مرجع کامل سیستم های صوتی ایران

دیاپازون ها،قطعه ای هستند که هنگام ضربه زدن بهشان بر روی جسمی و یا ضربه زدن توسط یک جسمی با جنس سخت،در یک زیر و بمی صدای ثابت،(در یک فرکانس ثابت)،شروع به نوسان میکنند،, و زمانی که هارمونیک ها و تن های فرعی از بین بروند،یک صدای خالص از فرکانسی که در آن تیون شده اند،تولید میکنند،به زبان موسیقیایی،یک نوت خالص را تولید میکنند.فرکانسی که دیاپازون در آن تیون میشود،وابسته با ابعاد(طول)شاخک ها،و همچنین جرم آنها دارد.یکی از کاربرد های دیاپازون،تیون کردن و کوک کردن ساز ها است،که روشی سنتی میباشد.

دیاپازون در سال 1711 توسط اقای جان شور اختراع شد،که یک گروهبان ترامپ نواز و لوتیست(نوعی ساز)در دادگاه سلطنتی انگلسان بود.

توضیحات:دیاپازون یا چنگال تیونینگ،یک رزوناتور(نوسان ساز)اکوستیکی است که کاربرد های بسیاری دارد،با توجه به اینکه در یک فرکانس خاص،ارتعاش میکند.علت اصلی استفاده از این رزوناتور U شکل به این دلیل است که نسبت به دیگر رزوناتور ها،صدای بسیار خالص تری در تن مشخص شده،تولید میکند،و بیش ترین انرژی خود را صرف تولید فرکانس پایه،میکند.(یعنی هارمونی و تن های فرعی بسیار کم تری تولید میکند.)

علت آن این است که اولین تن فرعی دیاپازون،تقریبا فرکانسی برابر با 6.25 برابر فرکانس پایه دارد،یا به عبارتی،تقریبا 2.5 اکتاو بالا تر است.برای مقایسه،تن فرعی یک رزوناتور میله ای و یا سیمی معمولی،تقریبا 2 برابر فرکانس پایه اش است،یا به عبارتی تنها یک اکتاو بالا تر از فرکانس یا نوت پایه.پس وقتی آن سیم را میکشیم،یا به آن میله ضربه میزنیم،ارتعاش آن تمایل دارد که فرکانس اصلی با فرکانس های فرعی،(تن اصلی با تن های فرعی و یا هارمونیک)،ترکیب شود.اما زمانی که به دیاپازون ضربه میزنیم،انرژی بسیار کمتری به سمت ارتعاش در فرکانس های فرعی میرود،همچنین این رزوناتور ها پس از ضربه،زود تر ارتعاش های فرعی شان تمام میشود به همین دلیل موج سینوسی خالص تری در ارتعاش،از خود به جا میگذارند.در نهایت کار کوک کردن و تیون کردن انواعی از ساز ها،بسیار آسان تر میشود.

یکی دیگر از دلایل مفید بودن دیاپازون ها،این است که میتوانیم آنرا از پایه اش،در دست بگیریم،بدون اینکه نوسان ایجاد شده دمپ(محو)شود.علتش،به خاطر ساختار متقارن دیاپازون میباشد،که در آن دو شاخه،همیشه با همدیگر،به سمت مخالف حرکت یکدیگر،نوسان میکنند.به همین خاطر،پایه دیاپازون که محل اتصال شاخک ها است،همیشه خنثی است.(در فیزیک به این نقطه،گره میگویند).به همین دلیل میتوان دیاپازون را از این نقطه در دست گرفت بدون اینکه انرژی نوسانی اش به دست ما منتقل شود و در نتیجه،سریعا توسط دست ما جذب شده و ارتعاش از بین برود و محو شود.اگرچه،هنوز مقداری از ارتعاش به دست ما(یا همان دسته ی دیاپازون)منتقل و القا میشود.این ارتعاش بر خلاف ارتعاش شاخک ها که افقی هستند،به صورت عمودی منتقل میشوند،یا به عبارتی در زاویه 90 درجه نسبت به ارتعاش اصلی.حال اگر دسته یک دیاپازون را روی یک تخته ای همانند جعبه ای چوبی،بدنه گیتار،یا خلاصه بدنه ای از ساز ها که بشود برای این منظور از آن استفاده کرد،قرار دهیم،و دیاپازون را مرتعش کنیم،این صدا را خواهیم شنید.این اتفاق به خاطر این است که ارتعاش دسته ی دیاپازون فشار صوتی بالایی دارد اما همچنین،امپدانس اکوستیکی بالایی نیز دارد چون در آنجا حرکت کوچکی محسوب میشود،حال با منتقل کردن این فشار صوتی به یک جعبه چوبی،به دلیل داشتن مقاومت اکوستیکی کمتر و ارتعاش بیش تر ذرات،این صدا قابل شنیدن میشود،و بیش تر در هوا پخش میشود،چون ذرات بیش تری را ارتعاش داده ایم.

