Камертон — акустический резонатор в виде двузубой вилки , зубцы ( зубцы ) которой образованы из U-образного стержня из упругого металла (обычно стали ). Он резонирует с определенной постоянной высотой , когда его вибрируют ударом о поверхность или предмет, и издает чистый музыкальный тон, когда высокие обертоны исчезают. Шаг камертона зависит от длины и массы двух зубцов. Они являются традиционными источниками стандартной высоты звука для настройки музыкальных инструментов.
Камертон был изобретен в 1711 году британским музыкантом Джоном Шором , сержантом- трубачом и лютнистом королевского двора. [1]
Камертон — это акустический резонатор вилкообразной формы , используемый во многих приложениях для создания фиксированного тона. Основная причина использования вилочной формы заключается в том, что, в отличие от многих других типов резонаторов, она производит очень чистый тон , при этом большая часть энергии колебаний приходится на основную частоту . Причина этого в том, что частота первого обертона составляет около5 2/2 2"="25/4= 6+в 1 ⁄ раза больше основного (около 2+на 1/2 октавы выше него). [2] Для сравнения, первый обертон вибрирующей струны или металлического стержня на одну октаву выше (в два раза) основного тона, поэтому, когда струну перебирают или ударяют по стержню, его вибрации имеют тенденцию смешивать основную и обертоновую частоты. При ударе по камертону небольшая часть энергии переходит в обертонные моды; они также затухают соответственно быстрее, оставляя чистую синусоидальную волну на основной частоте. С помощью этого чистого тона легче настраивать другие инструменты.
Другая причина использования вилочной формы заключается в том, что ее можно удерживать у основания, не демпфируя колебания. Это связано с тем, что его основной вид вибрации симметричен: два зубца всегда движутся в противоположных направлениях, так что в основании, где два зубца встречаются, имеется узел ( точка отсутствия вибрационного движения), с которой, следовательно, можно обращаться, не удаляя энергию. от колебаний (затухания). Тем не менее, все еще происходит небольшое движение ручки в ее продольном направлении (то есть под прямым углом к колебанию зубцов), которое можно услышать с помощью любой звуковой панели . Таким образом, прижимая основание камертона к деке, такой как деревянная коробка, столешница или подставка 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 включает в себя гораздо большее движение ( скорость частицы ) при относительно низком давлении (следовательно, низком акустическом импедансе). [3] Высота камертона также можно услышать непосредственно через костную проводимость , прижав камертон к кости сразу за ухом или даже удерживая стержень вилки в зубах, оставляя обе руки свободными. [4] Костная проводимость с использованием камертона специально используется в тестах Вебера и Ринне для проверки слуха в обход среднего уха . Если держать камертон на открытом воздухе, звук камертона будет очень слабым из-за несоответствия акустических импедансов стали и воздуха. Более того, поскольку слабые звуковые волны, исходящие от каждого зубца, сдвинуты по фазе на 180° , эти две противоположные волны интерферируют , в значительной степени нейтрализуя друг друга. Таким образом, когда твердый лист вставляется между зубцами вибрирующей вилки, видимая громкость фактически увеличивается , поскольку это подавление уменьшается, точно так же, как громкоговорителю требуется перегородка для эффективного излучения.
Коммерческие камертоны настраиваются на правильную высоту на заводе, и на них выбивается высота и частота в герцах. Их можно перенастроить, сняв материал с зубцов. Запиливание концов зубцов повышает высоту звука, а запиливание внутренней части основания зубцов понижает его.
В настоящее время наиболее распространенный камертон звучит нотой A = 440 Гц , стандартной концертной высотой , которую используют многие оркестры. Эта А — это высота второй струны скрипки, первой струны альта и на октаву выше первой струны виолончели. Оркестры между 1750 и 1820 годами в основном использовали частоту A = 423,5 Гц, хотя было много вилок и несколько разных тонов. [5] Доступны стандартные камертоны, которые вибрируют на всех тонах в пределах центральной октавы фортепиано, а также на других тонах.
Шаг камертона незначительно меняется с температурой, главным образом 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 ростом температуры. [6] Камертоны изготавливаются таким образом, 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 звука других инструментов также может меняться в зависимости от изменения температуры.
