Se ci fosse un solo polo (immagina di tenere in mano un'asta di metallo), l'energia di oscillazione del polo verrebbe rapidamente dissipata dal contatto con la tua mano. D'altra parte, una forcella con due rebbi oscilla in modo tale che il punto di contatto con la mano non si muova molto a causa dell'oscillazione della forcella. Questo fa sì che le oscillazioni siano protette dallo smorzamento dovuto al contatto con la tua mano, quindi continuano per un periodo di tempo più lungo.

Non sono affatto un esperto nella progettazione di diapason, ma ecco alcune considerazioni fisiche:

• Design diversi possono avere "purezza" differenti, ma non esagerare. È certamente possibile sintonizzarsi su qualcosa che non sia un tono puro; dopotutto, le orchestre di solito si sintonizzano sugli strumenti, non sui diapason.
• Qualunque sia la modalità che desideri eccitare, non vuoi smorzare con la mano. Immagina una singola barra. Se lo colpisci nello spazio libero, una buona parte della potenza andrebbe nella modalità di frequenza più bassa, che comporterebbe il movimento ad entrambe le estremità. Tuttavia, bloccare un risonatore su un antinodo è il modo migliore per smorzarlo: tutta l'energia andrebbe nella tua mano. Una forcella, d'altra parte, ha una modalità di piegatura naturale che non si accoppia molto bene a un morsetto nel mezzo.

Q. In che modo due poli vibranti accoppiati isolano una singola frequenza?

howstuffworks.com ha un articolo su Come funzionano i diapason

Il modo in cui un'accordatura le vibrazioni della forcella interagiscono con l'aria circostante è ciò che provoca la formazione del suono. Quando i denti di un diapason si allontanano l'uno dall'altro, spingono insieme le molecole d'aria circostanti, formando piccole aree ad alta pressione note come compressioni . Quando i denti scattano l'uno verso l'altro, risucchiano le molecole d'aria circostanti, formando piccole aree a bassa pressione note come rarefazioni . Il risultato è una raccolta costante di rarefazioni e compressioni che, insieme, formano un'onda sonora.

Più veloce è la frequenza di un diapason, maggiore è l'altezza della nota che suona. Ad esempio, per un diapason per imitare il tasto superiore di un pianoforte, deve vibrare a 4.000 Hz. Per imitare il tasto più basso, d'altra parte, dovrebbe vibrare solo a 28 Hz.

Due rebbi su un diapason oscillano in modo tale che si muovono entrambi insieme, quindi si muovono entrambi a parte. Queste compressioni e rarefazioni d'aria tra e dietro i rebbi sono ciò che crea le onde di compressione più forti nell'aria e quindi il suono più forte di questa modalità di vibrazione primaria.

Al contrario, quando pizzichi una corda, la fondamentale la frequenza è prodotta dalla vibrazione dell'intera corda, ma la corda vibra anche a metà, terza, quarta, quinta, ecc. Questo fa sì che gli armonici rendano la frequenza non così pura, ma piuttosto armonica.

via wikipedia:

Stessa cosa negli strumenti a fiato e in ottone quando soffi aria attraverso un tubo o fai vibrare un'ancia che suona l'aria attraverso un tubo , o suona una campana, la cui forma è impostata per accentuare armoniche differenti. Il volume relativo dei diversi armonici conferisce a ogni strumento il proprio timbro.

Un diapason è progettato in modo tale che gli armonici siano bassi rispetto alla sua altezza fondamentale. Ho trovato questo fantastico video di YouTube che mostra un modello di diapason che mostra le diverse modalità in cui vibra la forcella e modella la forza di ciascuna modalità di vibrazione.

Il video mostra anche il vincoli di tenere il diapason all'estremità, che elimina le modalità del corpo rigido (che erano già silenziose all'inizio) ma smorza anche alcune delle altre modalità armoniche, creando un tono ancora più puro con armoniche di ampiezza molto bassa. Daniel A. Russell della Pennsylvania State University ha una pagina che mostra animazioni di queste modalità vibrazionali.

Tenere il diapason alla fine fa ben poco per smorzare la modalità di vibrazione che crea la frequenza primaria. Se si tiene anche l'estremità della forcella contro una superficie dura, il piccolo movimento su e giù provocherà una risonanza sulla superficie, amplificando ulteriormente la frequenza primaria.

Q. È possibile produrre lo stesso effetto utilizzando solo 1 polo? Un singolo polo non può generare una frequenza pura? L'aggiunta di più poli produce una frequenza "più pura"?

Un polo non avrebbe l'effetto di compressione aggiuntivo di due poli che si avvicinano, creando una frequenza primaria più forte. Ma ancora più importante, la seconda modalità più forte di un diapason (la modalità "clang", il suono acuto che senti quando viene colpito per la prima volta) viene smorzata perché colpisci la forcella in un punto modale di circa 1/4 della lunghezza i rebbi dalla sua estremità vibrante.

I rebbi aggiuntivi non creano più effetti di smorzamento, ma creano anche modalità più vibranti, quindi il suono è meno "puro".

Domanda correlata : Perché i diapason non hanno tre poli?

Modifica: documento di riferimento, con formule e dati sulla vibrazione frequenze di modalità, ecc.

Il sistema a due punte supporta sicuramente più di una modalità, considera:

• stringere le punte insieme (modalità che vuoi)
• torcere entrambe le punte rispetto allo stelo
• torcendo ciascun polo rispetto alla sua base
• oscillazione / barilotto di entrambi i poli
• onda sonora che viaggia nel metallo da un bordo all'altro
• ecc ...

Se sei un progettista del diapason, vuoi che una modalità domini, cioè che tutte le altre modalità si dissipino rapidamente.

In effetti tenere il diapason in mano aiuta già a smorzare alcune modalità.

Inoltre, lo stelo a volte viene appoggiato su un tavolo o simili per amplificare il suono.

Il mio suppongo che il diapason è fatto di un particolare metallo per ottenere stabilità, la sezione trasversale del rebbio è considerata per eliminare alcune modalità secondarie, le perdite sono ottimizzate per garantire una frequenza abbastanza stretta oltre a poter sentire l'accordatura forcella, relativa facilità di produzione e forse una dozzina di più considerano razioni a cui solo i musicisti potevano pensare.

La risonanza amplifica e sostiene il tono molto più a lungo che con un solo polo.

Pensa a questo: se hai mai cantato sotto la doccia o in macchina, hai notato che alcune note suonano in modo anomalo più forte di altri? Questo perché le dimensioni della doccia sono giuste in modo tale che quelle note siano amplificate tramite la risonanza. Ad esempio, la larghezza della doccia potrebbe essere un multiplo intero della lunghezza d'onda di un certo tono, quindi l'onda rimbalza indietro e quarta, cavalcando se stessa e ingrandendosi. Come quando spingi un bambino sull'altalena al momento giusto in modo che si alzi sempre di più.

I 2 poli sulla forcella fanno risuonare il suono, proprio come le pareti della doccia. Ciascun polo costringe l'altro polo a vibrare alla stessa velocità, sostenendo così il suono più a lungo. Se ci fosse solo 1 polo, il suono sarebbe molto più basso e si spegnerebbe molto più velocemente. Provalo con un coltello da burro.

Innanzitutto, un'osservazione generale: gli oscillatori costituiti da solidi di forme semplici non sono poi così bravi a generare acusticamente toni puri. Il modo più semplice per generare acusticamente un tono abbastanza puro è usare un flauto a canne d'organo! Tali canne sono espresse specificamente per sopprimere tutte le armoniche e, in condizioni stazionarie, producono forse il più puro dei toni che potrebbero essere generati utilizzando dispositivi con una geometria abbastanza semplice.

Il requisito generale soddisfatto da un diapason è di avere un dispositivo vibrante solido che si possa tenere in mano, con una costante di tempo di decadimento ragionevolmente lunga e una frequenza ragionevolmente stabile, e che non richieda una fornitura di aria pressurizzata per funzionare ( cioè non una canna d'organo).

Affinché il contatto con i tessuti molli della mano non agisca da smorzatore, la maniglia non deve vibrare. Nota che la quantità di moto è sempre conservata: se qualcosa si muove in una direzione, deve esserci qualcos'altro che si muove nella direzione opposta affinché la quantità di moto totale sia zero, altrimenti la maniglia si muoverà.

Il più vicino possibile a questo con qualcosa che è un unico pezzo di metallo - e quindi facile da produrre - è avere due punte attaccate a un manico, chiamato diapason. La maniglia still si sposta leggermente longitudinalmente, poiché quando le forche si spostano lateralmente i loro centri di massa seguono un arco, e quindi la maniglia deve spostarsi avanti e indietro lungo la sua lunghezza per conservare lo slancio. Fortunatamente, questo movimento è 2-3 ordini di grandezza inferiore al movimento dei rebbi - pensa ai micron in un tipico diapason. Si aggancia all'orecchio per conduzione attraverso l'osso: colpisci la forcella e poi spingi la maniglia sul cranio dietro l'orecchio.

