音叉的工作原理

合唱團在指揮走進房間時安靜下來。「好了,我們來調音吧,」她對著聚集的歌手們宣佈。她從口袋裡掏出一個兩叉的金屬工具,敲擊膝蓋後發出一聲尖銳的哀鳴,隨後發出一種神秘的、天使般的嗡嗡聲。她將工具的底部靠在一張木桌上,嗡嗡聲變得更大了。歌手們仔細聆聽這個小小的金屬片,調整他們的聲音以配合其音調。

鋼琴會失去調音,吉他會走音——即使是教堂的風琴也需要不時調音。幾個世紀以來,唯一能確保樂器是否在調音狀態的方法就是使用音叉:一種長度如同黃油刀的全金屬工具。簡單製作且易於使用,音叉保證了百分之百的音高準確性。在今天的古董店裡,你可以找到發出與製作當天一樣清晰和明亮音符的300年前的音叉。

該裝置於1711年由為英國王室工作的喇叭手約翰·肖爾發明。在音樂會上,肖爾開玩笑地稱他的發明為「音高叉」。肖爾的裝置很快成為世界各地音樂家的必備工具。在肖像畫中,指揮家們會擺出手持音叉的姿勢。年輕的音樂家在成功通過音樂學院考試後會獲贈鍍金音叉。今天,價值35億美元的雅馬哈公司將三叉音叉作為其標誌。音叉甚至參與了電話發明者亞歷山大·格拉漢姆·貝爾早期的一些實驗中。1876年,貝爾首次利用電池、一個通電的音叉和一杯酸性水成功地通過電線傳遞聲音。

「演奏」音叉相對簡單:小心不要抓住叉尖,將其拍擊在堅硬的物體上,比如桌面——或者甚至是鞋底,然後聆聽它響約5秒鐘。不管用力大還是小,音調始終相同。這幾乎是魔法般的。

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音叉如何嗡嗡作響

每次你敲擊音叉時,你都在引發一場微小的無形颶風。音叉的兩個叉尖以極快的速度來回揮舞,撞擊附近的空氣分子,引發一連串的碰撞,這些碰撞通過空氣傳播開來。當這些劇烈的微觀碰撞撞擊到你的耳膜時,你的大腦將其處理為溫柔的嗡嗡聲。

通過敲擊音叉,你使其叉尖每秒鐘振動數百次。通常,這些振動速度如此之快,以至於肉眼無法察覺。如果你需要證據,只需將嗡嗡響的音叉浸入一杯水中——它會激起一個意想不到的大水柱。從科學角度來說,音叉振動的速度被稱為其頻率,以赫茲(Hz)為單位,即每秒的振動次數。

音叉振動與周圍空氣相互作用的方式形成了聲音。當音叉的叉尖彼此遠離時,它會將周圍的空氣分子壓縮在一起,形成小的高壓區,稱為壓縮。當叉尖迅速返回彼此靠近時,它會將周圍的空氣分子分開,形成小的低壓區,稱為稀疏。結果是稀疏和壓縮的穩定組合,形成聲波。

音叉頻率越快,其音調越高。例如,要模仿鋼琴上最高的音鍵,音叉需要以4000 Hz的頻率振動。另一方面,要模仿最低的音鍵,音叉只需要以28 Hz的頻率振動。

但如何調整音叉的振動速度呢?首先,可以調整音叉的長度。叉尖越小,移動距離越短,其振動速度就越快。這與吉他弦的原理相同。緊繃的弦沒有多少空間搖晃,振動得很快。相反,鬆弛的弦需要更長時間來回擺動,導致音調較低。順便說一句,世界上最大的音叉是一個位於加利福尼亞州伯克利的45英尺(13.7米)高的雕塑[資料來源:伯克利市]。如果有人能找到足夠大的錘子敲擊它,其聲音可能低到人類耳朵無法聽見。

你還可以通過使用不同材料製作音叉來調整音叉的音調。密度較高的金屬如銅和鋼發出的音調清脆而高亢。較軟的金屬如黃銅發出的音調低沉而沉悶。而像錫、金和鉛這樣非常柔軟的金屬則根本不會發出任何聲音。然而,由於成本考慮,大多數現代音叉都由不銹鋼製成。

