Kamerton - Tuning fork

Kamerton Johna Walkera z wybitą nutą (E) i częstotliwością w hercach (659)

Kamertonowy jest akustyczny rezonatora w postaci dwóch płaszczyznach widełek z występami ( zęby ), utworzony z pręta w kształcie litery U z elastycznego metalu (zazwyczaj stalowego ). To rezonuje w określonym stałym skoku , gdy ustawiony wibracyjny uderzając go na powierzchni lub z obiektu i emituje czysty dźwięk muzyczny raz wysokie harmoniczne zanikają. Skok kamertonu zależy od długości i masy dwóch zębów. Są tradycyjnymi źródłami stroju standardowego do strojenia instrumentów muzycznych.

Kamerton został wynaleziony w 1711 roku przez brytyjskiego muzyka Johna Shore'a , sierżanta trębacza i lutnika dworskiego.

Opis

Ruch kamertonu A-440 (zdecydowanie przesadzony) wibrujący w swoim głównym trybie

Widełki stroikowe to rezonator akustyczny w kształcie widełek używany w wielu aplikacjach do wytwarzania stałego tonu. Głównym powodem używania kształtu widełek jest to, że w przeciwieństwie do wielu innych typów rezonatorów, wytwarza bardzo czysty ton , z większością energii wibracyjnej na częstotliwości podstawowej . Powodem tego jest to, że częstotliwość pierwszego wydźwięku wynosi około5 2/2 2 = 25/4= 6+14- krotność wartości podstawowej (około 2+12 oktawy powyżej). Dla porównania, pierwszy alikwot wibrującej struny lub metalowej sztabki jest o oktawę powyżej (dwukrotnie) podstawowej, więc gdy struna jest szarpana lub uderzona w sztabkę, jej wibracje mają tendencję do mieszania częstotliwości podstawowej i alikwotowej. Kiedy kamerton zostanie uderzony, niewiele energii przechodzi w tryby alikwotowe; wygasają również odpowiednio szybciej, pozostawiając czystą falę sinusoidalną o częstotliwości podstawowej. Tym czystym tonem łatwiej jest nastroić inne instrumenty.

Innym powodem używania widelca jest to, że można go następnie trzymać u podstawy bez tłumienia drgań. Dzieje się tak dlatego, że jego główny tryb wibracji jest symetryczny, a dwa zęby zawsze poruszają się w przeciwnych kierunkach, tak że u podstawy, w której spotykają się dwa zęby, znajduje się węzeł (punkt braku ruchu wibracyjnego), który można zatem obsługiwać bez usuwania energii od drgań (tłumienie). Jednak nadal występuje niewielki ruch w uchwycie w jego kierunku wzdłużnym (a więc pod kątem prostym do drgań zębów), który można słyszeć za pomocą dowolnego rodzaju płyty rezonansowej . Tak więc poprzez dociśnięcie podstawy kamertonu do płyty rezonansowej, takiej jak drewniana skrzynka, blat stołu lub mostek instrumentu muzycznego, ten niewielki ruch, ale który jest pod wysokim ciśnieniem akustycznym (a więc bardzo wysoka impedancja akustyczna ), jest częściowo przekształcany w słyszalny dźwięk w powietrzu, który wiąże się ze znacznie większym ruchem ( prędkość cząstek ) przy stosunkowo niskim ciśnieniu (a więc niskiej impedancji akustycznej). Ton kamertonu można również usłyszeć bezpośrednio przez przewodnictwo kostne , dociskając kamerton do kości tuż za uchem, a nawet trzymając trzon widelca w zębach, wygodnie pozostawiając obie ręce wolne. Przewodnictwo kostne za pomocą kamertonu jest specjalnie wykorzystywane w testach słuchowych Webera i Rinne'a w celu ominięcia ucha środkowego . Jeśli tylko trzymasz go na świeżym powietrzu, dźwięk kamertonu jest bardzo słaby ze względu na niedopasowanie impedancji akustycznej między stalą a powietrzem. Co więcej, ponieważ słabe fale dźwiękowe emanujące z każdego bolca są przesunięte w fazie o 180° , te dwie przeciwne fale zakłócają się , w dużej mierze znosząc się nawzajem. Tak więc, gdy lity arkusz jest wsunięty pomiędzy bolce wibrującego widelca, pozorna głośność faktycznie wzrasta , ponieważ tłumienie to jest zmniejszone, tak jak głośnik wymaga przegrody , aby skutecznie promieniować.

