ध्वनि तरंग: सूत्र, गुण। ध्वनि तरंगों के स्रोत

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 05:27

ध्वनि तरंग एक तरंग प्रक्रिया है जो गैसीय, तरल और ठोस माध्यम में होती है, जो जब मानव श्रवण अंगों तक पहुंचती है, तो उनके द्वारा ध्वनि के रूप में माना जाता है। इन तरंगों की आवृत्ति 20 से 20,000 दोलन प्रति सेकंड की सीमा में होती है। हम ध्वनि तरंग के लिए सूत्र देते हैं और इसके गुणों पर अधिक विस्तार से विचार करते हैं।

ध्वनि तरंग क्यों होती है?

कई लोग आश्चर्य करते हैं कि ध्वनि तरंग क्या है। ध्वनि की प्रकृति लोचदार माध्यम में गड़बड़ी की घटना में निहित है। उदाहरण के लिए, जब एक निश्चित मात्रा में हवा में संपीड़न के रूप में एक दबाव गड़बड़ी होती है, तो यह क्षेत्र अंतरिक्ष में फैल जाता है। इस प्रक्रिया से स्रोत से सटे क्षेत्रों में हवा का संपीड़न होता है, जिसका विस्तार भी होता है। यह प्रक्रिया अधिक से अधिक जगह को कवर करती है जब तक कि यह किसी रिसीवर तक नहीं पहुंच जाती, उदाहरण के लिए, मानव कान।

ध्वनि तरंगों की सामान्य विशेषताएं

आइए विचार करें कि ध्वनि तरंग क्या है और इसे मानव कान द्वारा कैसे माना जाता है। ध्वनि की तरंगअनुदैर्ध्य है, यह, जब यह कान के खोल में प्रवेश करता है, तो एक निश्चित आवृत्ति और आयाम के साथ कर्ण के कंपन का कारण बनता है। आप इन उतार-चढ़ावों को झिल्ली से सटे हवा के सूक्ष्म आयतन में दबाव में आवधिक परिवर्तन के रूप में भी प्रदर्शित कर सकते हैं। सबसे पहले, यह सामान्य वायुमंडलीय दबाव के सापेक्ष बढ़ता है, और फिर हार्मोनिक गति के गणितीय नियमों का पालन करते हुए घटता है। वायु संपीड़न में परिवर्तन का आयाम, अर्थात्, वायुमंडलीय दबाव के साथ ध्वनि तरंग द्वारा बनाए गए अधिकतम या न्यूनतम दबाव के बीच का अंतर ध्वनि तरंग के आयाम के समानुपाती होता है।

कई शारीरिक प्रयोगों से पता चला है कि मानव कान को नुकसान पहुंचाए बिना अधिकतम दबाव 2800 µN/cm² है। तुलना के लिए, मान लें कि पृथ्वी की सतह के पास वायुमंडलीय दबाव 10 मिलियन μN/cm^{2 है। दबाव और दोलन आयाम की आनुपातिकता को ध्यान में रखते हुए, हम कह सकते हैं कि बाद का मान सबसे मजबूत तरंगों के लिए भी महत्वहीन है। अगर हम ध्वनि तरंग की लंबाई की बात करें तो प्रति सेकंड 1000 कंपन की आवृत्ति के लिए यह एक सेंटीमीटर का हजारवां हिस्सा होगा।}

सबसे कमजोर ध्वनियां 0.001μN/cm² के क्रम के दबाव में उतार-चढ़ाव पैदा करती हैं, 1000 हर्ट्ज की आवृत्ति के लिए संबंधित तरंग दोलन आयाम 10^{- 9}सेमी, जबकि वायु के अणुओं का औसत व्यास 10^{-8 सेमी है, अर्थात मानव कान एक अत्यंत संवेदनशील अंग है।}

ध्वनि तरंगों की तीव्रता की अवधारणा

ज्यामितीय के साथध्वनि तरंग की दृष्टि से यह एक निश्चित रूप का कंपन है, भौतिक दृष्टि से ध्वनि तरंगों का मुख्य गुण ऊर्जा को स्थानांतरित करने की उनकी क्षमता है। तरंग ऊर्जा हस्तांतरण का सबसे महत्वपूर्ण उदाहरण सूर्य है, जिसकी विकिरणित विद्युत चुम्बकीय तरंगें हमारे पूरे ग्रह को ऊर्जा प्रदान करती हैं।

