Diapasón - Tuning fork

Diapasón de John Walker estampado con nota (E) y frecuencia en hercios (659)

Un diapasón es un resonador acústico en forma de un tenedor de dos puntas con las puntas ( púas ) formadas por una barra en forma de U de metal elástico (generalmente acero ). Que resuena en una constante específica de tono cuando se establece que vibra al golpear contra una superficie o con un objeto, y emite un tono musical puro una vez que los altos armónicos se desvanecen. El tono de un diapasón depende de la longitud y la masa de las dos puntas. Son fuentes tradicionales de tono estándar para afinar instrumentos musicales.

El diapasón fue inventado en 1711 por el músico británico John Shore , sargento trompetista y laudista de la corte.

Descripción

Movimiento de un diapasón A-440 (muy exagerado) vibrando en su modo principal

Un diapasón es un resonador acústico en forma de horquilla que se utiliza en muchas aplicaciones para producir un tono fijo. La razón principal para usar la forma de horquilla es que, a diferencia de muchos otros tipos de resonadores, produce un tono muy puro , con la mayor parte de la energía vibratoria en la frecuencia fundamental . La razón de esto es que la frecuencia del primer sobretono es aproximadamente5 2/2 2 = 25/4= 6+1 ⁄ 4 veces el fundamental (aproximadamente 2+1 ⁄ 2 octavas por encima). En comparación, el primer sobretono de una cuerda o barra de metal que vibra está una octava por encima (dos veces) de la fundamental, por lo que cuando se pulsa la cuerda o se golpea la barra, sus vibraciones tienden a mezclar las frecuencias fundamentales y armónicas. Cuando se golpea el diapasón, poca energía pasa a los modos armónicos; también mueren correspondientemente más rápido, dejando una onda sinusoidal pura en la frecuencia fundamental. Es más fácil afinar otros instrumentos con este tono puro.

Otra razón para usar la forma de la horquilla es que luego se puede sostener en la base sin amortiguar la oscilación. Esto se debe a que su modo principal de vibración es simétrico, con las dos puntas siempre moviéndose en direcciones opuestas, de modo que en la base donde se encuentran las dos puntas hay un nodo (punto sin movimiento vibratorio) que, por lo tanto, se puede manejar sin quitar energía. de la oscilación (amortiguación). Sin embargo, todavía hay un pequeño movimiento inducido en el mango en su dirección longitudinal (por lo tanto, en ángulo recto con la oscilación de los dientes) que puede hacerse audible usando cualquier tipo de placa de sonido . Por lo tanto, al presionar la base del diapasón contra una placa de sonido, como una caja de madera, una mesa o un puente de un instrumento musical, este pequeño movimiento, pero que tiene una alta presión acústica (por lo tanto, una impedancia acústica muy alta ), se ve en parte convertido en sonido audible en el aire que implica un movimiento mucho mayor ( velocidad de partícula ) a una presión relativamente baja (por lo tanto, baja impedancia acústica). El tono de un diapasón también se puede escuchar directamente a través de la conducción ósea , presionando el diapasón contra el hueso justo detrás de la oreja, o incluso sosteniendo el vástago del diapasón en los dientes, dejando convenientemente ambas manos libres. La conducción ósea con un diapasón se utiliza específicamente en las pruebas de audición de Weber y Rinne para evitar el oído medio . Si se mantiene al aire libre, el sonido de un diapasón es muy débil debido a la falta de coincidencia de impedancia acústica entre el acero y el aire. Además, dado que las ondas de sonido débiles que emanan de cada púa son 180 ° fuera de fase , esas dos ondas opuestas interfieren , cancelando en gran medida entre sí. Por lo tanto, cuando se desliza una hoja sólida entre las púas de una horquilla vibratoria, el volumen aparente realmente aumenta , ya que esta cancelación se reduce, al igual que un altavoz requiere un deflector para irradiar de manera eficiente.

Los diapasones comerciales están afinados al tono correcto en la fábrica, y el tono y la frecuencia en hercios están estampados en ellos. Pueden reajustarse limando material de las puntas. Limar los extremos de las púas eleva el tono, mientras que limar el interior de la base de las púas lo baja.

Actualmente, el diapasón más común suena con una nota de La = 440 Hz , el tono de concierto estándar que utilizan muchas orquestas. Esa A es el tono de la segunda cuerda del violín, la primera cuerda de la viola y una octava por encima de la primera cuerda del violonchelo. Las orquestas entre 1750 y 1820 utilizaron principalmente A = 423,5 Hz, aunque había muchas bifurcaciones y muchos tonos ligeramente diferentes. Hay diapasones estándar disponibles que vibran en todos los tonos dentro de la octava central del piano, y también en otros tonos.

El tono del diapasón varía ligeramente con la temperatura, debido principalmente a una ligera disminución del módulo de elasticidad del acero al aumentar la temperatura. Un cambio en la frecuencia de 48 partes por millón por ° F (86 ppm por ° C) es típico de un diapasón de acero. La frecuencia disminuye (se vuelve plana ) al aumentar la temperatura. Los diapasones se fabrican para tener su tono correcto a una temperatura estándar. La temperatura estándar ahora es de 20 ° C (68 ° F), pero 15 ° C (59 ° F) es un estándar más antiguo. El tono de otros instrumentos también está sujeto a variaciones con el cambio de temperatura.