Частота камертона зависит от его размеров и от того, из чего он сделан: [7]
где
Отношение 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 их в значительной степени заменили электронные тюнеры . Вилки могут иметь электрический привод, если разместить электромагниты , управляемые электронным генератором, рядом с зубцами.
В ряде клавишных музыкальных инструментов используются принципы, аналогичные камертонам. Самым популярным из них является фортепиано Rhodes , в котором молоточки ударяют по металлическим зубцам, которые вибрируют в магнитном поле звукоснимателя , создавая сигнал, приводящий в действие электрическое усиление. Более ранний, неусиленный дульцитон , в котором использовались непосредственно камертоны, страдал низкой громкостью.
Кристалл кварца , служащий элементом измерения времени в современных кварцевых часах , имеет форму крошечного камертона. Обычно он вибрирует на частоте 32768 Гц в ультразвуковом диапазоне (выше диапазона человеческого слуха). Он вибрирует под действием небольших осциллирующих напряжений, приложенных к металлическим электродам, нанесенным на поверхность кристалла с помощью электронной схемы генератора . Кварц является пьезоэлектриком , поэтому напряжение заставляет зубцы быстро сгибаться вперед и назад.
В электромеханических часах Accutron , разработанных Максом Хетцелем [9] и производимых компанией Bulova с 1960 года, в качестве хронометриста использовался стальной камертон с частотой 360 Гц , питаемый от электромагнитов, подключенных к транзисторной схеме генератора с батарейным питанием. Вилка обеспечивала большую точность, чем обычные часы с балансом. Жужжащий звук камертона был слышен, когда часы подносились к уху.
Альтернативы общему стандарту A=440 включают философскую или научную высоту звука со стандартной высотой C=512. По словам Рэлея , эту высоту использовали физики и производители акустических приборов. [10] Камертон, который Джон Шор подарил Георгу Фридриху Генделю , дает C = 512. [11]
Камертоны, обычно C512, используются практикующими врачами для оценки слуха пациента. Чаще всего это делается с помощью двух экзаменов, называемых тестом Вебера и тестом Ринне соответственно. Более низкие тона, обычно на уровне C128, также используются для проверки ощущения вибрации в рамках исследования периферической нервной системы. [12]
Хирурги-ортопеды исследовали возможность использования камертона (самая низкая частота C = 128) для оценки повреждений при подозрении на перелом кости. Они держат конец вибрирующей вилки на коже над предполагаемым переломом, постепенно приближаясь к предполагаемому перелому. При переломе надкостница кости вибрирует и активирует ноцицепторы (болевые рецепторы), вызывая местную острую боль. [ нужна цитация ] Это может указывать на перелом, который практикующий врач направляет на медицинский рентген. Резкая боль при местном растяжении может дать ложноположительный результат. [ нужна цитата ] Устоявшаяся практика, однако, требует рентгена в любом случае, потому что это лучше, чем пропустить настоящий перелом, задаваясь вопросом, означает ли ответ растяжение связок. Систематический обзор, опубликованный в 2014 году в BMJ Open , показывает, что этот метод недостаточно надежен и точен для клинического использования. [13]
Камертоны также играют роль в некоторых методах альтернативной терапии , таких как сонопунктура и полярная терапия . [14]
Радар , измеряющий скорость автомобилей или мяча в спорте , обычно калибруют с помощью камертона. [15] [16] Вместо частоты на этих вилках указана калибровочная скорость и радиолокационный диапазон (например, X-диапазон или K-диапазон), для которого они откалиброваны.
Двойные камертоны и камертоны Н-типа используются в гироскопах с вибрирующей структурой тактического класса и различных типах микроэлектромеханических систем . [17]
Камертон является чувствительной частью вибрирующих датчиков уровня . Камертон вибрирует на своей резонансной частоте с помощью пьезоэлектрического устройства. При контакте с твердыми телами амплитуда колебаний снижается, это используется в качестве параметра переключения для определения предельного уровня твердых тел. [18] Для жидкостей резонансная частота камертона изменяется при контакте с жидкостью, изменение частоты используется для определения уровня.
