Kamerton
Kamerton jest rezonatorem akustycznym w postaci dwuzębnego widelca z zębami ( zębami ) utworzonymi z pręta w kształcie litery U z elastycznego metalu (zwykle stali ) . Rezonuje z określonym stałym tonem , gdy wibruje po uderzeniu o powierzchnię lub przedmiot, i emituje czysty dźwięk muzyczny, gdy wysokie tony przejdą zniknąć. Skok kamertonu zależy od długości i masy dwóch zębów. Są to tradycyjne źródła dźwięku standardowego do strojenia instrumentów muzycznych.
Kamerton został wynaleziony w 1711 roku przez brytyjskiego muzyka Johna Shore'a , sierżanta trębacza i lutnistę dworu królewskiego.
Opis
Kamerton to rezonator akustyczny w kształcie wideł , używany w wielu zastosowaniach do wytwarzania stałego tonu. Głównym powodem zastosowania kształtu widelca jest to, że w przeciwieństwie do wielu innych typów rezonatorów, wytwarza on bardzo czysty dźwięk , z większością energii wibracyjnej na częstotliwości podstawowej . Powodem tego jest to, że częstotliwość pierwszego alikwotu wynosi około 5 2 / 2 2 = 25 / 4 = 6 + 1 ⁄ 4 razy częstotliwość podstawowa (około 2 + 1 ⁄ 2 oktawy powyżej). Dla porównania, pierwszy alikwot wibrującej struny lub metalowego pręta jest o oktawę wyższy (dwukrotnie) od podstawowego, więc kiedy struna jest szarpana lub uderzana w takt, jego wibracje mają tendencję do mieszania częstotliwości podstawowych i alikwotowych. Kiedy uderza się kamertonem, niewielka część energii trafia do trybów alikwotowych; odpowiednio szybciej wygasają, pozostawiając czystą sinusoidę na częstotliwości podstawowej. Dzięki temu czystemu tonowi łatwiej jest nastroić inne instrumenty.
Innym powodem zastosowania kształtu widelca jest to, że można go wtedy trzymać u podstawy bez tłumienia oscylacji. Dzieje się tak, ponieważ jego główny tryb wibracji jest symetryczny, a dwa zęby zawsze poruszają się w przeciwnych kierunkach, tak że u podstawy, gdzie spotykają się dwa zęby, znajduje się węzeł ( punkt bez ruchu wibracyjnego), którym można zatem manipulować bez usuwania energii od oscylacji (tłumienia). Jednak nadal istnieje niewielki ruch wywołany w uchwycie w kierunku wzdłużnym (a więc pod kątem prostym do oscylacji zębów), który można usłyszeć za pomocą dowolnego rodzaju płyta dźwiękowa . Tak więc poprzez dociśnięcie podstawy kamertonu do płyty rezonansowej, takiej jak drewniana skrzynia, blat stołu lub mostek instrumentu muzycznego, ten niewielki ruch, który odbywa się pod wysokim ciśnieniem akustycznym (a więc bardzo wysoką impedancją akustyczną ) , jest częściowo przekształca się w słyszalny dźwięk w powietrzu, co wiąże się ze znacznie większym ruchem ( prędkość cząstek ) przy stosunkowo niskim ciśnieniu (a więc niskiej impedancji akustycznej). Dźwięk kamertonu można również usłyszeć bezpośrednio dzięki przewodnictwu kostnemu , przyciskając kamerton do kości tuż za uchem, a nawet trzymając trzonek widelca w zębach, wygodnie pozostawiając obie ręce wolne. Przewodnictwo kostne za pomocą kamertonu jest szczególnie wykorzystywane w Webera i Rinne'a do badania słuchu w celu pominięcia ucha środkowego . Po prostu trzymany na wolnym powietrzu dźwięk kamertonu jest bardzo słaby z powodu niedopasowania impedancji akustycznej między stalą a powietrzem. Co więcej, ponieważ słabe fale dźwiękowe wydobywające się z każdego bolca są przesunięte w fazie o 180° , te dwie przeciwne fale interferują , w dużej mierze znoszące się nawzajem. Tak więc, gdy lity arkusz zostanie wsunięty między zęby wibrującego widelca, pozorna głośność faktycznie wzrasta , ponieważ tłumienie jest zmniejszone, tak jak głośnik potrzebuje przegrody, aby skutecznie promieniować.
Komercyjne kamertony są fabrycznie dostrojone do właściwej tonacji, a wysokość i częstotliwość w hercach są na nich wybite. Można je ponownie dostroić, usuwając materiał z zębów. Piłowanie końców zębów podnosi tonację, podczas gdy spiłowanie wnętrza podstawy zębów obniża go.
Obecnie najpopularniejszy kamerton brzmi nutą A = 440 Hz , standardową tonacją koncertową używaną przez wiele orkiestr. Że A to dźwięk drugiej struny skrzypiec, pierwszej struny altówki i oktawy powyżej pierwszej struny wiolonczeli. Orkiestry między 1750 a 1820 rokiem używały głównie A = 423,5 Hz, chociaż było wiele rozwidleń i wiele nieco różnych wysokości. Dostępne są standardowe kamertony, które wibrują na wszystkich tonach w obrębie oktawy środkowej fortepianu, a także na innych tonach.
Skok kamertonu zmienia się nieznacznie wraz z temperaturą, głównie ze względu na niewielki spadek modułu sprężystości stali wraz ze wzrostem temperatury. Zmiana częstotliwości 48 części na milion na ° F (86 ppm na ° C) jest typowa dla stalowego kamertonu. Częstotliwość maleje (staje się płaska ) wraz ze wzrostem temperatury. Widełki stroikowe są produkowane tak, aby miały prawidłowy skok w standardowej temperaturze. Standardowa temperatura wynosi teraz 20 ° C (68 ° F), ale 15 ° C (59 ° F) to starszy standard. Wysokość dźwięku innych instrumentów również podlega zmianom wraz ze zmianą temperatury.
Obliczanie częstotliwości
Częstotliwość kamertonu zależy od jego wymiarów i materiału, z którego jest wykonany:
Gdzie
- f to częstotliwość drgań widełek ( jednostki SI : 1/s)
- N ≈ 3,516015 to kwadrat najmniejszego dodatniego rozwiązania cos ( x ) cosh ( x ) = −1 , które wynika z warunków brzegowych zęba konstrukcja wspornikowa.
- L to długość zębów, (m)
- E to moduł Younga (moduł sprężystości lub sztywność) materiału, z którego wykonany jest widelec, (Pa lub N/m 2 lub kg/(ms 2 ))
- I to drugi moment pola przekroju poprzecznego, (m 4 )
- ρ to gęstość materiału widelca (kg/m 3 ), a
- A to pole przekroju poprzecznego zębów (zębów) (m 2 ).
Stosunek I / A w powyższym równaniu można zapisać jako r 2 / 4 , jeśli zęby są cylindryczne o promieniu r , oraz a 2 / 12 , jeśli zęby mają prostokątny przekrój poprzeczny o szerokości a wzdłuż kierunku ruchu.
Używa
Widełki stroikowe były tradycyjnie używane do strojenia instrumentów muzycznych , chociaż tunery elektroniczne w dużej mierze je zastąpiły. Widły można napędzać elektrycznie, umieszczając elektromagnesy napędzane elektronicznym oscylatorem blisko zębów.
W instrumentach muzycznych
Szereg klawiszowych instrumentów muzycznych wykorzystuje zasady podobne do kamertonów. Najpopularniejszym z nich jest fortepian Rhodes , w którym młotki uderzają w metalowe zęby, które wibrują w polu magnetycznym przetwornika , tworząc sygnał napędzający wzmocnienie elektryczne. Wcześniejszy, niewzmocniony dulcyton , w którym bezpośrednio używano kamertonów, miał niską głośność.
W zegarach i zegarkach
Kryształ kwarcu , który służy jako element pomiaru czasu w nowoczesnych zegarach i zegarkach kwarcowych , ma postać małego kamertonu. Zwykle wibruje z częstotliwością 32 768 Hz w ultradźwięków (powyżej zakresu ludzkiego słuchu). Jest wprawiany w drgania przez małe napięcia oscylacyjne przyłożone do metalowych elektrod pokrytych powierzchnią kryształu przez elektroniczny obwód oscylatora . Kwarc jest piezoelektrykiem , więc napięcie powoduje szybkie wyginanie zębów tam iz powrotem.
Accutron , elektromechaniczny zegarek opracowany przez Maxa Hetzela i produkowany przez firmę Bulova od 1960 roku, wykorzystywał 360- hercowy stalowy kamerton jako chronometrażystę, zasilany elektromagnesami podłączonymi do zasilanego bateryjnie tranzystorowego obwodu oscylatora. Widelec zapewniał większą dokładność niż konwencjonalne zegarki z kołem balansowym. Brzęczący dźwięk kamertonu był słyszalny, gdy zegarek był trzymany przy uchu.
Zastosowania medyczne i naukowe
Alternatywy dla wspólnego standardu A=440 obejmują ton filozoficzny lub naukowy ze standardowym tonem C=512. Według Rayleigha , fizycy i twórcy instrumentów akustycznych używali tego tonu. Kamerton, który John Shore podarował George'owi Fridericowi Handelowi, wytwarza C=512.
Kamertony, zwykle C512, są używane przez lekarzy do oceny słuchu pacjenta. Najczęściej wykonuje się to za pomocą dwóch egzaminów zwanych testem Webera i testem Rinne'a . Niższe tony, zwykle C128, są również używane do sprawdzania wyczucia wibracji w ramach badania obwodowego układu nerwowego.
Chirurdzy ortopedzi badali użycie kamertonu (najniższa częstotliwość C=128) do oceny urazów, w których podejrzewa się złamanie kości. Przytrzymują koniec wibrującego widelca na skórze nad podejrzanym złamaniem, stopniowo zbliżając się do podejrzanego złamania. W przypadku złamania okostna kości wibruje i wyzwala nocyceptory (receptory bólu), powodując miejscowy ostry ból. [ potrzebne źródło ] Może to wskazywać na złamanie, które lekarz kieruje na medyczne prześwietlenie rentgenowskie. Ostry ból miejscowego skręcenia może dać fałszywie pozytywny wynik. [ potrzebne źródło ] Jednak ustalona praktyka wymaga prześwietlenia niezależnie od tego, ponieważ jest to lepsze niż przegapienie prawdziwego złamania i zastanawianie się, czy reakcja oznacza zwichnięcie. Systematyczny przegląd opublikowany w 2014 roku w BMJ Open sugeruje, że ta technika nie jest wystarczająco wiarygodna ani dokładna do użytku klinicznego.
Kamertony odgrywają również rolę w kilku alternatywnych praktykach terapeutycznych, takich jak sonopunktura i terapia polaryzacją .
Kalibracja działa radarowego
Pistolet radarowy , który mierzy prędkość samochodów lub piłki w sporcie, jest zwykle kalibrowany za pomocą kamertonu. Zamiast częstotliwości widełki te są oznaczone prędkością kalibracji i pasmem radaru (np. pasmo X lub pasmo K), dla którego są skalibrowane.
W żyroskopach
Kamertony podwójne i typu H są używane w taktycznych żyroskopach wibracyjnych i różnych typach systemów mikroelektromechanicznych .
Czujniki poziomu
Kamerton stanowi część czujnikową wibrujących czujników poziomu . Kamerton wibruje z częstotliwością rezonansową za pomocą urządzenia piezoelektrycznego. Po wejściu w kontakt z ciałami stałymi amplituda oscylacji spada, to samo służy jako parametr przełączający do wykrywania poziomu punktu dla ciał stałych. W przypadku cieczy częstotliwość rezonansowa kamertonu zmienia się po wejściu w kontakt z cieczą, zmiana częstotliwości służy do wykrywania poziomu.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Onlinetuningfork.com , kamerton online korzystający z programu Macromedia Flash Player .
- . Nowa encyklopedia Colliera . 1921.
- . Encyklopedia Britannica . Tom. 27 (wyd. 11). 1911. s. 392.
