音叉

用于乐器调音的敲击乐器

音叉(英文:Tuning Forks),是由钢质或铝合金制成的U形 声学 器件,各种音叉可因其质量和叉臂长短、粗细不同而在振动时发出不同频率的纯音。 音叉由 英国 音乐家约翰·肖尔(John Shore,卒于1752年)于1711年发明。

音叉是一种声学共振器。19世纪,人们可以制造出极其精确的音叉,用作音调发生器来识别和测量其他声音。19世纪末期,音叉成为所有科学仪器中最精确的一种。使用音叉测量不同种类的振动,音叉还被用作高精度的计时标准。 阿尔伯特·迈克尔逊 (Albert Michelson)首次利用音叉振动齿反射的光线,对 光速 进行了测量。 20世纪,电子技术取代了使用机械音叉的技术。 音叉在定义现代音乐方面发挥了至关重要的作用。建立了国际音乐会音高标准(A=440Hz)。音叉还构成了多种乐器的核心发声功能。

音叉主要用于乐器调音,音乐家使用的音叉的频率多为440赫。音叉也用来测试病人的听力和其他科学及工业领域。

音叉简介

音叉是由金属(多为钢)制成的U形 声学 器件,它能产生频率稳定单纯的 纯音 ,提供频率标准。音叉主要用于乐器调音,也能运用在电动 机械表 中。在医疗方面,音叉也可用来测试病人的听力。音叉的用途非常广泛,因此对于音叉声音信号的研究具有非常重要的意义。

音叉受到敲击时产生的振动包含共振频率的 基频 振动和频率比较高的谐频振动。谐频振动很快 衰减 ,剩下的基频振动能维持很长时间。这时音叉发出频率稳定单纯的长音,其频率是由音叉的材料和形状决定的共振频率。音叉受到敲击后所发出的音非常微弱,为此有时在敲击后将音叉压在桌面或专门的 共振 箱上,以增大音量。音叉主要用于乐器 调音 ,音乐家使用的音叉的频率多为440赫。音叉也用来测试病人的听力。

发明

音叉由是由 英国 音乐家、皇家小号手和 鲁特琴 演奏家约翰·肖尔(John Shore,卒于1752年)于1711年发明。在这项创新之前,需要标准音高的音乐家必须依赖木制音管,这种音管相当不可靠,容易受到温度和湿度变化的影响。相比之下,音叉可以在各种环境条件下保持其音调,并且还能产生非常纯净的音调。

历史沿革

音叉是一种 声学 共振器 。当音叉被敲击时,会产生几个音调--一个基音和至少一个谐音--但音叉的形状会使谐音最小化,在几秒钟内只能听到基音。叉子发出的音调主要取决于其 "叉齿"(或叉刺)的长度。较长的齿振动较慢,因此产生的音调较低。缩短 "叉齿 "的长度可以让它们振动得更快,从而产生更高的音调。

音叉的发明一般归功于1711年的 英国 音乐家约翰·肖尔(John Shore)。斯特朗用他的音叉作为音高标准为乐器 调音 ,至今音叉仍在使用。19世纪,随着制造技术的进步,人们可以制造出极其精确的音叉,这些音叉被成套制造,用作音调发生器来识别和测量其他声音。到19世纪末期,音叉已成为所有科学仪器中最精确的一种。人们开发了专门的技术来使用音叉测量不同种类的振动,音叉还经常被用作高精度的计时标准。例如, 阿尔伯特·迈克尔逊 (Albert Michelson)首次利用音叉的振动齿反射的光线,对 光速 进行了测量。

20世纪,用于测量和精确计时的 电子技术 的发展迅速取代了使用机械音叉的技术。一个值得注意的例外是,1960 年左右,高精度手表开始采用微小的 石英 音叉。这种共振音叉由电池维持运动,其精确度远远超过传统 机械表 。

原理

音叉是一种“Y”形 打击乐器 ,常被当做“标准音”。音叉通过上半部分振动发音,下半部分起到固定作用。当我们敲击音叉时,就会在上部产生特定频率的振动,发出声音。 驻波 是 波形 不随时间变化的波。如上图是一种驻波,两头的固定点称为波节,中间振动的部分称为波腹。

当存在两列传播方向相反的波,叠加(干涉)之后便会产生振幅随位置 正弦 变化的波。可以看到,通过 和差化积 振动中已经不存在ωt-kx的传播项,此时的波已经“驻”在此地不动。

当我们把音叉放入水中,音叉就会作为波源在水中激发出表面波。某时刻距离波源r处的波,就是r/v之前由波源发出然后传递过来的,v是波在水面的传播速度。对于存在两个波源的音叉,某处的波就是由两个波源分别于r1/v和r2/v之前发出,其中r1和r2分别是某点到波源的距离,之后再相干叠加形成干涉 图样 。当r1和r2 相等 或者相差N倍波长时,两个波源振动相同增强。相差N+1/2个波长时,振动相反而抵消,我们在此处就看不到水波。在其余位置便可以看到幅度不同的振动。最终,音叉会在水面上形成如下图一样的放射状图样。

音叉本身存在一个共振频率。这一频率与音叉所在的介质有关(密度与粘滞系数),通常将音叉的这一 共振 特性与 压电效应 相结合,来制作一些 探测器 ,比如探测 液氦 的 超流 相变 ,在材料生长过程中监测薄膜生长厚度等。

音叉构造

音叉是由金属(多为钢)制成的U形 声学 器件,它能产生频率稳定单纯的 纯音 ,提供频率标准。

音乐意义

音叉在定义 现代音乐 方面发挥了至关重要的作用。首先,它有助于建立国家乃至国际音乐会音高标准(熟悉的 A=440Hz)。其次,音叉对于现在普遍的平均律 键盘 调音 系统的实现和普及至关重要,这是当代西方音乐的一个决定性特征。音叉还构成了多种乐器(例如现代 Fender- Rhodes电钢琴)的核心发声功能。

用途

音叉主要用于乐器调音,也能运用在电动 机械表 、医疗等方面,音叉的用途非常广泛。

在乐器方面

许多 键盘乐器 使用类似于音叉的原理。其中最受欢迎的是罗德钢琴,其中音锤敲击在 拾音器 磁场 中振动的金属齿,产生驱动电放大的信号。早期的未放大的dulcitone直接使用音叉,但音量较低。

在钟表领域

Accutron是一款由Max Hetzel研发、 宝路华 于1960年开始生产的电动机械手表,它使用一个360 赫兹 的钢制音叉作为 计时器 ,由连接到电池供电 晶体管 振荡电路上的 电磁铁 提供动力。与传统的摆轮手表相比,音叉的精确度更高。将手表放在耳边,可以听到音叉发出的嗡嗡声。

医疗和科学用途

音叉也用来测试病人的听力,最常用的音叉为C-512。较为 低频 的音叉(通常是C-128)也作为一项末梢 神经系统 对振动的感应测试。音叉也作为一些特殊疗法中(如sonopuncture)的治疗工具。

雷达枪校准

测量汽车或运动中球的速度的 雷达枪 通常使用音叉进行校准。这些音叉没有标有频率,而是标有校准速度和它们校准的雷达 波段 (例如,X 波段或 K 波段)。

在陀螺仪中

双音叉和H型音叉用于战术级振动结构陀螺仪和各类微机电系统。

液位传感器

音叉构成振动点液位传感器的传感部分。音叉通过压电装置保持在其共振频率下振动。当与固体接触时,振荡幅度下降,这同样用作检测固体点液位的开关参数。对于液体,音叉与液体接触时谐振频率会发生变化,利用频率的变化来检测液位。

参考资料

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