Stämgaffel – definition, funktion och användning för tonhöjd
Stämgaffel: definition, funktion och användning för tonhöjd — lär dig hur denna U-formade ljudresonator skapar ren ton, stämmer instrument och används i hörseltester.
En stämgaffel är en ljudresonator som består av en gaffel med två armar (ibland kallade tänder). Armarna är vanligtvis gjorda av en U‑formad metallstång, vanligen stål, och kan vibrera fritt. Den resonerar i en viss konstant tonhöjd när den sätts i vibration genom att man slår den lätt mot ett föremål eller med en mjuk klubba. Efter en kort stund dämpas flera övertoner och en mycket ren grundton kvarstår. Tonhöjden bestäms främst av armarna:s längd, tvärsnittsarea, material och styvhet. Stämgaffeln används i första hand som referens för att stämma andra musikinstrument, men också i medicinska hörseltester, akustisk forskning och vissa industriella tillämpningar.
Funktion och fysik
En stämgaffels prång vibrerar i motsatt fas, vilket gör att skaftet (skaftet är centrumdelen mellan armarna) rör sig relativt lite. Det minskar överföring av mekaniska vibrationer till handen och ger en stabil, långvarig ton. Designen gör också att högre övertoner dämpas snabbare än grundtonen, vilket ger den karakteristiskt rena tonen.
Faktorersom påverkar frekvensen inkluderar:
- Längd — längre armar ger lägre frekvens.
- Tvärsnitt och massa — tjockare eller tyngre armar sänker frekvensen.
- Materialegenskaper — elasticitet och densitet hos metallen påverkar svängningen.
- Temperatur — temperaturförändringar kan ändra tonhöjden något eftersom materialets egenskaper varierar med värme eller kyla.
Användning
Vanliga användningsområden:
- Stämning — orkestrar och musiker använder ofta en A‑stämgaffel (A4) för att få referenstonen innan de stämmer sina instrument. Standardreferensen är ofta A = 440 Hz, men historiska och stilistiska variationer förekommer (t.ex. A = 415 Hz för barockmusik eller lokala orkestrala standarder).
- Medicinska tester — i otologi används stämgafflar i Rinne‑ och Weber‑tester för att skilja mellan lednings‑ och sensorineural hörselnedsättning genom att utnyttja luft‑ respektive benledning.
- Akustisk utbildning och forskning — för att demonstrera harmoniska övertoner, resonans och ren tonbildning.
- Signaler och kalibrering — i vissa tekniska sammanhang används stämgafflar som stabila signaler eller referenser.
Praktiskt bruk: slå stämgaffeln lätt mot en mjuk yta (t.ex. ett litet gummihammarslag eller mot en knoge), håll i skaftet för att inte dämpa armarnas vibrationer, och för sedan stämgaffeln nära örat eller mot instrumentets resonanslåda för att överföra tonen. För medicinska tester kan stämgaffeln hållas mot patientens mastoidben för att testa benledning.
Tillverkning och varianter
Stämgafflar finns i enkla, handhållna modeller men även i större, specialiserade varianter. De kan vara märkta med frekvens i hertz (Hz) och tillverkas ofta i stål, rostfritt stål eller andra legeringar för bättre stabilitet. Elektroniska och digitala stämapparater har kompletterat traditionella stämgafflar, men många musiker föredrar fortfarande stämgaffelns rena och omedelbara ton.
Vanliga frekvenser och historik
Den allra vanligaste stämgaffeln är A4 = 440 Hz, som blivit en internationell standard sedan 1900‑talet. Det finns även stämgafflar för andra toner och oktaver (t.ex. C, G eller D i olika oktaver) och specialfrekvenser för laboratorieändamål. Stämgaffeln tillskrivs ofta John Shore, en brittisk musiker, som uppfann den moderna formen i början av 1700‑talet.
Skötsel och säkerhet
- Förvara stämgaffeln torrt och skyddat i fodral för att undvika deformation och korrosion.
- Slå endast lätt med en mjuk klubba eller mot en mjuk yta — för hårda slag kan ändra ton eller skada verktyget.
- Undvik att hålla i armarna när den vibrerar; håll i skaftet för att inte dämpa ljudet.
Sammanfattning
Stämgaffeln är ett enkelt men precist verktyg för att producera en stabil referenston. Genom sin konstruktion ger den en ren grundton med få övertoner, vilket gör den användbar inom musik, medicin och akustisk forskning. Rätt använd och underhållen är den ett pålitligt instrument för att kontrollera och överföra tonhöjd.
Stämgaffel på resonanslåda, av Max Kohl, Chemnitz, Tyskland
Beskrivning
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.
Stämgaffel av John Walker stämplad med ton (E) och frekvens i hertz (659).
Beräkning av frekvens
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.
Använder
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.
Relaterade sidor
- Musik
- Frekvens
Sök