भौतिकी में ध्वनि तरंग की तीव्रता को एक इकाई सतह के माध्यम से एक तरंग द्वारा ले जाने वाली ऊर्जा की मात्रा के रूप में परिभाषित किया जाता है, जो तरंग के प्रसार के लिए लंबवत है, और प्रति इकाई समय है। संक्षेप में, एक तरंग की तीव्रता एक इकाई क्षेत्र के माध्यम से स्थानांतरित की जाने वाली शक्ति है।

ध्वनि तरंगों की ताकत आमतौर पर डेसिबल में मापी जाती है, जो एक लॉगरिदमिक पैमाने पर आधारित होती है, जो परिणामों के व्यावहारिक विश्लेषण के लिए सुविधाजनक होती है।

विभिन्न ध्वनियों की तीव्रता

निम्नलिखित डेसिबल पैमाना विभिन्न ध्वनि तीव्रताओं के अर्थ और इसके कारण होने वाली संवेदनाओं का एक विचार देता है:

अप्रिय और असहज संवेदनाओं के लिए दहलीज 120 डेसिबल (डीबी) से शुरू होती है;
रिवेटिंग हैमर 95 डीबी शोर उत्पन्न करता है;
हाई स्पीड ट्रेन - 90 डीबी;
यातायात सड़क - 70 डीबी;
लोगों के बीच सामान्य बातचीत की मात्रा 65 dB है;
मध्यम गति से चलने वाली आधुनिक कार 50 डीबी शोर उत्पन्न करती है;
औसत रेडियो मात्रा - 40 डीबी;
शांत बातचीत - 20 डीबी;
पेड़ के पत्ते का शोर - 10 डीबी;
न्यूनतम मानव ध्वनि संवेदनशीलता सीमा 0 dB के करीब है।

मानव कान की संवेदनशीलता निर्भर करती हैध्वनि की आवृत्ति और 2000-3000 हर्ट्ज की आवृत्ति के साथ ध्वनि तरंगों के लिए अधिकतम मूल्य है। इस आवृत्ति रेंज में ध्वनि के लिए, मानव संवेदनशीलता की निचली सीमा 10-5 dB है। निर्दिष्ट अंतराल की तुलना में उच्च और निम्न आवृत्तियां निम्न संवेदनशीलता सीमा में इस तरह से वृद्धि करती हैं कि एक व्यक्ति 20 हर्ट्ज और 20,000 हर्ट्ज के करीब आवृत्तियों को केवल कई दसियों डीबी की तीव्रता पर सुनता है।

तीव्रता की ऊपरी दहलीज के लिए, जिसके बाद ध्वनि किसी व्यक्ति के लिए असुविधा और यहां तक कि दर्द का कारण बनने लगती है, यह कहा जाना चाहिए कि यह व्यावहारिक रूप से आवृत्ति पर निर्भर नहीं करता है और 110-130 डीबी की सीमा में स्थित है।.

ध्वनि तरंग की ज्यामितीय विशेषताएं

एक वास्तविक ध्वनि तरंग अनुदैर्ध्य तरंगों का एक जटिल दोलन पैकेज है, जिसे सरल हार्मोनिक कंपन में विघटित किया जा सकता है। ऐसे प्रत्येक दोलन को ज्यामितीय दृष्टिकोण से निम्नलिखित विशेषताओं द्वारा वर्णित किया गया है:

