In deze les worden de bijdragen van Johann Scheibler aan de akoestiek uitgelegd door de uitvinding van de stemvork en het proces van frequentiemeting, waarbij de geschiedenis van de stemvork en zijn akoestische principes worden behandeld.
Een stemvork wordt gemaakt door een vierkante staaf metaal van een bepaalde dikte in een U-vorm te buigen en een stalen paal stevig aan de bodem te lassen. Het apparaat wordt gekenmerkt door het feit dat het, wanneer het met een kleine hamer wordt geraakt, een geluid met een bepaalde frequentie produceert. Over het algemeen geldt: hoe kleiner de stemvork, hoe hoger de toonhoogte. Deze stemvorken worden niet alleen veel gebruikt in de muziek, maar ook in wetenschappelijke experimenten, en zijn een belangrijk hulpmiddel geworden voor het bestuderen van de fysieke eigenschappen van geluid.
De originele stemvork werd in 1711 door de Engelse trompettist John Shore ontwikkeld als een hulpmiddel om een referentiegeluid te produceren bij het stemmen van een instrument. Destijds was het stemmen van instrumenten sterk afhankelijk van het oor van de speler, wat onnauwkeurig was. De uitvinding van de stemvork verbeterde de nauwkeurigheid van de instrumentale stemming aanzienlijk, maar vroeger was het alleen bekend dat de stemvork een specifieke noot op een toetsinstrument produceerde, niet hoe vaak deze per seconde trilde. Instrumenten die met deze stemvorken waren gestemd, hadden van regio tot regio en van speler tot speler enigszins verschillende referentietonen. Dit kwam door het gebrek aan nauwkeurige meetapparatuur in die tijd.
Het bepalen van de frequentie van een stemvork was een heel moeilijk probleem. Dit probleem werd in 1834 opgelost door de Duitse akoesticus Johann Scheibler. Zijn methode was om het aantal McNolls te tellen dat werd geproduceerd door twee stemvorken met verschillende trillingen. Een McNall is een fenomeen waarbij twee geluiden met iets verschillende frequenties met elkaar interfereren, waardoor het geluid periodiek sterker en zwakker wordt. Wanneer twee noten met verschillende frequenties tegen elkaar worden aangeslagen, is het aantal geproduceerde McNolls gelijk aan het verschil tussen de frequenties van de twee noten. De frequentie van McNall wordt het best gehoord en gemeten door het oor wanneer deze ongeveer 4 keer per seconde is, of 4 hertz (Hz).
Dit is een van de interferentieverschijnselen van geluid en speelt een belangrijke rol in muziek en natuurkunde. Het komt bijvoorbeeld voor wanneer twee noten ongeveer dezelfde frequentie hebben, waardoor het geluid periodiek stijgt en daalt. Dit gebeurt omdat de twee noten bijna dezelfde frequentie hebben, en het is een van de belangrijkste concepten in de akoestiek.
Voor het experiment van Schaubler waren verschillende stemvorken nodig: hij paste de pulsatie aan tussen stemvork nr. 1, die zo was gemaakt dat hij klonk als de noot A op een bepaalde toets, en stemvork nr. 2, die iets groter was, zodat de frequentie van de pulsatie was 4 Hz. Dit betekent dat stemvork #1 een eigenfrequentie heeft die 4 Hz hoger is dan stemvork #2. Vervolgens creëerde Shaybler een grotere stemvork nr. 3, zodat wanneer deze met stemvork nr. 2 klonk, deze ook 4 keer per seconde pulseerde. Hierdoor kreeg stemvork #3 een frequentie die 8 Hz lager was dan stemvork #1. Shaybler herhaalde dit proces en bouwde nieuwe stemvorken totdat hij een stemvork had die precies één octaaf lager klonk dan stemvork nr. 1. Uiteindelijk klonk stemvork nr. 56 precies één octaaf lager dan stemvork nr. 1. De scheerapparaten konden berekenen dat stemvork nr. 56 4 Hz x 55 trilde, oftewel 220 Hz lager dan stemvork nr. 1.
Omdat al bekend was dat de hogere frequentie van twee stemvorken die een octaaf uit elkaar staan tweemaal de frequentie van de lagere heeft, was het voor de Shabler eenvoudig om de eigenfrequentie van de stemvork te berekenen. Omdat de eigenfrequentie van stemvork nr. 1 tweemaal zo hoog is als die van stemvork nr. 56, en het verschil daartussen 220 Hz is, ontdekte hij dat de eigenfrequentie van stemvork nr. 1 440 Hz is en de eigenfrequentie van stemvork nr. 56. bedraagt 220 Hz.
Op basis van deze resultaten stelde Schaibler in 1834 op een bijeenkomst van wetenschappers in Stuttgart, Duitsland, voor dat de A-noot van een toetsinstrument op 440 Hz moest worden ingesteld. De resulterende “Stuttgart Pitch” wordt sindsdien op grote schaal gebruikt als stemreferentie in veel Europese landen. Hierdoor werd de stemming van instrumenten in heel Europa gestandaardiseerd, wat bijdroeg aan een grotere consistentie in muziekuitvoeringen en -educatie. Tegenwoordig wordt 440 Hz nog steeds gebruikt als standaardstemming, wat het belang van Schaiblers werk aantoont.