تن صدای دیاپازون،با استفاده از اهدایت استخوانی نیز شنیده میشود.با قرار دادن دسته ی دیاپازون بر روی استخوان پشت گوش،و یا حتی با نگه داشتن دیاپازون توسط دندان،به راحتی،بدون دخالت دست!از روش هدایت استخوانی توسط دیاپازون،در تست های شنوایی(همانند تست وبر یا تست راین)برای گذر کردن از شنوایی گوش میانی،و گوش بیرونی،استفاده میشود،تا صدا مستقیما به گوش داخلی برسد.

اگر دیاپازون به تنهایی در هوای خالی،به ارتعاش در آید،تلفات صوتی زیادی خواهد داشت.یکی،به علت بالا بودن و مچ نبودن امپدانس اکوستیکی بین استیل و هوا است،و دوم به دلیل اینکه صدای منتشر شده از هر شاخک دیاپازون،با شاخک دیگری اش 180 درجه اختلاف فاز دارد و همانطور که میدانید،دو موج با اختلاف فاز 180 درجه هنگامی که به یکدیگر میرسند،یکدیگر را خنثی میکنند.به همین دلیل هنگامی که یک ورقه ای جامد بین دو شاخک دیاپازون قرار میگیرد،صدای دیاپازون بسیار بلند تر میشود،به خاطر اینکه صدای شاخک ها،کمتر به یک دیگر میرسند.دقیقا همانند اسپیکر ها که به یک بفل(همان باکس یا جعبه بلندگو)نیاز دارند تا بازدهی بیش تری داشته باشند.

دیاپازون هایی که در بازار فروخته میشوند،در کارخانه تیون و کوک میشوند،و تن فرکانسی که در آن تیون شده اند بر حسب هرتز،بر روی آنها مهر میشود.اما میتوان با سوهان کاری شاخک های چنگال ها آنها را دوباره تیون کرد،اگر از بالا آنها را سوهان بزنیم،و کوتاه ترشان کنیم،فرکانس بالا تر میرود.اگر آنها را از داخل بغل سوهان بزنیم و باریک ترشان کنیم،فرکانس پایین تر میاید و بم تر میشود.

امروزه،بیش ترین فرکانسی که دیاپازون ها در آن تیون میشود،فرکانس نوت لا با فرکانس 440 هرتز میباشد،که فرکانس تن کنسرت میشباشد،اکثر ارکستر ها از آن استفاده میکنند.چون این نوت،برابر با نوت سیم دوم ویالون،سیم اول ویولا،و یک اکتاو بالا تر از اولین سیم ویولنسل میباشد.ارکستر ها از 1750تا1820 از تن 423.5 هرتز به عنوان مرجع استفاده میکردند،به همین دلیل دیاپازون ها در آن زمان زیاد بودند و با تن های مختلفی در بازار موجود بودند.امروزه نیز دیاپازون های مختلفی وجود دارند اما اکثرا،برای اکتاو وسط پیانو،در تمامی نوت هایش،میتوانید یک دیاپازون پیدا کنید.

یکی از معایب دیاپازون ها،تغییر تن صدایی که در آن کوک شده،با تغییرات دما است.زمانی که دما بالا میرود،خاصیت مدول کشسانی استیل کم میشود.در نتیجه،فرکانس تولید شده توسط دیپازون کم میشود،و هرچه سرد تر شود،این فرکانس زیاد میشود.این تغییرات،بسیار ناچیز و در حدود 86 قسمت در میلیون فرکانس،به ازای هر 1 درجه تغییرات دما است.امروزه،دمای استاندارد را 20 درجه سلسیوس (68فارنهایت) درنظر میگیرند و دیاپازون را در این دما کوک میکنند.البته قدیم تر ها،این دما 15 درجه بود.

اگر دو دیپازون در اختیار داشته باشیم،که فرکانس رزونانس آنها با هم برابر باشد،به یکی ضربه ای وارد کنیم تا به ارتعاش در آید،و دیگری را نزدیک آن کنیم،خواهیم دید که انرژی دیاپازون به ارتعاش درآمده،توسط هوا به آن یکی که در مجاورتش قرار دارد،منتقل شده و دیاپازون ثابت هم شروع به رزونانس و ارتعاش و در نتیجه تولید صدا،میکند.

محاسبه تئوری فرکانس دیاپازون:همانگونه که متوجه شدید،فرکانس دیاپازون به جنس مواد به کار رفته و ابعاد شاخک هایش میباشد.پس بنابراین:

که در این فرمول،:

-F برابر با فرکانس دیاپازون میباشد.

-N یک عدد ثابت،برابر با اولین عدد مثبت در تابع cos(x)cosh(x)=-1 به توان 2 میباشد که تقریبا برابر با 3.516015 است،یعنی تقریبا 1.8751 به توان دو.

-L برابر با طول شاخک ها میباشد

-E برابر با ضریب کشسانی ماده تشکیل دهنده ی دیاپازون.

-I برابر با گشتاور دوم سطح میباشد.

-P برابر با چگالی مواد تشکیل دهنده ی دیاپازون،و 

-A مساحت سطح مقطع شاخک ها است.

نسبت I/A در فرمول بالا را میتوان ساده سازی کرد،اگر سطح مقطع شاخک ها دایره ای و سیلندر مانند بود،میشود r²/4،که r شعاع دایره است.اگر اگر شاخک ها دارای سطح مقطع مستطیلی به عرض a در امتداد جهت حرکت باشند،میشود a²/12 که a عرض مسطیل در جهت حرکت شاخک ها است.

کاربرد ها:از دیاپازون ها به طور سنتی،برای کوک کردن آلات و ساز های موسیقی استفاده میشود،اگرچه تیونر های الکترونیکی به طور وسیعی امروزه جای آنرا گرفته اند.دیاپازون ها را میتوان با قرار دادن آهن ربای الکتریکی که توسط یک اسیلاتور الکترونیکی راه اندازی شده،به ارتعاش وا داشت.

در ساز های موسیقی:برخی از ساز ها،از اصولی شبیه به کار دیاپازون برای تولید صدا استفاده میکنند.مثلا پیانوی فندر رودز،یک نمونه ی معروف است که در آن،چکش های پیانو،ابتدا بر روی رزوناتور هایی شبیه به دیپازون ضربه میزنند،این رزوناتور ها هرکدام داخل میدان مغناطیسی قرار دارند،که پیک آپ این پیانو را تشکیل میدهد،سپس این سیگنال توسط آمپلی فایر تقویت شده و در نهایت با بلندگو پخش میشود.

البته در یک پیانوی قدیمی تر که به دالسیتون معروف بود،صدای ایجاد شده توسط دیاپازون ها مستقیما پخش میشدند،البته این صدا کم بود.

در ساعت ها و ساعت های مچی:از کریستال کوارتز برای شمردن زمان در ساعت های مدرن استفاده میشود،که به آنها ساعت کوارتز گفته میشود.کریستال کوارتز این ساعت ها،به این صورت است که یک دیاپازون بسیار کوچکی دارد.حال،بر روی این دیاپازون،مواد کوارتز(پیزوالکتریک)،اندود کاری شده است.حال باید این کریستال کوارتز را در یک مدار اسیلاتور الکترونیکی قرار بدهیم.ابتدا،ولتاژ اعمال شده به کوارتز،باعث تغییر شکل و در نتیجه خم کردن شاخک های دیاپازون میشود،سپس شاخک ها شروع به نوسان در فرکانس خودشان میکنند.برای پایدار بودن نوسان و جلوگیری از محو شدن(فید شدن)و از کار ایستادن دیاپازون،مدار اسیلاتور وظیفه دارد تا فرکانس تولید شده را تقویت و دوباره به پیزوالکتریک فیدبک کند تا نوسان سازی پایدار باشد.فرکانس این کریستال ها 32.768 هرتز است،این فرکانس که در محدوده ی آلتراسونیک قرار دارد،برای این است که توسط ما در یک محیط بسیار ساکت،شنیده نشود.سپس،15 عدد فلیپ فلاپ به طور سری قرار میگیرند تا این فرکانس را به 1 هرتز تبدیل کرده،و به موتور ساعت برود.