Komercyjne widełki stroikowe są fabrycznie nastrojone na właściwy ton, a ton i częstotliwość w hercach są na nich wybite. Można je ponownie dostroić, spiłując materiał z zębów. Opiłowanie końców zębów podnosi wysokość boiska, natomiast piłowanie wnętrza podstawy zębów obniża go.

Obecnie najpopularniejszym kamertonem jest dźwięk A = 440 Hz , standardowa tonacja koncertowa, z której korzysta wiele orkiestr. Że A to wysokość drugiej struny skrzypiec, pierwszej struny altówki i oktawy powyżej pierwszej struny wiolonczeli. Orkiestry w latach 1750-1820 używały głównie A = 423,5 Hz, chociaż było wiele widelców i wiele nieco innych tonów. Dostępne są standardowe widełki stroikowe, które wibrują na wszystkich wysokościach w środkowej oktawie fortepianu, a także na innych wysokościach.

Skok kamertonu zmienia się nieznacznie wraz z temperaturą, głównie ze względu na nieznaczny spadek modułu sprężystości stali wraz ze wzrostem temperatury. Zmiana częstotliwości 48 części na milion na °F (86 ppm na °C) jest typowa dla kamertonu stalowego. Częstotliwość spada (staje się płaska ) wraz ze wzrostem temperatury. Widełki stroikowe są produkowane tak, aby w standardowej temperaturze miały właściwy skok. Średnia temperatura jest 20 ° C (68 ° F) a 15 ° C (59 ° F), to starsi standardowe. Wysokość dźwięku innych instrumentów również podlega zmianom wraz ze zmianą temperatury.

Obliczanie częstotliwości

Częstotliwość kamertonu zależy od jego wymiarów i tego, z czego jest wykonany:

gdzie:

Stosunek i/A w powyższym równaniu można przepisać jako r 2/4jeśli zęby są cylindryczne o promieniu r , oraz2/12jeśli zęby mają prostokątny przekrój o szerokości a wzdłuż kierunku ruchu.

Zastosowania

Kamery są tradycyjnie używane do strojenia instrumentów muzycznych , chociaż elektroniczne tunery w dużej mierze je zastąpiły. Widły mogą być napędzane elektrycznie umieszczając generator drgań -driven elektromagnesy blisko zębów.

W instrumentach muzycznych

Wiele instrumentów muzycznych z klawiaturą wykorzystuje zasady podobne do kamertonów. Najpopularniejszym z nich jest pianino Rhodes , w którym młoteczki uderzają w metalowe palce, które wibrują w polu magnetycznym przetwornika , wytwarzając sygnał napędzający wzmocnienie elektryczne. Wcześniejszy, niewzmacniany dulcitone , który wykorzystywał bezpośrednio kamertony, miał niską głośność.

W zegarach i zegarkach

Rezonator kwarcowy z nowoczesnego zegarka kwarcowego , uformowany na kształt kamertonu. Wibruje z częstotliwością 32 768 Hz w zakresie ultradźwiękowym .
Bulova Accutron oglądania w 1960, w którym stosuje się widełki ze stali strojenia (widoczny w środku) wrażliwy na 360 Hz.

Kryształ kwarcu , który służy jako element pomiaru czasu w nowoczesnych zegarów kwarcowych i zegarków jest w postaci maleńkiego kamerton. Zwykle wibruje z częstotliwością 32 768 Hz w zakresie ultradźwiękowym (powyżej zakresu ludzkiego słuchu). Jest on wprawiany w drgania przez małe napięcia oscylacyjne przyłożone do metalowych elektrod osadzonych na powierzchni kryształu przez obwód elektronicznego oscylatora . Kwarc jest urządzeniem piezoelektrycznym , więc napięcie powoduje gwałtowne wyginanie się zębów w przód iw tył.