Cálculo de frecuencia

La frecuencia de un diapasón depende de sus dimensiones y de qué está hecho:

dónde:

  • f es la frecuencia a la que vibra la horquilla en hercios .
  • 1.875 es la solución positiva más pequeña de cos ( x ) cosh ( x ) = −1 .
  • l es la longitud de las puntas en metros .
  • E es el módulo de Young ( módulo elástico o rigidez) del material del que está hecha la horquilla en pascales .
  • I es el segundo momento del área de la sección transversal en metros elevado a la cuarta potencia.
  • ρ es la densidad del material del que está hecha la horquilla en kilogramos por metro cúbico.
  • A es el área de la sección transversal de las púas (púas) en metros cuadrados.

El radio I/A en la ecuación anterior se puede reescribir como r 2/4si las púas son cilíndricas con radio r , yun 2/12si los dientes tienen una sección transversal rectangular de ancho a a lo largo de la dirección del movimiento.

Usos

Los diapasones se han utilizado tradicionalmente para afinar instrumentos musicales , aunque los sintonizadores electrónicos los han reemplazado en gran medida. Las horquillas se pueden accionar eléctricamente colocando electroimanes impulsados ​​por osciladores electrónicos cerca de las puntas.

En instrumentos musicales

Varios instrumentos musicales de teclado utilizan principios similares a los diapasones. El más popular de ellos es el piano Rhodes , en el que los martillos golpean las púas de metal que vibran en el campo magnético de una pastilla , creando una señal que impulsa la amplificación eléctrica. El dulcitone anterior, no amplificado , que usaba diapasones directamente, sufría de bajo volumen.

En relojes y relojes

Resonador de cristal de cuarzo de un reloj de cuarzo moderno , formado en forma de diapasón. Vibra a 32.768 Hz, en el rango ultrasónico .
Un reloj Bulova Accutron de la década de 1960, que utiliza un diapasón de acero (visible en el centro) que vibra a 360 Hz.

El cristal de cuarzo que sirve como elemento de cronometraje en los modernos relojes de cuarzo y relojes es en la forma de un pequeño tenedor de sintonía. Suele vibrar a una frecuencia de 32.768 Hz en el rango ultrasónico (por encima del rango del oído humano). Se hace vibrar mediante pequeños voltajes oscilantes aplicados a electrodos metálicos chapados en la superficie del cristal mediante un circuito oscilador electrónico . El cuarzo es piezoeléctrico , por lo que el voltaje hace que los dientes se doblen rápidamente hacia adelante y hacia atrás.

El Accutron , un reloj electromecánico desarrollado por Max Hetzel y fabricado por Bulova a partir de 1960, utilizaba un diapasón de acero de 360 hertz como cronometrador, alimentado por electroimanes conectados a un circuito oscilador de transistores alimentado por batería. La horquilla proporcionó una mayor precisión que los relojes convencionales con volante. El zumbido del diapasón fue audible cuando se acercó el reloj al oído.

Usos médicos y científicos

Oscilador de tubo de vacío de diapasón de 1 kHz utilizado por la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. (Ahora NIST ) en 1927 como estándar de frecuencia.

Las alternativas al estándar común A = 440 incluyen un tono filosófico o científico con un tono estándar de C = 512. Según Rayleigh , los físicos y los fabricantes de instrumentos acústicos utilizaron este tono. El diapasón que John Shore le dio a George Frideric Handel produce C = 512.

Los médicos utilizan diapasones, generalmente C512, para evaluar la audición de un paciente. Esto se hace más comúnmente con dos exámenes llamados prueba de Weber y prueba de Rinne , respectivamente. Los de tono más bajo, generalmente en C128, también se usan para verificar el sentido de vibración como parte del examen del sistema nervioso periférico.

Los cirujanos ortopédicos han explorado el uso de un diapasón (frecuencia más baja C = 128) para evaluar las lesiones en las que se sospecha una fractura ósea. Sostienen el extremo de la horquilla vibratoria sobre la piel por encima de la fractura sospechada, acercándose progresivamente a la fractura sospechada. Si hay una fractura, el periostio del hueso vibra y dispara nociceptores (receptores del dolor), provocando un dolor agudo local. Esto puede indicar una fractura, que el médico refiere para una radiografía médica. El dolor agudo de un esguince local puede dar un falso positivo. La práctica establecida, sin embargo, requiere una radiografía independientemente, porque es mejor que perder una fractura real mientras se pregunta si una respuesta significa un esguince. Una revisión sistemática publicada en 2014 en BMJ Open sugiere que esta técnica no es lo suficientemente confiable o precisa para uso clínico.

Los diapasones también juegan un papel en varias prácticas de terapia alternativa , como la sonopuntura y la terapia de polaridad .

Calibración de la pistola de radar

Una pistola de radar que mide la velocidad de los automóviles o una pelota en los deportes generalmente se calibra con un diapasón. En lugar de la frecuencia, estas bifurcaciones están etiquetadas con la velocidad de calibración y la banda de radar (por ejemplo, banda X o banda K) para las que están calibradas.

En giroscopios

Los diapasones dobles y de tipo H se utilizan para giroscopios de estructura vibratoria de grado táctico y varios tipos de sistemas microelectromecánicos .

Sensores de nivel

El diapasón forma la parte sensora de los sensores de nivel de punto de vibración Sensores de nivel de punto . El diapasón se mantiene vibrando a su frecuencia de resonancia mediante un dispositivo piezoeléctrico. Al entrar en contacto con los sólidos, la amplitud de oscilación disminuye, la misma se usa como parámetro de conmutación para detectar el nivel del punto de sólidos. Para los líquidos, la frecuencia de resonancia del diapasón cambia al entrar en contacto con los líquidos, el cambio de frecuencia se usa para detectar el nivel.

Ver también

Referencias

enlaces externos