Stimmgabel: Definition, Tonhöhe, Aufbau und Anwendungen

Die Stimmgabel wurde 1711 von dem britischen Musiker John Shore erfunden. Er war der Sergeant Trompeter des Hofes, der musikalische Teile von den Komponisten Georg Friedrich Händel und Henry Purcell für ihn schreiben ließ.

Die Gabelform erzeugt einen sehr reinen Ton. Der größte Teil der Schwingungsenergie liegt in der Grundfrequenz, mit sehr wenigen Obertönen (Flageoletts). Dies ist bei anderen Resonatoren nicht der Fall. Der Grund dafür ist, dass die Frequenz des ersten Obertons etwa ^52/22 = 25/4 = 6¼ mal dem Grundton entspricht (etwa 2½ Oktaven darüber). Im Vergleich dazu liegt der erste Oberton einer schwingenden Saite nur eine Oktave über dem Grundton. Wenn die Gabel angeschlagen wird, geht also nur wenig Energie in die Obertonmodi; sie sterben auch entsprechend schneller aus und verlassen den Grundton. Es ist einfacher, andere Instrumente mit diesem reinen Ton zu stimmen, wenn man sich den Vergleich mit dem Ton jedes anderen Instruments anhört.

Ein weiterer Grund für die Verwendung der Gabelform ist, dass der Griff, wenn er in seinem Hauptmodus vibriert, auf und ab vibriert, wenn sich die Zinken auseinander und zusammen bewegen. Es gibt einen Knoten (Punkt ohne Schwingung) an der Basis jedes Zinken. Die Bewegung des Griffs ist gering, so dass die Gabel vom Griff gehalten werden kann, ohne dass die Schwingung gedämpft wird, aber sie ermöglicht es dem Griff, die Schwingung auf einen Resonator (wie den oft verwendeten hohlen rechteckigen Kasten) zu übertragen, der den Klang der Gabel verstärkt. Ohne den Resonator (der so einfach sein kann wie eine Tischplatte, an die der Griff gedrückt wird), ist der Klang sehr schwach. Der Grund dafür ist, dass die von jedem Gabelzinken erzeugten Schallwellen um 180° gegeneinander phasenverschoben sind, so dass sie in einem Abstand von der Gabel interferieren und sich weitgehend gegenseitig aufheben. Wenn ein schallabsorbierendes Blatt zwischen die Zinken einer schwingenden Gabel geschoben wird, wodurch die Wellen, die von einem Zinken zum Ohr gelangen, reduziert werden, erhöht sich die Lautstärke des Gehörs aufgrund der Reduzierung dieser Auslöschung sogar.

Kommerzielle Stimmgabeln werden normalerweise im Werk auf die richtige Tonhöhe gestimmt, aber sie können durch Abfeilen des Materials von den Zinken nachgestimmt werden. Das Feilen der Zinkenenden hebt die Tonhöhe an, während das Feilen der Innenseite der Zinkenbasis diese absenkt.

Die gebräuchlichste Stimmgabel klingt mit dem Ton A = 440 Hz. Dies ist der Standard-Konzertton, der von einigen Orchestern als Stimmton verwendet wird. Es ist die Tonhöhe der zweiten Saite der Violine, der ersten Saite der Viola und eine Oktave über der ersten Saite des Cellos, die alle offen gespielt werden. Stimmgabeln, die von Orchestern zwischen 1750 und 1820 verwendet wurden, hatten meist eine Frequenz von A = 423,5 Hz, obwohl es viele Gabeln und viele leicht unterschiedliche Tonhöhen gab. Standard-Stimmgabeln gibt es für alle musikalischen Tonhöhen innerhalb der zentralen Oktave des Klaviers und andere Tonhöhen. Bekannte Hersteller von Stimmgabeln sind Ragg und John Walker, beide aus Sheffield, England.

Die Frequenz einer Stimmgabel hängt von ihren Abmessungen und dem Material ab, aus dem sie hergestellt ist:^[]

f = 1 2 π l 2 A E ρ {\displaystyle f={\frac {1}{2\pi l^{2}}}{\sqrt {\frac {AE}{\rho }}}} und, wenn die Zinken zylindrisch sind,^[] f = R 2 π l 2 π E ρ {\displaystyle f={\frac {R}{2\pi l^{2}}}{\sqrt {\frac {\pi E}{\rho }}}}

Wo:

• f ist die Frequenz, mit der die Gabel in Hertz schwingt.
• A ist die Querschnittsfläche der Zacken (Zinken) in Quadratmetern.
• l ist die Länge der Zinken in Metern.
• E ist der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem die Gabel in Pascal gefertigt ist.
• ρ ist die Dichte des Materials, aus dem die Gabel hergestellt wird, in Kilogramm pro Kubikmeter.
• R ist der Radius der Zinken in Metern

Gabeln werden traditionell zum Stimmen von Musikinstrumenten verwendet, obwohl elektronische Stimmgeräte sie in vielen Anwendungen ersetzen. Stimmgabeln können elektrisch angetrieben werden, indem Elektromagneten in der Nähe der Zinken platziert werden, die an einem elektronischen Oszillatorschaltkreis befestigt sind, so dass ihr Klang nicht auslöscht.

In Musikinstrumenten

Es wurde eine Reihe von Tastenmusikinstrumenten hergestellt, die ähnliche Konstruktionen wie Stimmgabeln verwenden. Das beliebteste davon ist das Rhodos-Klavier, das über Hämmer verfügt, die auf Konstruktionen schlagen, die nach dem gleichen Prinzip wie Stimmgabeln funktionieren.

In Uhren

Die Accutron, eine elektromechanische Uhr, die von Max Hetzel entwickelt und ab 1960 von Bulova hergestellt wurde, verwendete als Zeitmessungselement eine 360-Hertz-Stimmgabel aus Stahl, die von einer Batterie gespeist wurde. Dank der Stimmgabel konnte sie eine höhere Genauigkeit als herkömmliche Uhren mit Unruh erreichen. Das Brummen der Stimmgabel war zu hören, wenn die Uhr an das Ohr gehalten wurde.

Medizinischer Gebrauch

Stimmgabeln, in der Regel C-512, werden von Ärzten verwendet, um das Gehör eines Patienten zu überprüfen. Stimmgabeln mit niedrigerer Tonhöhe (normalerweise C-128) werden auch zur Überprüfung des Schwingungssinns als Teil der Untersuchung des peripheren Nervensystems verwendet.

Stimmgabeln werden auch in der alternativen Medizin eingesetzt, wie z.B. bei der Sonopunktur und der Polaritätstherapie.

Medizinische Stimmgabel 128 Hz

Kalibrierung von Radarpistolen

Eine Radarpistole, die zur Messung der Geschwindigkeit von Autos oder Bällen im Sport verwendet wird, wird normalerweise mit Stimmgabeln kalibriert. Anstelle der Frequenz werden diese Gabeln mit der Kalibriergeschwindigkeit und dem Radarband (z.B. X-Band oder K-Band) beschriftet, für das sie kalibriert sind.

In Gyroskopen

Doppelte und H-Typ-Stimmgabeln werden für Vibrationsstrukturkreisel taktischer Qualität wie QuapasonTM und verschiedene Arten von MEMS verwendet.

• Musik
• Häufigkeit