Accutron An elektromechaniczny zegarek opracowana przez Maxa Hetzel i wyprodukowane przez Bulova początku w 1960 roku, użyto 360- hertz stal kamerton jako swój czasomierz, zasilanie elektromagnesów dołączonych do obwodu oscylatora tranzystor zasilany baterią. Widelec zapewniał większą dokładność niż tradycyjne zegarki z kołem balansowym. Buczenie kamertonu było słyszalne, gdy zegarek był przyłożony do ucha.

Zastosowania medyczne i naukowe

Oscylator lampowy z kamertonem o częstotliwości 1 kHz używany przez National Bureau of Standards (obecnie NIST ) w 1927 roku jako wzorzec częstotliwości.

Alternatywy dla powszechnego standardu A=440 obejmują dźwięk filozoficzny lub naukowy o dźwięku standardowym C=512. Według Rayleigha , fizycy i producenci instrumentów akustycznych używali tego dźwięku. Kamerton, który John Shore podarował George'owi Fridericowi Haendlowi, daje C=512.

Widełki stroikowe, zwykle C512, są używane przez lekarzy do oceny słuchu pacjenta. Najczęściej wykonuje się to za pomocą dwóch egzaminów, zwanych odpowiednio testem Webera i testem Rinne . Niższe, zwykle na poziomie C128, są również używane do sprawdzania wyczucia wibracji w ramach badania obwodowego układu nerwowego.

Chirurdzy ortopedzi zastosowali kamerton (najniższa częstotliwość C=128) do oceny urazów, w których podejrzewa się złamanie kości. Trzymają koniec wibrującego widelca na skórze nad podejrzewanym złamaniem, stopniowo zbliżając się do podejrzewanego złamania. W przypadku złamania okostna kości wibruje i odpala nocyceptory (receptory bólu), powodując miejscowy ostry ból. Może to wskazywać na złamanie, które lekarz kieruje na prześwietlenie medyczne. Ostry ból miejscowego zwichnięcia może dać fałszywie pozytywny wynik. Jednak przyjęta praktyka wymaga prześwietlenia niezależnie od tego, ponieważ jest to lepsze niż pominięcie prawdziwego złamania i zastanawianie się, czy odpowiedź oznacza zwichnięcie. Przegląd systematyczny opublikowany w 2014 r. w BMJ Open sugeruje, że ta technika nie jest wystarczająco niezawodna ani dokładna do użytku klinicznego.

Widełki stroikowe odgrywają również rolę w kilku alternatywnych praktykach terapeutycznych , takich jak sonopunktura i terapia polaryzacyjna .

Kalibracja pistoletu radarowego

Pistolet radar , który mierzy prędkość samochodów lub piłkę w sporcie jest zwykle kalibrowany z kamertonu. Zamiast częstotliwości widełki te są oznaczone prędkością kalibracji i pasmem radarowym (np. pasmo X lub pasmo K), dla których są kalibrowane.

W żyroskopach

Widełki stroikowe podwójne i typu H są stosowane w żyroskopach o strukturze wibracyjnej klasy taktycznej i różnego rodzaju systemach mikroelektromechanicznych .

Czujniki poziomu

Widełki stroikowe stanowią część czujnikową wibracyjnych czujników poziomu punktowego Czujniki poziomu punktowego . Widełki stroikowe są utrzymywane w drganiach ze swoją częstotliwością rezonansową za pomocą urządzenia piezoelektrycznego. Po zetknięciu się z ciałami stałymi amplituda oscylacji spada, podobnie jak parametr przełączający do wykrywania poziomu punktowego dla ciał stałych. W przypadku cieczy częstotliwość rezonansowa widełek stroikowych zmienia się pod wpływem kontaktu z cieczami, zmiana częstotliwości służy do wykrywania poziomu.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki