердотельной гироскопии (19–21 мая 2008 г. Ялта, Украина) . Киев / Харьков: АТС Украины. 2009. ISBN. 978-976-0-25248-5.
  17. ^ [1] "Датчик уровня вибрационной вилки"

Внешние ссылки [ править ]

  • Onlinetuningfork.com , онлайн-камертон, использующий Macromedia Flash Player .
  • «Камертон»  . Новая энциклопедия Кольера . 1921 г.
  • «Камертон»  . Encyclopdia Britannica . 27 (11-е изд.). 1911. с. 392.