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音叉は、U字型の弾性金属（通常は鋼鉄）の棒から作られた2本の突起（歯）を持つ、音響共鳴器です。音叉を表面に叩きつけたり、物体にぶつけたりして振動させると、一定の音高で共鳴し、高次の倍音が消えると純粋な音を発します。音叉の音高は、2本の突起の長さと質量によって決まります。音叉は、楽器の調律における標準的な音高の源として伝統的に用いられてきました。
音叉は1711年にイギリスの音楽家ジョン・ショアによって発明された。彼は王室の軍曹トランペット奏者兼リュート奏者であった。 [ 1 ]
音叉は、一定の音を出すために多くの用途で使用されるフォーク型の音響共鳴器です。フォーク型を使用する主な理由は、他の多くのタイプの共鳴器とは異なり、基本周波数に振動エネルギーの大部分を持つ非常に純粋な音を生成するためです。その理由は、第1倍音の周波数が基本周波数の約 5 2 / 2 2 = 25 / 4 = 6 + 1 ⁄ 4 倍 (約 2 + 1 ⁄ 2 オクターブ上) であるためです。[ 2 ]これに対し、振動する弦や金属棒の第1倍音は基本周波数の1オクターブ上( 2倍) なので、弦をはじいたり棒を叩いたりすると、その振動は基本周波数と倍音周波数を混ぜ合わせる傾向があります。音叉を叩くと、エネルギーのほとんどが倍音モードには伝わりません。また、倍音モードはそれに応じてより速く減衰するため、基本周波数の純粋な正弦波が残ります。この純粋な音色を使えば、他の楽器の調律も容易になる。
フォーク形状を採用するもう一つの理由は、振動を減衰させることなく基部を持つことができるためです。これは、フォークの主要な振動モードが対称であり、2本のフォークが常に反対方向に動くため、2本のフォークが交わる基部には節（振動運動のない点）が存在し、振動からエネルギーを奪うことなく（減衰させることなく）扱うことができるからです。しかし、ハンドルには縦方向（フォークの振動方向と直角）にわずかな動きが生じ、これはあらゆる種類の共鳴板を使用することで可聴音として利用できます。したがって、音叉の基部を木箱、テーブルトップ、楽器のブリッジなどの共鳴板に押し当てると、この小さな動き（ただし、高い音響圧力（つまり非常に高い音響インピーダンス））が、比較的低い圧力（つまり低い音響インピーダンス）でより大きな動き（粒子速度）を伴う空気中の可聴音に部分的に変換されます。[ 3 ]音叉の音程は、耳のすぐ後ろの骨に音叉を押し当てたり、音叉の柄を歯でくわえたりすることで、骨伝導によって直接聞くこともできます。こうすれば両手が自由に使えます。 [ 4 ]音叉を使った骨伝導は、中耳を迂回するために、ウェーバー検査やリンネ検査などの聴力検査で特に用いられています。音叉をただ空気中に置いただけでは、鋼鉄と空気の音響インピーダンスの不一致により、音は非常に微弱です。さらに、各フォークから発せられる微弱な音波は180°位相がずれているため、 2つの逆位相の波が干渉し、ほぼ互いに打ち消し合います。そのため、振動するフォークのフォークの間に固体の板を挟むと、この打ち消し合いが減少するため、見かけ上の音量は実際に大きくなります。これは、スピーカーが効率的に音を放射するためにバッフルを必要とするのと同様です。
市販の音叉は工場出荷時に正しい音程に調律されており、音程と周波数（ヘルツ）が刻印されています。音叉の先端を削ることで再調律が可能です。先端を削ると音程が高くなり、根元の内側を削ると音程が低くなります。
現在、最も一般的な音叉は、多くのオーケストラが使用する標準的なコンサートピッチであるA = 440 Hzの音を発します。この A は、バイオリンの 2 番目に高い弦、ビオラの最も高い弦、チェロの最も高い弦の 1 オクターブ上の音です。1750 年～ 1820 年の間、オーケストラは主に A = 423.5 Hz を使用していましたが、多くの音叉と多くのわずかに異なるピッチがありました。[ 5 ]ピアノの中央オクターブ内のすべてのピッチ、およびその他のピッチで振動する標準的な音叉が利用可能です。
音叉のピッチは温度によってわずかに変化しますが、これは主に温度上昇に伴う鋼の弾性係数のわずかな低下によるものです。鋼製の音叉の場合、 1 °F あたり48ppm （1°Cあたり86ppm ）の周波数変化が一般的です。周波数は温度上昇とともに低下します（平坦になります）。 [ 6 ]音叉は標準温度で正しいピッチになるように製造されています。現在の標準温度は20 °C（68 °F）ですが、15 °C（59 °F）は古い標準です。他の楽器のピッチも温度変化によって変化します。
