Камертон — это акустический резонатор в форме двузубчатой вилки с зубцами ( зубцами ), образованными из U-образного стержня упругого металла (обычно стали ). Он резонирует на определенной постоянной высоте тона , когда вибрирует, ударяя его о поверхность или предмет, и издает чистый музыкальный тон, когда высокие обертоны затухают. Высота тона камертона зависит от длины и массы двух зубцов. Они являются традиционными источниками стандартной высоты тона для настройки музыкальных инструментов.
Камертон был изобретен в 1711 году британским музыкантом Джоном Шором , трубачом и лютнистом королевского двора. [1]
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 производит очень чистый тон , при этом большая часть колебательной энергии приходится на основную частоту . Причина этого в том, что частота первого обертона составляет около 5 2/2 2 = 25/4 = 6+1 ⁄ 4 раза больше фундаментальной частоты (около 2+1 ⁄ 2 октавы выше его). [2] Для сравнения, первый обертон вибрирующей струны или металлического стержня на одну октаву выше (в два раза) основного тона, поэтому, когда струна защипывается или по стержню ударяют, его вибрации имеют тенденцию смешивать основные и обертоновые частоты. Когда ударяют по камертону, в обертоновые моды переходит немного энергии; они также затухают соответственно быстрее, оставляя чистую синусоидальную волну на основной частоте. Настраивать другие инструменты проще с помощью этого чистого тона.
Другая причина использования формы вилки заключается в том, что ее можно удерживать у основания, не затухая колебания. Это происходит потому, что ее основной режим вибрации симметричен, причем два зубца всегда движутся в противоположных направлениях, так что у основания, где встречаются два зубца, есть узел ( точка отсутствия колебательного движения), с которым, следовательно, можно обращаться, не извлекая энергию из колебания (затухание). Однако все еще есть крошечное движение, вызванное в ручке в ее продольном направлении (то есть под прямым углом к колебанию зубцов), которое можно сделать слышимым с помощью любого вида звуковой доски . Таким образом, при нажатии основания камертона на звуковую доску, такую как деревянный ящик, крышка стола или мостик музыкального инструмента, это небольшое движение, но которое находится под высоким акустическим давлением (то есть очень высоким акустическим импедансом ), частично преобразуется в слышимый звук в воздухе, который включает в себя гораздо большее движение ( скорость частиц ) при относительно низком давлении (то есть низком акустическом импедансе). [3] Высоту звука камертона можно услышать непосредственно через костную проводимость , прижав камертон к кости сразу за ухом или даже удерживая стержень вилки в зубах, что удобно, оставляя обе руки свободными. [4] Костная проводимость с использованием камертона специально используется в тестах Вебера и Ринне на слух, чтобы обойти среднее ухо . Если просто держать камертон 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, находятся на 180° в фазе , эти две противоположные волны интерферируют , в значительной степени подавляя друг друга. Таким образом, когда твердый лист вставляется между зубцами вибрирующей вилки, кажущаяся громкость фактически увеличивается , поскольку это подавление уменьшается, так же как громкоговорителю требуется перегородка для эффективного излучения.
Коммерческие камертоны настраиваются на нужную высоту тона на заводе, а высота тона и частота в герцах проштампованы на них. Их можно перенастроить, спилив материал со штырей. Спиливание концов штырей повышает высоту тона, а спиливание внутренней части основания штырей понижает ее.
В настоящее время наиболее распространенный камертон издает ноту A = 440 Гц , стандартный концертный тон , который используют многие оркестры. A — это тон второй по высоте струны скрипки, самой высокой струны альта и октавы выше самой высокой струны виолончели. Оркестры между 1750 и 1820 годами в основном использовали A = 423,5 Гц, хотя было много камертонов и много немного отличающихся тонов. [5] Доступны стандартные камертоны, которые вибрируют на всех тонах в пределах центральной октавы фортепиано, а также на других тонах.
Высота тона камертона немного меняется в зависимости от температуры, в основном из-за небольшого уменьшения модуля упругости стали при повышении температуры. Изменение частоты на 48 частей на миллион на °F (86 частей на миллион на °C) типично для стального камертона. Частота уменьшается (становится плоской ) с повышением температуры. [6] Камертоны изготавливаются так, чтобы иметь правильный шаг при стандартной температуре. Стандартная температура сейчас составляет 20 °C (68 °F), но 15 °C (59 °F) является более старым стандартом. Высота тона других инструментов также подвержена изменению при изменении температуры.
Частота камертона зависит от его размеров и материала, из которого он сделан: [7]
где
Соотношение I / A в приведенном выше уравнении можно переписать как r 2 /4 , если зубцы имеют цилиндрическую форму с радиусом r , и a 2 /12, если зубцы имеют прямоугольное поперечное сечение шириной a вдоль направления движения.
Камертоны традиционно использовались для настройки музыкальных инструментов , хотя электронные тюнеры в значительной степени заменили их. Камертоны могут управляться электрически, если разместить электромагниты, управляемые электронным осциллятором, близко к зубцам.
Ряд клавишных музыкальных инструментов используют принципы, схожие с камертонами. Самым популярным из них является пианино Rhodes , в котором молоточки ударяют по металлическим зубцам, которые вибрируют в магнитном поле звукоснимателя , создавая сигнал, который управляет электрическим усилением. Более ранний, неусиленный дульцитон , который использовал камертоны напрямую, страдал от низкой громкости.
Кристалл кварца , который служит элементом измерения времени в современных кварцевых часах и наручных часах, имеет форму крошечного камертона. Обычно он вибрирует с частотой 32 768 Гц в ультразвуковом диапазоне (выше диапазона человеческого слуха). Он вибрирует с помощью небольших колебательных напряжений, подаваемых электронной схемой генератора на металлические электроды, нанесенные на поверхность кристалла. Кварц является пьезоэлектриком , поэтому напряжение заставляет зубцы быстро изгибаться вперед и назад.
Accutron , электромеханические часы , разработанные Максом Хетцелем [9] и выпускаемые Bulova с 1960 года, использовали стальной камертон на 360 герц в качестве хронометра, работающий от электромагнитов, прикрепленных к транзисторному генератору на батарейном питании. Вилка обеспечивала большую точность, чем обычные часы с балансирным колесом. Гудящий звук камертона был слышен, когда часы подносили к уху.
Альтернативы общепринятому стандарту A=440 включают философский или научный тон со стандартным тоном C=512. По словам Рэлея , физики и производители акустических инструментов использовали этот тон. [10] Камертон, который Джон Шор дал Георгу Фридриху Генделю, дает C=512. [11]
Камертоны, обычно C512, используются врачами для оценки слуха пациента. Чаще всего это делается с помощью двух тестов, называемых тестом Вебера и тестом Ринне , соответственно. Более низкие по тону, обычно на C128, также используются для проверки вибрационной чувствительности в рамках обследования периферической нервной системы. [12]
Хирурги-ортопеды исследовали использование камертона (самая низкая частота C=128) для оценки травм, при которых подозревается перелом кости. Они держат конец вибрирующей вилки на коже над предполагаемым переломом, постепенно приближаясь к предполагаемому перелому. Если есть перелом, надкостница кости вибрирует и активирует ноцицепторы (болевые рецепторы), вызывая локальную острую боль. [ необходима цитата ] Это может указывать на перелом, который практикующий врач направляет на медицинскую рентгенографию. Острая боль от локального растяжения может дать ложный положительный результат. [ необходима цитата ] Однако устоявшаяся практика требует рентгенографии в любом случае, потому что это лучше, чем пропустить настоящий перелом, гадая, означает ли ответ растяжение. Систематический обзор, опубликованный в 2014 году в BMJ Open, предполагает, что этот метод недостаточно надежен или точен для клинического использования. [13]
Камертоны также играют роль в нескольких альтернативных терапевтических практиках, таких как сонопунктура и полярная терапия . [14]
Радар , измеряющий скорость автомобилей или мяча в спорте, обычно калибруется с помощью камертона. [15] [16] Вместо частоты эти камертоны маркируются скоростью калибровки и диапазоном радара (например, X-диапазон или K-диапазон), для которого они калибруются.
Двойные и H-образные камертоны используются в тактических гироскопах вибрационной структуры и различных типах микроэлектромеханических систем . [17]
Камертон является чувствительной частью вибрирующих датчиков точечного уровня . Камертон поддерживается вибрирующим на своей резонансной частоте с помощью пьезоэлектрического устройства. При контакте с твердыми телами амплитуда колебаний уменьшается, что используется в качестве параметра переключения для определения точечного уровня для твердых тел. [18] Для жидкостей резонансная частота камертона изменяется при контакте с жидкостями, изменение частоты используется для определения уровня.