Il movimento longitudinale della maniglia può essere imbrigliato accoppiandolo a una cassa di risonanza (un risonatore) sintonizzata sulla frequenza fondamentale. Otteniamo un diapason in piedi sopra una scatola aperta su un lato. La cassa di risonanza è il suo radiatore quasi monopolare e quindi abbastanza efficiente. È un elemento aggiuntivo, tuttavia, e un po 'ingombrante da tenere. Va anche notato che lo stelo vibra con ampiezza maggiore alla 2a armonica rispetto alla fondamentale. La 2a armonica nel manico può essere soppressa di un ordine di grandezza piegando i rebbi della forcella verso l'interno, impostando la distanza alle loro estremità a ~ 1/3 della distanza alla base.

Una singola trave a sbalzo richiederebbe una maniglia con inerzia relativamente grande in modo che il movimento della trave non muoverebbe molto l'intero dispositivo. Lo stesso problema sarebbe affrontato da sistemi con numero dispari di raggi che vibrano nel piano.

Purtroppo, in termini di acustica, un diapason indipendente è alquanto inadeguato, poiché i due poli formano un radiatore quadrupolare la cui efficienza di radiazione scala con la potenza 6th della frequenza. Pertanto i diapason a bassa frequenza sono molto silenziosi. Inoltre, la modalità clang - la seconda modalità e circa 6 volte la fondamentale - irradia quindi 6 ^ 6 o circa 50.000 volte più forte. È molto udibile! Perché è un quadrupolo? Quando i rebbi si muovono, creano una regione di minore pressione su un lato e maggiore pressione sull'altro. Poiché ci sono 4 regioni in totale, con le regioni interne abbastanza separate, è un quadrupolo. Un quadrupolo lineare, infatti.

Una soluzione per eliminare le carenze di un quadrupolo e sopprimere la modalità clang è convertire il diapason in un monopolo. Questo viene fatto accoppiando acusticamente i rebbi a un risonatore sintonizzato sulla frequenza fondamentale. In termini pratici: prendi un pezzo di tubo e taglia una fessura longitudinale. Le sezioni del tubo sui lati della fessura sono i rebbi della forcella e la lunghezza rimanente del tubo non fessurata è il risonatore acustico. Questi sono chiamati con vari nomi, come campanelli o cori. Il risonatore può essere aperto o chiuso. Un risonatore a quarto d'onda chiuso sopprime il suono generato tra i poli, convertendo l'esterno dei poli in un monopolo. Un risonatore aperto a mezza lunghezza d'onda trasporta il suono tra i rebbi all'altra estremità, spostandolo di 180 gradi in fase, e l'intero campanello diventa una coppia di monopoli in fase: le parti esterne dei rebbi sono un monopolo e l'estremità del risonatore è un altro monopolo.

Un'altra soluzione sarebbe avere un raggio vibrante libero (sospeso ai nodi), accoppiato a un risonatore. È così che vengono realizzati xilofoni e marimbe. Più forte è l'accoppiamento, più le altre modalità vengono soppresse. L'accoppiamento più forte sarebbe ottenuto avendo dei risonatori su ciascuno degli antinodi, su entrambi i lati del raggio. Poiché un raggio vibrante libero ha 3 antinodi, ci sarebbero 6 risonatori: 3 semionda e 3 quarti d'onda, per produrre 3 sorgenti sonore unipolari in fase. È ovvio che questo sarebbe ingombrante e costoso. Marimbas e xilofoni si accontentano di un solo risonatore a semionda.

Un'altra soluzione ancora sarebbe quella di orientare i poli come i lati di un poligono regolare: molti di questi poli in prossimità si avvicinerebbero a un dipolo acustico - ora il problema diventa come eccitarli tutti inizialmente alla stessa fase e ampiezza.Con due rebbi in piano, colpire solo uno di essi eccita entrambi i modi simmetrico e antisimmetrico, ma i modi antisimmetrici sono più forti e decadono più lentamente.Le modalità simmetriche vengono smorzate dalla mano che tiene la maniglia!

Il motivo è che per funzionare correttamente il diapason deve avere un movimento equilibrato. Viene normalmente utilizzato tenuto in mano. Se avessi solo un polo, l'energia dell'oscillazione verrebbe trasferita molto rapidamente dal manico alla pelle della mano e andrebbe persa. Il risultato sarebbe che l'oscillazione scomparirebbe molto rapidamente. Se hai un diapason con due rebbi di uguale dimensione, possono oscillare con movimento uguale e opposto tra loro, in altre parole bilanciati. Poiché il movimento di un polo bilancia il movimento dell'altro, non c'è movimento del manico. Poiché non c'è energia meccanica che entra nell'impugnatura, nessuna energia può essere persa nella mano, quindi l'oscillazione dura a lungo.