Stemme gaffel
En stemmegaffel er en lydresonator, som er en totakket gaffel. Tænderne, der kaldes tænder, er fremstillet af en U-formet metalstang (normalt stål). Denne stang af metal kan bevæge sig frit. Den resonerer med en bestemt konstant tonehøjde, når den sættes i svingning ved at slå den mod en genstand. Den giver en ren musikalsk tone efter at have ventet et øjeblik, så nogle høje overtoner kan dø ud. Tonhøjden afhænger af længden af de to tænder. Den anvendes først og fremmest som tonehøjde til at stemme andre musikinstrumenter og i visse høreprøver.
Stemmegaffel på resonanskasse, af Max Kohl, Chemnitz, Tyskland
Beskrivelse
Stemmegaflen blev opfundet i 1711 af den britiske musiker John Shore. Han var hofets trompetitsergent, som fik skrevet musikalske dele til sig af komponisterne George Frideric Handel og Henry Purcell.
Gaffelformen giver en meget ren tone. Det meste af vibrationsenergien ligger på grundfrekvensen med meget få overtoner (harmoniske toner). Dette er ikke tilfældet med andre resonatorer. Grunden til dette er, at frekvensen af den første overtone er ca. 52 /22 = 25/4 = 6¼ gange grundtonen (ca. 2½ oktav over den). Til sammenligning er den første overtone i en vibrerende streng kun en oktav over grundtonen. Så når gaflen slås på, går kun lidt af energien til overtonerne; de dør også tilsvarende hurtigere ud og efterlader grundtonen. Det er lettere at stemme andre instrumenter med denne rene tone, når man lytter for at sammenligne med tonen på hvert andet instrument.
En anden grund til at bruge gaffelformen er, at når den vibrerer i sin hovedfunktion, vibrerer håndtaget op og ned, når tænderne bevæger sig fra hinanden og sammen. Der er et knudepunkt (punkt, hvor der ikke vibreres) ved bunden af hver finger. Håndtagets bevægelse er lille, hvilket gør det muligt at holde gaflen i håndtaget uden at dæmpe vibrationerne, men det gør det muligt for håndtaget at overføre vibrationerne til en resonator (som den hule rektangulære kasse, der ofte anvendes), som forstærker gaflens lyd. Uden resonatoren (som kan være så simpel som en bordplade, som håndtaget presses mod) er lyden meget svag. Grunden til dette er, at de lydbølger, der produceres af hver gaffeltang, er 180° ude af fase med hinanden, så i en afstand fra gaflen interfererer de og ophæver stort set hinanden. Hvis man lægger en lydabsorberende plade ind mellem de vibrerende gaffeltænder, så de bølger, der når øret fra den ene tænder, reduceres, vil lydstyrken faktisk stige, fordi denne annullering reduceres.
Kommercielle stemmegafler er normalt indstillet til den korrekte tonehøjde på fabrikken, men de kan omstemmes ved at filse materiale af på tasterne. Ved at file enderne af tænderne hæves tonehøjden, mens den sænkes ved at file indersiden af tændernes bund.
Den mest almindelige stemmegaffel lyder tonen A = 440 Hz. Dette er standardkoncertstemmen, der bruges som stemmetone af nogle orkestre. Det er tonehøjden for violinens anden streng, for bratschens første streng og en oktav over celloens første streng, alle spillet åbent. Stemmegafler, der blev brugt af orkestre mellem 1750 og 1820, havde for det meste en frekvens på A = 423,5 Hz, selv om der fandtes mange gafler og mange lidt forskellige tonehøjder. Der findes standardstemmegafler til alle de musikalske tonehøjder inden for klaverets centrale oktav og andre tonehøjder. Kendte producenter af stemmegafler er bl.a. Ragg og John Walker, begge fra Sheffield i England.
Stemmegaffel af John Walker stemplet med tone (E) og frekvens i hertz (659)
Beregning af frekvens
Frekvensen af en stemmegaffel afhænger af dens dimensioner og det materiale, den er fremstillet af: []
f = 1 2 π l 2 l 2 A E ρ {\displaystyle f={\frac {1}{2\pi l^{2}}}{\sqrt {\frac {\frac {AE}{\rho }}}} 
, og, hvis grenene er cylindriske,[] f = R 2 π l 2 π E ρ {\displaystyle f={\frac {R}{2\pi l^{2}}}}{\sqrt {\frac {\pi E}{\rho }}}} 
Hvor:
- f er den frekvens, gaflen vibrerer med i hertz.
- A er tændernes tværsnitsareal i kvadratmeter.
- l er længden af tænderne i meter.
- E er Young-modulet for det materiale, gaflen er fremstillet af, i pascal.
- ρ er densiteten af det materiale, gaflen er fremstillet af, i kilogram pr. kubikmeter.
- R er tandens radius i meter
Bruger
Gafler er traditionelt blevet brugt til at stemme musikinstrumenter, men elektroniske stemere erstatter dem i mange tilfælde. Stemmegafler kan drives elektrisk ved at anbringe elektromagneter tæt på de takker, der er forbundet til et elektronisk oscillerkredsløb, så lyden ikke dør ud.
I musikinstrumenter
Der er blevet fremstillet en række klaviaturmusikinstrumenter med konstruktioner, der ligner stemmegafler, og det mest populære af dem er Rhodes-pianoet, hvis hamre slår på konstruktioner, der fungerer efter samme princip som stemmegafler.
I ure
Accutron, et elektromekanisk ur udviklet af Max Hetzel og fremstillet af Bulova fra 1960, brugte en 360-hertz-stålstemmegaffel, der blev drevet af et batteri, som tidtagningselement. Gaflen gjorde det muligt at opnå større nøjagtighed end konventionelle ure med balancehjul. Stemgafflens brummende lyd kunne høres, når uret blev holdt mod øret.
Medicinske anvendelser
Tuninggafler, normalt C-512, bruges af læger til at kontrollere en patients hørelse. De lavere tonehøjder (normalt C-128) bruges også til at kontrollere vibrationssansen som led i undersøgelsen af det perifere nervesystem.
Tuninggafler bruges også i alternativ medicin, f.eks. sonopunktur og polaritetsterapi.
Medicinsk stemmegaffel 128 Hz
Kalibrering af radarkanoner
En radarpistol, der bruges til at måle bilers eller boldes hastighed inden for sport, er normalt kalibreret med stemmegafler. I stedet for frekvensen er disse gafler mærket med kalibreringshastigheden og det radarbånd (f.eks. X-båndet eller K-båndet), som de er kalibreret til.
I gyroskoper
Dobbelte og H-typen af stemmegafler anvendes til taktisk anvendelige vibrationsgyroskoper af typen QuapasonTM og forskellige typer MEMS.
