Колесо Савара
Колесо Савара — акустическое устройство, названное в честь французского физика Феликса Савара (1791–1841), которое первоначально было задумано и разработано английским ученым Робертом Гуком (1635–1703). [1]
Карта, поднесенная к краю вращающегося зубчатого колеса , будет издавать звук, высота которого меняется в зависимости от скорости вращения колеса. Механизм такого типа, изготовленный с использованием латунных колес, позволил Гуку создавать звуковые волны известной частоты и продемонстрировать Королевскому обществу в 1681 году, как высота звука связана с частотой. В практических целях устройство Гука вскоре было вытеснено изобретением камертона .
Примерно через полтора века после работы Гука этот механизм снова был использован Саваром для его исследований диапазона человеческого слуха. В 1830-х годах Савар смог сконструировать большие латунные колеса с мелкими зубьями, вырабатывающие частоту до 24 кГц, которые, по-видимому, стали первыми в мире искусственными ультразвуковыми генераторами. В конце 19 века колеса Савара также использовались в физиологических и психологических исследованиях восприятия времени .
В настоящее время колеса Савара обычно демонстрируются на лекциях по физике, иногда они приводятся в движение и озвучиваются воздушным шлангом (вместо карточного механизма).
Описание
[ редактировать ]| Внешние видео | |
|---|---|
 Демонстрация колес Савара с разным количеством зубьев |
Базовое устройство представляет собой храповое колесо с большим количеством равномерно расположенных зубьев. [2] Когда колесо медленно поворачивается, прижимая край карты к зубцам, можно услышать последовательность отчетливых щелчков. [3] Когда колесо вращается быстро, оно издает пронзительный звук, тогда как, если колесо вращается медленнее, тон постепенно уменьшается. Поскольку частота звука прямо пропорциональна скорости удара зубцов по карте, колесо Савара можно откалибровать для получения абсолютной меры высоты звука. Также можно прикрепить несколько колес разных размеров с разным количеством зубьев, чтобы обеспечить возможность нескольких шагов (или хорд ) при вращении оси с постоянной скоростью. создания [4]
колесо Гука
[ редактировать ]Гук начал работу над своим колесом в марте 1676 года совместно с известным часовщиком Томасом Томпионом после бесед с теоретиком музыки Уильямом Холдером . [5] Он давно интересовался музыкальными вибрациями , а десятью годами ранее, в 1666 году, даже хвастался Сэмюэлю Пипсу , что может определить скорость взмахов крыльев мухи по звуку, который они издают. [5] [n 1] В июле 1681 года он продемонстрировал Королевскому обществу свое новое устройство для получения отчетливых музыкальных тонов путем ударов по зубцам быстро вращающихся медных колес. [5] [7] Таким образом, он смог впервые генерировать звуковые волны известной частоты и эмпирически продемонстрировать соответствие между человеческим восприятием высоты звука и физическим свойством частоты звуковых волн. [1] [7] Более того, установив разные колеса рядом друг с другом на одной оси, он смог проверить соотношение частот музыкальных интервалов , таких как идеальные квинты и четверти и т. д. [8] [n 2]
Гук опубликовал свои открытия в 1705 году. [9] Несмотря на то, что его колесо позволяло объективно измерять высоту звука, для повседневного использования его колесо вскоре стало ненужным после изобретения в 1711 году камертона . [10]
Версия Савара
[ редактировать ]
Устройство Гука больше не использовалось в учебных целях более столетия. [9] Следующее документально подтвержденное его использование произошло в 1830 году, когда Савар сообщил о своем использовании системы, аналогичной системе Гука, которую он разработал при исследовании нижнего диапазона человеческого слуха . [11] [12] Особым вкладом Савара было прикрепление тахометра к оси зубчатого колеса, чтобы облегчить калибровку скорости зубьев. [9] Савар использовал свое колесо как практическую альтернативу Джона Робисона , сирене которую в то время также использовал Шарль Каньяр де ла Тур для проверки диапазона человеческого слуха. [13] К 1834 году Савар конструировал латунные колеса шириной 82 см, содержащие до 720 зубцов. [9] Эти колеса, способные генерировать частоты до 24 кГц , предварительно были предложены в качестве первых искусственных генераторов ультразвука . [11]
Использование в экспериментах по восприятию времени.