音叉の周波数は、その寸法と材質によって決まります。オイラー・ベルヌーイ梁モデルを使用すると、音叉の基本周波数は次のようになります。 [ 7 ] [ 8 ]
どこ
上記の式における比k 2 = I / Aは、 kが突起の回転半径である場合、突起が半径rの円筒形であればr 2 /4と書き換えられ、突起が運動方向に沿って幅bの長方形断面を持つ場合はb 2 /12と書き換えられる。 [ 9 ]
音叉は伝統的に楽器の調律 に用いられてきたが、現在では電子チューナーが主流となっている。音叉は、電子発振器で駆動する電磁石を先端部の近くに配置することで電気的に駆動させることができる。
鍵盤楽器の多くは、音叉と同様の原理を利用している。中でも最も有名なのはローズピアノで、ハンマーが金属製の歯を叩き、それがピックアップの磁場内で振動することで信号が発生し、電気増幅器を駆動する。それ以前の、音叉を直接利用した非増幅型のダルシトーンは、音量が小さいという欠点があった。
現代のクォーツ時計の計時要素として用いられる水晶は、小さな音叉の形をしています。通常、人間の可聴域を超える超音波領域である32,768Hzの周波数で振動します。この振動は、水晶の表面にメッキされた金属電極に電子発振回路から微弱な振動電圧を印加することによって生じます。水晶は圧電性を持つため、電圧によって音叉の先端が急速に前後に曲がります。
マックス・ヘッツェル[ 10 ]によって開発され、 1960年からブローバ社によって製造された電気機械式時計アキュトロンは、電池駆動のトランジスタ発振回路に接続された電磁石によって駆動される360ヘルツの鋼鉄製音叉を計時装置として使用していました。この音叉は、従来のテンプ式時計よりも高い精度を実現しました。時計を耳に当てると、音叉のハミング音が聞こえました。
一般的な A=440 の標準音程の代替として、C=512 を標準音程とする哲学的または科学的な音程があります。レイリーによれば、物理学者や音響楽器製作者はこの音程を使用していました。[ 11 ]ジョン・ショアがゲオルク・フリードリヒ・ヘンデルに贈った音叉はC=512 を出します。[ 12 ]
音叉（通常はC512）は、医療従事者が患者の聴力を評価するために使用します。これは、ウェーバー検査とリンネ検査と呼ばれる2つの検査で最も一般的に行われます。低音の音叉（通常はC128）も、末梢神経系の検査の一環として振動覚をチェックするために使用されます。[ 13 ]
整形外科医は、骨折が疑われる損傷を評価するために音叉（最低周波数 C=128）の使用を検討してきました。振動する音叉の先端を、骨折が疑われる部位の上の皮膚に当て、徐々に骨折部位に近づけていきます。骨折がある場合、骨膜が振動して侵害受容器（痛覚受容体）が発火し、局所的な鋭い痛みが生じます。これは骨折を示唆する可能性があり、医師は医療用X線検査を指示します。局所的な捻挫による鋭い痛みは偽陽性となる可能性があります。しかし、確立された診療では、反応が捻挫を意味するのかどうかを疑っている間に実際の骨折を見逃すよりは、いずれにしてもX線検査を行う方が良いので、X線検査は必須です。2014年にBMJ Openに掲載されたシステマティックレビューでは、この技術は臨床使用には信頼性や精度が十分ではないと示唆されています。[ 14 ]
自動車やスポーツのボールの速度を測定するレーダーガンは、通常、音叉で校正されます。[ 16 ] [ 17 ]これらの音叉には、周波数の代わりに、校正速度と校正対象のレーダーバンド（XバンドやKバンドなど）がラベル付けされています。
ダブル型およびH型音叉は、戦術グレードの振動構造ジャイロスコープや各種マイクロ電気機械システムに使用されています。[ 18 ]
振動式点レベルセンサーの検出部は音叉です。音叉は圧電素子によって共振周波数で振動し続けます。固体に接触すると振動の振幅が低下し、これが固体の点レベルを検出するためのスイッチングパラメータとして使用されます。[ 19 ]液体の場合、音叉の共振周波数は液体に接触すると変化し、周波数の変化がレベル検出に使用されます。
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