आयाम - संतुलन से तरंग के प्रत्येक खंड का अधिकतम विचलन। इस मान के लिए, पदनाम A.
अवधि। यह एक साधारण तरंग को अपना पूर्ण दोलन पूरा करने में लगने वाला समय है। इस समय के बाद, तरंग का प्रत्येक बिंदु अपनी दोलन प्रक्रिया को दोहराना शुरू कर देता है। अवधि को आमतौर पर अक्षर T द्वारा दर्शाया जाता है और SI प्रणाली में सेकंड में मापा जाता है।
आवृत्ति। यह एक भौतिक राशि है जो दर्शाती है कि एक तरंग प्रति सेकंड कितने दोलन करती है। अर्थात्, अपने अर्थ में, यह अवधि के विपरीत एक मूल्य है।इसे लैटिन अक्षर f से निरूपित किया जाता है। एक ध्वनि तरंग की आवृत्ति के लिए, इसे एक अवधि के माध्यम से निर्धारित करने का सूत्र इस प्रकार है: f=1/T.
एक तरंग की लंबाई वह दूरी है जो वह एक दोलन अवधि में तय करती है। ज्यामितीय रूप से, तरंग दैर्ध्य एक साइनसॉइडल वक्र पर दो निकटतम मैक्सिमा या दो निकटतम मिनीमा के बीच की दूरी है। ध्वनि तरंग की दोलन लंबाई वायु संपीडन के निकटतम क्षेत्रों के बीच की दूरी या उस स्थान में इसके विरलन के निकटतम स्थानों के बीच की दूरी है जहां तरंग चलती है। इसे आमतौर पर ग्रीक अक्षर λ द्वारा दर्शाया जाता है।
ध्वनि तरंग प्रसार की गति वह दूरी है जिस पर संपीड़न का क्षेत्र या तरंग की दुर्लभता का क्षेत्र प्रति इकाई समय में फैलता है। यह मान अक्षर v द्वारा निरूपित किया जाता है। ध्वनि तरंग की गति के लिए, सूत्र है: v=f.

शुद्ध ध्वनि तरंग की ज्यामिति, यानी निरंतर शुद्धता की लहर, साइनसॉइडल कानून का पालन करती है। सामान्य स्थिति में, ध्वनि तरंग का सूत्र है: y=Asin(ωt), जहां y तरंग के दिए गए बिंदु के निर्देशांक का मान है, t समय है,=2pif है चक्रीय दोलन आवृत्ति।

एपेरियोडिक ध्वनि

कई ध्वनि स्रोतों को आवधिक माना जा सकता है, उदाहरण के लिए, गिटार, पियानो, बांसुरी जैसे संगीत वाद्ययंत्रों से ध्वनि, लेकिन प्रकृति में बड़ी संख्या में ध्वनियाँ भी होती हैं जो कि आवर्तिक होती हैं, अर्थात ध्वनि कंपन बदल जाती हैं अंतरिक्ष में उनकी आवृत्ति और आकार। तकनीकी रूप से, इस तरह की ध्वनि को शोर कहा जाता है। चमकदारएपेरियोडिक ध्वनि के उदाहरण हैं शहरी शोर, समुद्र की आवाज़, ताल वाद्यों की आवाज़, जैसे ड्रम, और अन्य।

ध्वनि प्रसार माध्यम

विद्युत चुम्बकीय विकिरण के विपरीत, जिसके फोटॉनों को अपने प्रसार के लिए किसी भौतिक माध्यम की आवश्यकता नहीं होती है, ध्वनि की प्रकृति ऐसी होती है कि इसके प्रसार के लिए एक निश्चित माध्यम की आवश्यकता होती है, अर्थात भौतिक विज्ञान के नियमों के अनुसार, ध्वनि तरंगें नहीं हो सकती हैं। निर्वात में प्रचारित करें।

ध्वनि गैसों, तरल पदार्थों और ठोस पदार्थों के माध्यम से यात्रा कर सकती है। एक माध्यम में प्रसारित होने वाली ध्वनि तरंग की मुख्य विशेषताएं इस प्रकार हैं:

लहर रैखिक रूप से फैलती है;
यह समरूप माध्यम में सभी दिशाओं में समान रूप से फैलता है, अर्थात ध्वनि स्रोत से अलग होकर एक पूर्ण गोलाकार सतह बनाती है।
ध्वनि के आयाम और आवृत्ति की परवाह किए बिना, इसकी तरंगें किसी दिए गए माध्यम में समान गति से फैलती हैं।

विभिन्न माध्यमों में ध्वनि तरंगों की गति

ध्वनि प्रसार की गति दो मुख्य कारकों पर निर्भर करती है: वह माध्यम जिसमें तरंग चलती है और तापमान। सामान्य तौर पर, निम्न नियम लागू होता है: माध्यम जितना सघन होता है, और उसका तापमान जितना अधिक होता है, उसमें ध्वनि उतनी ही तेजी से चलती है।

