Kamerton (widelec stroikowy) — definicja, zasada działania i zastosowania
Kamerton (widelec stroikowy): poznaj definicję, zasadę działania i praktyczne zastosowania w strojeniu instrumentów, badaniach słuchu i akustyce.
Widelec stroikowy (potocznie kamerton) to rezonator akustyczny w formie widelca o dwóch ramionach, wykonany zazwyczaj z hartowanej stali lub aluminium. Składa się z dwóch równoległych ramion (zębów) połączonych u podstawy z trzonkiem; całość jest zaprojektowana tak, by mogła swobodnie Rezonujeć w określonej, stałej częstotliwości po wprawieniu w drgania. Po uderzeniu i odczekaniu krótkiego czasu, gdy niepożądane składowe o wyższych częstotliwościach wygasną, słyszalny jest czysty, niemal sinusoidalny ton o stałej wysokości.
Budowa i zasada działania
Widelec stroikowy ma proste elementy: dwa ramiona (zęby) i trzonek. Ramiona drgają naprzemiennie względem środka masy, tworząc stojące fale w materiale. Częstotliwość drgań zależy głównie od:
- długości i grubości ramion,
- modułu sprężystości materiału (sztywności),
- gęstości materiału.
W przybliżeniu im dłuższe są ramiona, tym niższa częstotliwość; zmiany w przekroju lub materiale również przesuwają wysokość tonu. Aby uzyskać silniejszy dźwięk, widelec można przyłożyć trzonkiem do pudła rezonansowego lub innej powierzchni (np. drewnianej skrzynki), które wzmacniają fale powietrzne.
Jak używać kamertonu
- Aby go uruchomić, uderza się ramiona o miękką powierzchnię — miękki gumowy pad, kość dłoni lub miękki materiał — unikając uderzeń o twarde metalowe przedmioty, które mogą zniekształcić lub uszkodzić widelec.
- Trzymając widelec za trzonek, nie tłumimy ramion palcami — dotykanie drgających części zmniejsza głośność i zmienia barwę.
- Aby wykorzystać przewodnictwo kostne (np. w testach słuchu), przykłada się trzonek do kości za uchem (wyrostek sutkowaty) lub do czoła.
- Do strojenia instrumentów przykłada się go blisko ucha lub używa pudła rezonansowego, aby uzyskać lepszą głośność i czystość tonu.
Zastosowania
Widełki stroikowe mają wiele zastosowań w muzyce, medycynie i nauce:
- Strojenie instrumentów: najczęściej używany kamerton A4 o częstotliwości 440 Hz jako odniesienie wysokości dźwięku dla muzyków.
- Audiologia i neurologia: w badaniach słuchu kamertony w określonych częstotliwościach (np. 128 Hz, 256 Hz, 512 Hz) służą do testów przewodnictwa kostnego i badania czucia wibracji; są używane w testach Rinne i Webera.
- Badania fizyczne i edukacja: demonstracje zjawisk rezonansu, interferencji i tłumienia drgań; precyzyjne przyrządy referencyjne do kalibracji przyrządów pomiarowych.
- Przemysł i diagnostyka: przyrządy analogowe wzorowane na kamertonach służą do testów jakości materiałów i wykrywania wad rezonansowych.
Rodzaje i częstotliwości
Wytwarza się kamertony na wiele częstotliwości. Najczęściej spotykane to:
- 440 Hz (A4) — standardowy kamerton koncertowy,
- 256 Hz — tzw. strojenie naukowe (C),
- 128 Hz, 256 Hz, 512 Hz — często używane w medycynie do badań czucia wibracji i przewodnictwa kostnego.
Istnieją też specjalistyczne kamertony o innych częstotliwościach i o zwiększonej precyzji wykonania (np. spełniające normy metrologiczne).
Krótka historia
Kamerton został wynaleziony na początku XVIII wieku — wynalazcą przypisuje się Johnowi Shore'owi (ok. 1711), który stworzył go jako praktyczne narzędzie do ustalania wzorca wysokości dźwięku. Od tego czasu kamerton stał się podstawowym narzędziem w muzyce i nauce.
Pielęgnacja i bezpieczeństwo
- Uderzaj kamertonem o miękką powierzchnię, nie o zęby ani inne twarde elementy, aby nie odkształcić ramion.
- Przechowuj go w suchym miejscu, najlepiej w etui lub opakowaniu zabezpieczającym przed uderzeniami.
- Nie używaj kamertonu do uderzania o skórę lub zęby — może to powodować urazy.
- W medycznych zastosowaniach dezynfekuj trzonek zgodnie z wytycznymi placówki.
Widelec stroikowy pozostaje prostym, trwałym i precyzyjnym narzędziem — mimo upowszechnienia tunerów elektronicznych nadal bywa preferowany przez muzyków i specjalistów za swoją niezawodność i czystość tonu. Używany jest głównie jako wzorzec wysokości dźwięku do strojenia innych instrumentów muzycznych oraz w niektórych testach słuchu.
Widelec stroikowy na pudle rezonansowym, Max Kohl, Chemnitz, Niemcy
Opis
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.
Widełki stroikowe Johna Walkera z wytłoczoną nutą (E) i częstotliwością w hercach (659)
Obliczanie częstotliwości
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
Korzysta z
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.
Powiązane strony
- Muzyka
- Częstotliwość
Przeszukaj encyklopedię