در نمونه ای قدیمی تر،که از دیاپازون در ساعت استفاده میشد،میتوان به ساعت اکوترون ساخته کمپانی بولووا اشاره کرد که توسط اقای مکس هتزل طراحی شده است،در دهه ی 1960.در این ساعت از یک دیاپازون از جنس استیل با فرکانس 360 هرتز به عنوان ساعت شمار استفاده میشد،که توسط دو اهن ربای الکترونیکی و یک مدار اسیلاتور ترانزیستوری،راه اندازی میشد.این ساعت در زمان خود،نسبت به ساعت های قدیمی تر که از رقاصک یا چرخ تعادل برای ساعت شماری استفاده میکردند،که عملکردی شبیه پاندول داشتند،دقیق تر بودند و در حد 5 ثانیه در روز،خطای زمانی داشتند.صدایی هاااام مانند این دیاپازون،قابل شنیدن بود اگر این ساعت را کنار گوش خود قرار میدادید.

در پزشکی:محققان در پزشکی برای ارزیابی میزان شنوایی بیماران از دیاپازون با فرکانس 512  هرتز استفاده میکنند،که در تست هایی به نام تست وبر و راین،استفاده میشود.همچنین،از دیاپازون 128 هرتزی،برای تست اعصاب و حسی،استفاده میشود.

محققان ارتوپدی دریافتند که با استفاده از دیاپازون 128 هرتزی،تشخیص مکان شکستگی استخوان،یا جایی که به شکستگی استخوان مشکوک است،ممکن میباشد.به این صورت که هنگامی که انتهای دیاپازون در حال نوسان را روی پوست در ناحیه مشکوک به شکستگی قرار دهیم،اگر شکستگی در آنجا وجود داشته باشد،پریوستوم یا پوشش استخوان،به لرزه در آمده و گیرنده درد آزاد میکند،دی نتیجه در آن نقطه بیمار درد زیادی را احساس میکند.در این مرحله،پزشک متخصص بیمار را برای عکس برداری اشعه ایکس،ارجاع میدهد،چون نتیجه ی تست دیاپازونی برای تشخیص شکستن استخوان دقیق نیست،در کل در نتیجه ی یک تحقیق مشخص شد که این روش برای استفاده در کلینیک ها قابل اعتماد نیست.

در سرعت سنج:از دیاپازون ها برای کالیبره کردن و دقیق کردن رادار هایی که سرعت توپ،یا سرعت خودرو ها را میسنجند،همانند رادار های پلیس راهور،استفاده میشود.در این دیاپازون ها خبری از فرکانس نیست بلکه،بر روی آنها سرعت و باند رادیویی مورد استفاده حک میشود.مثلا یک دیاپازون 50 کیلومتری را وقتی به ارتعاش در آوریم،رادار سرعت سنج ما باید عدد 50 را نمایش دهد،اگر کمتر یا بیش تر بود باید آنرا روی 50 تنظیم کنیم تا سرعت اجسام را دقیق نشان دهد.

در ژیروسکوپ:از دیاپازون هایی به کوچکی در حد سیستم های میکروالکترومکانیک به شکل دو H،برای ژیروسکوپ های تاکتیکی و بسیاری از سیستم های میکروالکترومکانیکال دیگر ستفاده میشود.

سنسور سطح:اگر یک دیاپازون در حال رزونانس به صورت الکتریکی و با پیزوالکتریک،درون یک مخزن قرار دهیم،میتواند در نقطه ای که قرار دارد،حضور یا عدم حضور مایع را احساس کند،و اینگونه سطح مایع در مخزن را کنترل میکند.برای مثال،به شکل پایین نگاه کنید،سنسور پایینی،کم شدن مایعات در مخزن را تشخیص داده و سنسور بالایی پر شدن مخزن را تشخیص میدهد.