[ редактировать ]В конце 19 века колесо Савара было адаптировано для использования в физиологических и психологических исследованиях человеческого восприятия времени . В 1873 году австрийский физиолог Зигмунд Экснер сообщил о слуховой способности различать последовательные щелчки колеса (или, альтернативно, быстро щелкающие электрические искры) с интервалами времени, близкими к 2 миллисекундам (1/500 секунды). [14] Модифицированное колесо, производившее различное количество щелчков с разными интервалами, позже использовалось американскими психологами Дж. Стэнли Холлом и Джозефом Джастроу , которые в 1886 году сообщили об ограничениях человеческого восприятия акустических разрывов. [14]
Музыкальные и другие приложения
[ редактировать ]В 1894 году французский инженер-электрик Гюстав Труве запатентовал клавишный инструмент с электрическим приводом (или часовым механизмом), способный воспроизводить на фортепианной клавиатуре серию из 88 колес Савара различного размера, обеспечивая гармонические аккорды и динамику . [15] Тот же принцип используется в современных электромеханических органах , таких как орган Хаммонда , в которых используются тональные колеса . [15]
Концепция также была адаптирована для производства экспериментального музыкального инструмента, созданного Бартом Хопкином . Это применение колеса Савара состоит из серии из 30 деревянных дисков увеличивающегося размера, установленных на моторизованной оси. Скрежещущие вибрации возникают в плектре , когда он вступает в контакт с выступами, расположенными через равные промежутки между каждым диском, и усиливаются в чашке из пенополистирола , которая действует как дека . Утверждается, что этот инструмент издает «самый навязчивый, неприятный и раздражающий звук , который когда-либо был известен». [16]
В настоящее время колеса Савара обычно используются для демонстраций во время лекций по физике. [1] В одном варианте колесо может приводиться в движение посредством воздушного шланга, обдувающего зубья; в этом случае высота звука будет зависеть от силы воздушного потока. [17]
См. также
[ редактировать ]Примечания и ссылки
[ редактировать ]Примечания
- ↑ По словам Пеписа, Гук утверждал, что «может определить, сколько взмахов совершает муха своими крыльями (тех мух, которые жужжат во время полета) по ноте, на которую она отвечает в музыке во время полета». [6]
- ↑ По словам самого Гука, он смог провести демонстрацию «путем ударов зубьев нескольких медных колес, вырезанных пропорционально их количеству, и очень быстро вращающихся, при этом можно было наблюдать, что равные или пропорциональные ходы Зубы, то есть 2 к 1, 4 к 3 и т. д., составляли музыкальные [интервалы]». [7]
Ссылки
- ^ Jump up to: а б с Берг, Ричард Э. (27 сентября 2013 г.). «Акустика – ранние эксперименты» . Британская онлайн-энциклопедия . Проверено 20 февраля 2014 г.
- ^ Эйвери, Элрой МакКендри (2012) [первоначально опубликовано в 1895 году]. Школьная физика . ХардПресс. ISBN 978-1-290-41178-3 .
- ^ Jump up to: а б «Волновое воздействие в природе» . Научно-популярный ежемесячник . III : 7–8. Май 1873 года.
- ^ «Колесо Савара» . Кеньонский колледж . Проверено 28 февраля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с Инвуд, Стивен (2011). Человек, который знал слишком много: Странная и изобретательная жизнь Роберта Гука 1653–1703 гг . Лондон: Пан Макмиллан. п. 320. ИСБН 978-0-330-53218-1 .
- ^ «Английские предшественники Ньютона: II» . Научно-популярный ежемесячник . 17 : 786. Октябрь 1880 г.
- ^ Jump up to: а б с Достровский, Сигалия; Кэмпбелл, Мюррей. «Физика музыки — 1. К Мерсенну» . Гроув Музыка онлайн . Оксфордская музыка онлайн . Проверено 20 февраля 2014 г. (требуется подписка)
- ^ Грин, Бердетт; Батлер, Дэвид (2002). «От акустики к тонпсихологии » . В Томасе Кристенсене (ред.). Кембриджская история теории западной музыки . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 249. ИСБН 978-0-521-62371-1 .
- ^ Jump up to: а б с д Ампель, Фредерик Дж; Узл, Тед (март 1993 г.). История измерения звука и звука (PDF) . Общество аудиоинженеров: Форум документов конференции AES.
- ^ Картеретт, Эдвард (1978). «Некоторые исторические заметки об исследованиях слуха» . В Эдварде Картеретте (ред.). Слух . Справочник восприятия. Том. IV. Нью-Йорк: Эльзевир. п. 28. ISBN 978-0-323-14275-5 .
- ^ Jump up to: а б Графф, Карл Ф. (2012) [первоначально опубликовано в 1981 году]. «История ультразвука» . У Уоррена П. Мэйсона (ред.). Принципы и методы . Физическая акустика. Том. XV. Нью-Йорк: Эльзевир. стр. 4–5. ISBN 978-0-323-15251-8 .
- ^ Достровский, Сигалия (2008). «Савар, Феликс» . Полный словарь научной биографии . Энциклопедия.com . Проверено 23 февраля 2014 г.
- ^ Джексон, Майлз В. (2012). «От научных инструментов к музыкальным инструментам: камертон, метроном и сирена» . В Треворе Пинче и Карин Бийстервельд (ред.). Оксфордский справочник по изучению звука . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. п. 206. ИСБН 978-0-19-538894-7 .
- ^ Jump up to: а б Рокелейн, Джон Э. (2000). Концепция времени в психологии: справочник и аннотированная библиография . Вестпорт, Коннектикут: Издательская группа Greenwood. п. 65. ИСБН 978-0-313-31100-0 .
- ^ Jump up to: а б Десмонд, Кевин (2015). Гюстав Трув: французский гений электротехники (1839-1902) . МакФарланд. стр. 148–149. ISBN 978-1-4766-1968-2 .
- ^ «Колесо Савара» . Станция Пойнт-Рейес, Калифорния: Экспериментальные музыкальные инструменты . 12 октября 2009 года . Проверено 21 февраля 2014 г.
- ^ «Колесо Савара: Зубчатое колесо и картон или воздушная струя» . Демонстрации лекций по физике Калифорнийского университета в Беркли . Калифорнийский университет в Беркли . Проверено 21 февраля 2014 г.