उदाहरण के लिए, 20 ℃ के तापमान पर पृथ्वी की सतह के पास हवा में ध्वनि तरंग की प्रसार गति और 50% की आर्द्रता 1235 किमी/घंटा या 343 मीटर/सेकेंड है। किसी दिए गए तापमान पर पानी में ध्वनि 4.5 गुना तेजी से यात्रा करती है, फिरलगभग 5735 किमी/घंटा या 1600 मीटर/सेकेंड है। हवा में तापमान पर ध्वनि की गति की निर्भरता के लिए, यह प्रत्येक डिग्री सेल्सियस के तापमान में वृद्धि के साथ 0.6 मीटर / सेकेंड बढ़ जाता है।

टिम्ब्रे और टोन

यदि किसी तार या धातु की प्लेट को स्वतंत्र रूप से कंपन करने की अनुमति दी जाती है, तो यह विभिन्न आवृत्तियों की ध्वनियाँ उत्पन्न करेगी। ऐसा पिंड मिलना बहुत दुर्लभ है जो एक विशेष आवृत्ति की ध्वनि का उत्सर्जन करता हो, आमतौर पर किसी वस्तु की ध्वनि में एक निश्चित अंतराल में आवृत्तियों का एक सेट होता है।

किसी ध्वनि का समय उसमें मौजूद हार्मोनिक्स की संख्या और उनकी तीव्रता से निर्धारित होता है। टिम्ब्रे एक व्यक्तिपरक मूल्य है, अर्थात यह किसी विशिष्ट व्यक्ति द्वारा किसी ध्वनि वस्तु की धारणा है। टिम्ब्रे को आमतौर पर निम्नलिखित विशेषणों की विशेषता होती है: उच्च, शानदार, मधुर, मधुर, और इसी तरह।

टोन एक ध्वनि संवेदना है जो इसे उच्च या निम्न के रूप में वर्गीकृत करने की अनुमति देती है। यह मान भी व्यक्तिपरक है और इसे किसी भी उपकरण द्वारा नहीं मापा जा सकता है। स्वर एक वस्तुनिष्ठ मात्रा से जुड़ा है - ध्वनि तरंग की आवृत्ति, लेकिन उनके बीच कोई स्पष्ट संबंध नहीं है। उदाहरण के लिए, निरंतर तीव्रता की एकल-आवृत्ति ध्वनि के लिए, आवृत्ति बढ़ने पर स्वर बढ़ जाता है। यदि ध्वनि की आवृत्ति स्थिर रहती है, लेकिन इसकी तीव्रता बढ़ जाती है, तो स्वर कम हो जाता है।

ध्वनि स्रोतों का आकार

शरीर के आकार के अनुसार जो यांत्रिक रूप से कंपन करता है और जिससे ध्वनि उत्पन्न होती है, ध्वनि तरंगों के तीन मुख्य प्रकार के स्रोत होते हैं:

बिंदु स्रोत। यह ध्वनि तरंगें उत्पन्न करता है जो आकार में गोलाकार होती हैं और स्रोत से दूरी के साथ तेजी से क्षय होती हैं (लगभग 6dB यदि स्रोत से दूरी दोगुनी हो जाती है)।
लाइन स्रोत। यह बेलनाकार तरंगें बनाता है जिनकी तीव्रता एक बिंदु स्रोत से अधिक धीमी गति से घटती है (स्रोत से दूरी के प्रत्येक दोगुने होने पर, तीव्रता 3 dB कम हो जाती है)।
एक समतल या द्वि-आयामी स्रोत। यह केवल एक निश्चित दिशा में तरंगें उत्पन्न करता है। ऐसे स्रोत का एक उदाहरण एक सिलेंडर में गतिमान पिस्टन होगा।

इलेक्ट्रॉनिक ध्वनि स्रोत

ध्वनि तरंग बनाने के लिए, इलेक्ट्रॉनिक स्रोत एक विशेष झिल्ली (स्पीकर) का उपयोग करते हैं, जो विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की घटना के कारण यांत्रिक कंपन करता है। इन स्रोतों में निम्नलिखित शामिल हैं: