Stimmgabel: Definition, Tonhöhe, Aufbau und Anwendungen
Stimmgabel: Funktion, Aufbau & Anwendungen erklärt — wie Tonhöhe entsteht, Einsatz beim Stimmen von Instrumenten und in Hörtests.
Eine Stimmgabel ist ein Klangresonator, bei dem es sich um eine zweizinkige Gabel handelt. Die Zinken, oft auch „Ruten“ genannt, werden aus einem U‑förmigen Stab aus Metall (normalerweise Stahl oder legierter Stahl) hergestellt. Dieser Metallstab kann sich frei bewegen und schwingt mit einer bestimmten konstanten Tonhöhe, wenn er durch Anschlagen gegen ein geeignetes Objekt in Schwingung versetzt wird. Nach dem Anschlagen klingt die Gabel zunächst mit einigen hohen Obertönen; diese klingen allerdings schnell ab, so dass bald ein sehr reiner Grundton (fast wie eine Sinusschwingung) übrigbleibt. Die Tonhöhe hängt vor allem von der Länge und Form der beiden Zinken sowie vom Material ab. Stimmgabeln werden häufig als Tonhöhenstandard zum Stimmen anderer Musikinstrumente verwendet und finden zudem in Medizin, Physik und alternativen Anwendungen Verwendung.
Aufbau und Funktionsweise
Typische Stimmgabeln bestehen aus zwei parallelen Zinken und einem schmalen Stiel (dem Schaft). Die Zinken schwingen gegensinnig (eine Zinke bewegt sich nach außen, die andere nach innen), wodurch sich das System sehr stabil verhält und hauptsächlich die Grundschwingung hörbar bleibt. Am Schaft befinden sich Knotenpunkte der Schwingung, weshalb man die Gabel dort anfassen kann, ohne die Schwingung nennenswert zu dämpfen. Wird der Schaft auf einen resonierenden Körper (z. B. einen Holzklangkörper oder die Decke eines Instruments) aufgesetzt, so wird die Lautstärke verstärkt.
Tonhöhe und technische Faktoren
Die Frequenz einer Stimmgabel wird von mehreren Faktoren bestimmt:
- Länge der Zinken (längere Zinken → tiefere Frequenz)
- Querschnitt und Masse der Zinken (dickere Zinken → höhere Steifigkeit und meist höhere Frequenz)
- Materialeigenschaften wie die Elastizitätsmodul (Youngscher Modul) und Dichte
- Geometrie (z. B. Form des Schaftes oder Dämpfungselemente)
Gängige Stimmgabeln sind z. B. für A4 = 440 Hz ausgelegt (weit verbreiteter Stimmton). Für medizinische Hör- und Vibrationsprüfungen existieren übliche Standardfrequenzen wie 512 Hz (Hörtests wie Rinne/Weber) oder 128 Hz (Prüfung der Vibrationswahrnehmung bei neurologischen Untersuchungen). Auf vielen Gabeln ist die Frequenz eingestanzt oder aufgedruckt.
Anwendungen
- Musik: Einstimmen von Instrumenten (Orchesterstimmgabel für A440, einzelne Gabeln für Referenztöne).
- Medizin: Hörtests (Rinne‑ und Weber‑Test, meist 512 Hz) und Überprüfung der Vibrationssensibilität (z. B. 128 Hz bei diabetischer Neuropathie).
- Akustik und Physik: Demonstrationen zu Resonanz, Schwingungen und Klangspektren; Kalibrierung und Messungen.
- Signalgeber / Referenz: Kalibrieren von elektronischen Stimmgeräten oder Vergleichstöne im Labor.
- Alternative und therapeutische Anwendungen: Klangtherapie oder „Sound Healing“ – diese Anwendungen sind populär, die wissenschaftliche Evidenz ist jedoch begrenzt und umstritten.
Praktische Hinweise zur Verwendung
- Anschlagen: Die Stimmgabel wird leicht gegen ein weiches, federndes Objekt geschlagen (Gummipad, Fersenteil eines Schuhs, spezieller Stimmgabel‑Schläger). Auf hartem Metall zu schlagen kann die Gabel beschädigen oder unerwünschte Obertonanteile erzeugen.
- Halten: Griff die Gabel am Schaft an einer Stelle, an der die Schwingungsamplitude minimal ist (nahe dem Knoten), um Dämpfung zu vermeiden.
- Verstärkung: Um den Ton lauter zu machen, kann man den Schaft auf eine Holzbox, einen Instrumentenkörper oder einen Resonator legen. Für medizinische Tests wird der Schaft gegebenenfalls auf den Knochen hinter dem Ohr oder auf dorsale Knochenpunkte aufgelegt (bei entsprechender Ausbildung durch medizinisches Personal).
- Pflege: Vor Korrosion schützen, nicht verbiegen und bei Bedarf die Frequenz mit geeigneten Messgeräten kontrollieren. Stimmgabeln sollten nicht übermäßig erhitzt oder mechanisch überbeansprucht werden.
Kurze historische Anmerkung
Die heute bekannte Form der Stimmgabel geht auf frühe Entwicklungen im 18. Jahrhundert zurück und wurde später als praktisches Referenzinstrument im Musikbetrieb und in Wissenschaft und Medizin verbreitet. Im 20. Jahrhundert setzte sich zunehmend der Standardton A4 = 440 Hz als international gebräuchliche Referenz durch.
Sicherheit und Grenzen
Stimmgabeln sind robuste, einfache Werkzeuge, aber sie ersetzen nicht immer moderne elektronische Messgeräte: Für präzise Frequenzmessungen, komplexe akustische Analysen oder diagnostische medizinische Untersuchungen sind oft weiterführende Instrumente erforderlich. Bei medizinischer Anwendung sollten die Tests durch qualifiziertes Fachpersonal durchgeführt und interpretiert werden.
Stimmgabel am Resonanzkasten, von Max Kohl, Chemnitz, Deutschland
Beschreibung
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.
Stimmgabel von John Walker mit gestempelter Note (E) und Frequenz in Hertz (659)
Berechnung der Häufigkeit
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
Verwendet
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.
Verwandte Seiten
- Musik
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