Kamerton (widelec stroikowy) — definicja, zasada działania i zastosowania

Widelec stroikowy został wynaleziony w 1711 roku przez brytyjskiego muzyka Johna Shore'a. Był on sierżantem trębaczy dworskich, dla którego partie muzyczne pisali kompozytorzy George Frideric Handel i Henry Purcell.

Kształt widełek wytwarza bardzo czysty ton. Większość energii wibracyjnej znajduje się w częstotliwości podstawowej, z bardzo małą ilością podtekstów (harmonicznych). Nie jest tak w przypadku innych rezonatorów. Powodem tego jest fakt, że częstotliwość pierwszego overtonu jest około ^52/22 = 25/4 = 6¼ razy większa od podstawowej (około 2½ oktawy powyżej). Dla porównania, pierwszy overtone drgającej struny jest tylko jedną oktawę powyżej podstawowej. Tak więc, kiedy widelec jest uderzany, niewiele energii idzie w tryby overtone; one również zanikają odpowiednio szybciej, pozostawiając fundamentalny. Łatwiej jest dostroić inne instrumenty z tym czystym tonem, kiedy słucha się porównania z tonem każdego innego instrumentu.

Innym powodem używania kształtu widelca jest to, że kiedy wibruje w swoim głównym trybie, uchwyt wibruje w górę iw dół, jak zęby poruszają się od siebie i razem. Istnieje węzeł (punkt braku wibracji) u podstawy każdego kła. Ruch uchwytu jest niewielki, co pozwala na trzymanie widelca za uchwyt bez tłumienia drgań, ale pozwala uchwytowi na przekazywanie drgań do rezonatora (jak puste prostokątne pudełko często używane), który wzmacnia dźwięk widelca. Bez rezonatora (który może być tak prosty jak blat stołu, do którego dociskany jest uchwyt) dźwięk jest bardzo słaby. Powodem tego jest to, że fale dźwiękowe wytwarzane przez każdy z kłów widelca są o 180° w fazie względem siebie, więc w pewnej odległości od widelca zakłócają się i w znacznym stopniu znoszą się nawzajem. Jeśli pomiędzy kły widelca wsunie się płytę dźwiękochłonną, redukując w ten sposób fale docierające do ucha z jednego kła, głośność dźwięku wzrośnie z powodu redukcji tego zjawiska.

Komercyjne widelce stroikowe są zwykle dostrojone do właściwej wysokości dźwięku w fabryce, ale mogą być ponownie dostrojone przez spiłowanie materiału z wtyków. Opiłowywanie końcówek wtyków podnosi wysokość dźwięku, natomiast opiłowywanie wewnętrznej strony podstawy wtyków obniża ją.

Najbardziej powszechny widelec stroi nutę A = 440 Hz. Jest to standardowa wysokość koncertowa, używana jako nuta strojąca przez niektóre orkiestry. Jest to wysokość drugiej struny skrzypiec, pierwszej struny altówki i oktawę wyżej pierwszej struny wiolonczeli, wszystkie grane w pozycji otwartej. Widełki stroikowe używane przez orkiestry w latach 1750-1820 w większości miały częstotliwość A = 423,5 Hz, chociaż było wiele widełek i wiele nieco innych dźwięków. Standardowe widełki stroikowe są dostępne dla wszystkich dźwięków muzycznych w centralnej oktawie fortepianu, a także dla innych dźwięków. Znani producenci widełek stroikowych to Ragg i John Walker, obaj z Sheffield w Anglii.

Częstotliwość pracy widełek stroikowych zależy od ich wymiarów i materiału, z którego są wykonane:^[]

f = 1 2 π l 2 A E ρ {displaystyle f={{{frac {1}{2\pi l^{2}}}{{{sqrt {{frac {AE}{\rho }}}} a jeśli wypustki są cylindryczne,^[] f = R 2 π l 2 π E ρ {displaystyle f={{{frac {R}{2}{2}pi l^{2}}}}{{sqrt {{frac {{pi E}{{rho }}}}

Gdzie:

• f jest częstotliwością drgań widelca w hercach.
• A to pole przekroju poprzecznego zębów w metrach kwadratowych.
• l oznacza długość bolców w metrach.
• E to moduł Younga materiału, z którego wykonany jest widelec, wyrażony w paskalach.
• ρ to gęstość materiału, z którego wykonany jest widelec, wyrażona w kilogramach na metr sześcienny.
• R to promień ząbków w metrach

Widelce były tradycyjnie używane do strojenia instrumentów muzycznych, chociaż tunery elektroniczne zastępują je w wielu zastosowaniach. Widelce stroikowe mogą być napędzane elektrycznie, poprzez umieszczenie elektromagnesów w pobliżu wtyków, które są podłączone do obwodu oscylatora elektronicznego, tak, że ich dźwięk nie zanika.

W instrumentach muzycznych

Powstało wiele klawiszowych instrumentów muzycznych wykorzystujących konstrukcje podobne do widełek stroikowych, z których najpopularniejszym jest pianino Rhodes, w którym młotki uderzają w konstrukcje działające na tej samej zasadzie co widełki stroikowe.

W zegarkach

Accutron, zegarek elektromechaniczny opracowany przez Maxa Hetzela i produkowany przez firmę Bulova od 1960 roku, wykorzystywał jako element odmierzający czas 360-hercowy stalowy widelec stroikowy zasilany baterią. Widełki te pozwalały na osiągnięcie większej dokładności niż w przypadku konwencjonalnych zegarków z kołem balansowym. Brzęczący dźwięk widełek stroikowych można było usłyszeć, gdy zegarek był trzymany przy uchu.

Zastosowania medyczne

Widełki stroikowe, zwykle C-512, są używane przez lekarzy do sprawdzania słuchu pacjenta. Widelce o niższych tonach (zwykle C-128) służą również do sprawdzania zmysłu wibracji w ramach badania obwodowego układu nerwowego.

Widełki stroikowe są również wykorzystywane w medycynie alternatywnej, takich jak sonopunktura i terapii polaryzacji.

Medyczne widełki stroikowe 128 Hz

Kalibracja działa radarowego

Pistolet radarowy, używany do pomiaru prędkości samochodów lub piłek w sporcie, jest zwykle kalibrowany za pomocą widełek stroikowych. Zamiast częstotliwości, widełki te są oznaczone prędkością kalibracji i pasmem radarowym (np. X-Band lub K-Band), dla którego są kalibrowane.

W żyroskopach

Podwójne widełki strojące oraz widełki typu H są używane w taktycznych żyroskopach wibracyjnych, takich jak QuapasonTM oraz w różnych typach MEMS.

• Muzyka
• Częstotliwość