Stemvork

De stemvork werd in 1711 uitgevonden door de Britse musicus John Shore. Hij was de sergeant-trompettist aan het hof, die muziekpartijen voor hem liet schrijven door de componisten George Frideric Händel en Henry Purcell.

De vorkvorm produceert een zeer zuivere toon. Het grootste deel van de trillingsenergie bevindt zich op de grondfrequentie, met zeer weinig boventonen (harmonischen). Dit is niet het geval bij andere resonatoren. De reden hiervoor is dat de frequentie van de eerste boventoon ongeveer ^52/22 = 25/4 = 6¼ maal de grondtoon is (ongeveer 2½ octaaf erboven). Ter vergelijking: de eerste boventoon van een trillende snaar ligt slechts één octaaf boven de grondtoon. Dus wanneer de vork wordt aangeslagen, gaat weinig van de energie naar de boventoonfuncties; zij sterven ook navenant sneller uit, zodat de grondtoon overblijft. Het is gemakkelijker om andere instrumenten met deze zuivere toon te stemmen, wanneer men luistert om te vergelijken met de toon van elk ander instrument.

Een andere reden om de vorkvorm te gebruiken is dat, wanneer de vork in zijn hoofdstand trilt, het handvat op en neer trilt wanneer de tanden uit elkaar en tegen elkaar bewegen. Er is een knooppunt (punt waar geen trilling is) aan de basis van elke tand. De beweging van het handvat is gering, zodat de vork aan het handvat kan worden vastgehouden zonder de trilling te dempen, maar het handvat kan de trilling doorgeven aan een resonator (zoals de holle rechthoekige doos die vaak wordt gebruikt), die het geluid van de vork versterkt. Zonder de resonator (die zo eenvoudig kan zijn als een tafelblad waarop het handvat wordt gedrukt), is het geluid zeer zwak. De reden hiervoor is dat de geluidsgolven die door elke vorktand worden geproduceerd 180° uit fase zijn met de andere, zodat ze op een afstand van de vork interfereren en elkaar grotendeels opheffen. Indien een geluidsabsorberend vel tussen de tanden van een trillende vork wordt geschoven, waardoor de geluidsgolven die het oor van één van de tanden bereiken, worden verminderd, zal het hoorbare volume toenemen, omdat deze annulering wordt verminderd.

In de handel verkrijgbare stemvorken worden gewoonlijk in de fabriek op de juiste toonhoogte afgesteld, maar ze kunnen opnieuw worden gestemd door materiaal van de tanden af te vijlen. Het vijlen van de uiteinden van de tanden verhoogt de toonhoogte, terwijl het vijlen van de binnenkant van de basis van de tanden deze verlaagt.

De meest voorkomende stemvork klinkt de toon A = 440 Hz. Dit is de standaard concerttoon, die door sommige orkesten als stemsoort wordt gebruikt. Het is de toonhoogte van de tweede snaar van de viool, de eerste snaar van de altviool, en een octaaf boven de eerste snaar van de cello, alle open gespeeld. Stemvorken die tussen 1750 en 1820 door orkesten werden gebruikt, hadden meestal een frequentie van A = 423,5 Hz, hoewel er veel stemvorken waren en veel enigszins verschillende toonhoogten. Standaard stemvorken zijn verkrijgbaar voor alle muzikale toonhoogten binnen het middenoctaaf van de piano, en voor andere toonhoogten. Bekende fabrikanten van stemvorken zijn Ragg en John Walker, beide uit Sheffield, Engeland.

De frequentie van een stemvork hangt af van de afmetingen en het materiaal waarvan hij gemaakt is:^[]

f = 1 2 π l 2 A E ρ {{\displaystyle f={\frac {1}{2\pi l^{2}}}{\sqrt {\frac {AE}{\rho }}}} en, als de prongs cilindrisch zijn,^[] f = R 2 π l 2 π E ρ {\displaystyle f={\frac {R}{2}2pi l^{2}}{\sqrt {\frac {pi E}{\rho }}}}

Waar:

• f is de frequentie waarmee de vork trilt in Hertz.
• A is de dwarsdoorsnede van de tanden in vierkante meter.
• l is de lengte van de tanden in meters.
• E is de elasticiteitsmodulus van het materiaal waarvan de vork is gemaakt, in pascal.
• ρ de dichtheid is van het materiaal waarvan de vork is gemaakt, in kilogram per kubieke meter.
• R is de straal van de tanden in meter

Stemvorken worden van oudsher gebruikt voor het stemmen van muziekinstrumenten, hoewel elektronische stemapparaten ze in veel toepassingen vervangen. Stemvorken kunnen elektrisch worden aangedreven, door elektromagneten dicht bij de tanden te plaatsen die zijn verbonden met een elektronisch oscillatorcircuit, zodat hun geluid niet uitsterft.

In muziekinstrumenten

Er is een aantal muziekinstrumenten voor klavieren gemaakt waarbij constructies zijn gebruikt die lijken op die van stemvorken; het populairst is de Rhodes-piano, die hamers heeft die volgens hetzelfde principe werken als stemvorken.

In horloges

De Accutron, een elektromechanisch horloge ontwikkeld door Max Hetzel en vervaardigd door Bulova vanaf 1960, gebruikte een stalen stemvork van 360 Hz die werd aangedreven door een batterij als tijdwaarnemingselement. Met de stemvork kon een grotere nauwkeurigheid worden bereikt dan met conventionele horloges met balans. Het zoemende geluid van de stemvork kon worden gehoord wanneer het horloge tegen het oor werd gehouden.

Medisch gebruik

Stemvorken, gewoonlijk C-512, worden door artsen gebruikt om het gehoor van een patiënt te controleren. Stemvorken met een lagere toon (gewoonlijk C-128) worden ook gebruikt om de trillingszin te controleren als onderdeel van het onderzoek van het perifere zenuwstelsel.

Stemvorken worden ook gebruikt in de alternatieve geneeskunde, zoals sonopunctuur en polariteitstherapie.

Medische stemvork 128 Hz

Radar kanon kalibratie

Een radarpistool, dat wordt gebruikt om de snelheid van auto's of ballen in de sport te meten, wordt gewoonlijk gekalibreerd met stemvorken. In plaats van de frequentie worden deze vorken gelabeld met de ijksnelheid en de radarband (b.v. X-Band of K-Band) waarvoor ze zijn gekalibreerd.

In gyroscopen

Stemvorken van het dubbele en H-type worden gebruikt voor Gyroscopen met trillende structuur van tactische kwaliteit, zoals QuapasonTM en verschillende soorten MEMS.

• Muziek
• Frequentie