如何使用音叉

儘管技術簡單,許多鋼琴調音師仍使用音叉。

曾經聽過走音的鋼琴嗎?鋼琴的弦被允許走音,結果是鍵不再同步。通常,鋼琴的鍵代表音樂音階的不同音符。但如果沒有適當調音,它們不過是隨意組合在一起的隨機音符。聽到它們一起演奏,感覺就像一片混亂。樂隊、合唱團或管弦樂隊也是如此。如果樂器或聲音沒有調整到相同的音調,它們聽起來不會比走音的鋼琴好。音叉的作用是建立一個單一的音調,讓大家都能調整到這個音調。

大多數音叉被製成以440 Hz振動,這個音調音樂家稱之為「音樂會A」。要調音鋼琴,你需要先敲響音叉,然後按下鋼琴的「A」鍵。如果鋼琴走音了,你會聽到琴鍵和音叉之間明顯的顫音;顫音越遠,鋼琴越走音。通過緊或鬆鋼琴的弦,你可以減少顫音,直到它與音叉一致。一旦「A」鍵調好了,你就需要調整鋼琴的其他87個鍵。大多數其他樂器的調音方法也類似。無論你是在調音單簧管還是吉他,只需演奏音樂會A,然後調整你的樂器。

在操作樂器的同時握住音叉可能有點棘手,這就是為什麼有些音樂家決定將響著的音叉的底部夾在牙齒中。這種方法的獨特效果是通過骨骼傳遞聲音,讓大腦通過下巴「聽」到音調。根據一些都市傳說,接觸震動的音叉會讓牙齒爆炸。這顯然是個神話,但如果你有蛀牙或牙齒缺損,你會發現這種方法痛苦難忍。

幸運的是,你還可以購買安裝在共鳴器上的音叉,一個設計用於放大音叉振動的空心木盒子。1860年,一對德國發明家甚至發明了一個不需要不斷敲打的電池供電的音叉[資料來源:凱斯西儲大學]。

當然,即使是最精緻的音叉對於大多數現代音樂家來說用途也不大。就像大多數事物一樣,謙遜的音叉已被電腦淘汰。大多數音樂家現在攜帶價值20美元、像一包卡片大小的電子調音器。演奏任何音符,調音器會自動檢測是哪個音符,並告訴你它是升音還是降音。一家西班牙公司最近還推出了一個應用程序,讓音樂家只需用iPhone就能調音[資料來源:Lewin]。但無論是出於謹慎還是情感,大多數認真的音樂家家中至少會留一個音叉。

音叉的非音樂用途

一些醫生可能會使用音叉測試聽力損失。

在保持管弦樂隊和音樂會樂隊的秩序的同時,音叉也在世界各地的醫院、研究實驗室和警察局找到大量工作。

在一些聽力學家中,音叉仍然是測試某些類型聽力損失的首選方法之一。在一種稱為Rinne測試的方法中,醫生首先將嗡嗡作響的音叉放在你的頭骨上,並使用秒表計時你能聽到它的時間。然後醫生再次敲擊音叉,並計時當它放在你耳朵旁時你能聽到它的時間。如果你通過下巴聽到音叉的時間比在耳邊聽到的時間更長,那麼你的耳道傳導聲波有問題。在類似的測試中(稱為Weber測試),一個震動的音叉被放在患者的前額中央。通過確定哪隻耳朵聽到音叉聲音更大,醫生可以確定哪隻耳朵受損。

當X射線短缺時,音叉還可以作為識別骨折的臨時方法。只需將一個嗡嗡響的音叉靠近懷疑骨折的部位。如果你感到突如其來的疼痛,是時候去醫院了。

在過去的15年裡,音叉在替代醫學界也受到不少關注。在稱為音叉療法的實踐中,患者靜躺在桌子上,而治療師將震動的音叉在他們的身體上移動——這種想法是振動可以改善心理清晰度和身體能量。雖然沒有科學證據支持這一點,但呆在一個充滿輕柔嗡嗡作響的音叉的房間裡,會讓任何人心情愉快。

曾經收到過超速罰單嗎?音叉部分負責。警用雷達槍通過反彈雷達信號來測量速度。根據雷達信號反彈的速度決定車速。為了校準雷達槍,警察會將其對準一個設計成以50英里每小時(80.5公里每小時)振動的音叉。如果雷達槍沒有顯示50英里每小時,那就該進行調整了。