Stämgaffel – definition, funktion och användning för tonhöjd

Stämgaffeln uppfanns 1711 av den brittiske musikern John Shore. Han var hovets trumpetare, och kompositörerna George Frideric Händel och Henry Purcell skrev musikaliska partier för honom.

Gaffelformen ger en mycket ren ton. Den största delen av vibrationsenergin ligger på grundfrekvensen, med mycket få övertoner (harmonier). Detta är inte fallet med andra resonatorer. Anledningen till detta är att frekvensen för den första övertonen är ungefär 5² /2² = 25/4 = 6¼ gånger grundtonen (ungefär 2½ oktav över den). Som jämförelse kan nämnas att den första övertonen i en vibrerande sträng endast ligger en oktav över grundtonen. När gaffeln slås på går alltså en liten del av energin till övertonerna; de dör också ut motsvarande snabbare och lämnar kvar grundtonen. Det är lättare att stämma andra instrument med denna rena ton, när man lyssnar för att jämföra med tonen hos varje annat instrument.

Ett annat skäl till att använda gaffelformen är att när den vibrerar i sitt huvudläge vibrerar handtaget upp och ner när tänderna rör sig isär och ihop. Det finns en nod (punkt utan vibrationer) vid basen av varje del av gaffeln. Handtagets rörelse är liten, vilket gör att gaffeln kan hållas i handtaget utan att dämpa vibrationerna, men det gör att handtaget kan överföra vibrationerna till en resonator (som den ihåliga rektangulära låda som ofta används), som förstärker gaffelns ljud. Utan resonatorn (som kan vara så enkel som en bordsskiva som handtaget trycks mot) är ljudet mycket svagt. Orsaken till detta är att de ljudvågor som produceras av varje gaffeltunga är 180° ur fas med varandra, så på ett avstånd från gaffeln interfererar de och upphäver i stort sett varandra. Om ett ljudabsorberande ark skjuts in mellan de vibrerande gafflarna och minskar de vågor som når örat från den ena gaffeln, kommer den hörda volymen faktiskt att öka på grund av att denna annullering minskar.

Kommersiella stämgafflar är normalt stämda till rätt tonhöjd på fabriken, men de kan stämmas om genom att fila bort material från pinnarna. Genom att fila ändarna på tänderna höjs tonhöjden, medan filning av insidan av tändernas bas sänker den.

Den vanligaste stämgaffeln låter tonen A = 440 Hz. Detta är den vanliga konsertstämningen, som används som stämton av vissa orkestrar. Det är tonhöjden för violinens andra sträng, violas första sträng och en oktav över cellons första sträng, alla spelade öppet. Stämgafflar som användes av orkestrar mellan 1750 och 1820 hade oftast frekvensen A = 423,5 Hz, även om det fanns många gafflar och många lite olika tonhöjder. Det finns standardstämgafflar för alla musikaliska tonhöjder inom pianots centrala oktav och andra tonhöjder. Välkända tillverkare av stämgafflar är bland annat Ragg och John Walker, båda från Sheffield i England.

Frekvensen hos en stämgaffel beror på dess dimensioner och materialet som den är tillverkad av: ^[]

f = 1 2 π l 2 A E ρ {\displaystyle f={\frac {1}{2\pi l^{2}}}{\sqrt {\frac {AE}{\rho }}}} , och, om prongarna är cylindriska,^[] f = R 2 π l 2 π E ρ {\displaystyle f={\frac {R}{2\pi l^{2}}}{\sqrt {\frac {\pi E}{\rho }}}}

Var:

• f är den frekvens som gaffeln vibrerar med i Hertz.
• A är den tvärsnittsarea som tänderna har i kvadratmeter.
• l är längden på präntorna i meter.
• E är Young-modulen för det material som gaffeln är tillverkad av i pascal.
• ρ är densiteten hos det material som gaffeln är tillverkad av i kilogram per kubikmeter.
• R är tandens radie i meter.

Gafflar har traditionellt använts för att stämma musikinstrument, även om elektroniska stämmare ersätter dem i många tillämpningar. Stämgafflar kan drivas elektriskt genom att placera elektromagneter nära de tänder som är anslutna till en elektronisk oscillatorkrets, så att ljudet inte dör ut.

I musikinstrument

Ett antal klaviaturinstrument med konstruktioner som liknar stämgafflar har tillverkats, det mest populära av dem är Rhodes-pianot, vars hammare slår på konstruktioner som fungerar enligt samma princip som stämgafflar.

I klockor

Accutron, en elektromekanisk klocka som utvecklades av Max Hetzel och tillverkades av Bulova från och med 1960, använde en 360-hertz stämgaffel i stål som drivs av ett batteri som tidtagningselement. Gaffeln gjorde det möjligt att uppnå större noggrannhet än konventionella klockor med balanshjul. Det surrande ljudet från stämgaffeln kunde höras när klockan hölls mot örat.

Medicinsk användning

Stämgafflar, vanligtvis C-512, används av läkare för att kontrollera patientens hörsel. Lägre gafflar (vanligtvis C-128) används också för att kontrollera vibrationssinnet som en del av undersökningen av det perifera nervsystemet.

Stämgafflar används också inom alternativ medicin, till exempel sonopunktur och polaritetsterapi.

Medicinsk stämgaffel 128 Hz

Kalibrering av radarkanoner

En radarpistol, som används för att mäta bilars hastighet eller bollars hastighet inom sport, kalibreras vanligtvis med stämgafflar. I stället för frekvensen är dessa gafflar märkta med kalibreringshastigheten och radarbandet (t.ex. X-bandet eller K-bandet) som de är kalibrerade för.

I gyroskop

Dubbel- och H-typ av stämgafflar används för taktiska vibrerande strukturgyroskop av taktisk kvalitet, som QuapasonTM och olika typer av MEMS.

• Musik
• Frekvens