ध्वनि

This article is about audible acoustic waves. For other uses, see ध्वनि (disambiguation).

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ड्रम एक कंपन झिल्ली के माध्यम से ध्वनि उत्पन्न करता है

भौतिकी में, ध्वनि एक कंपन है जो गैस, तरल या ठोस जैसे संचरण माध्यम के माध्यम से ध्वनिक तरंग के रूप में फैलता है। मानव शरीर क्रिया विज्ञान और मनोविज्ञान में, ध्वनि ऐसी तरंगों का "स्वागत" और मस्तिष्क द्वारा उनकी "धारणा" है। केवल ध्वनिक तरंगें जिनकी आवृत्ति लगभग 20 हर्ट्ज और 20 किलोहर्ट्ज़ के बीच होती है, ऑडियो आवृत्ति रेंज, मनुष्यों में एक श्रवण धारणा उत्पन्न करती है। वायुमंडलीय दबाव में हवा में, ये 17 मीटर (56 फीट) से 1.7 सेंटीमीटर (0.67 इंच) की तरंग दैर्ध्य के साथ ध्वनि तरंगों का प्रतिनिधित्व करते हैं। 20 kHz से ऊपर की ध्वनि तरंगों को अल्ट्रासाउंड के रूप में जाना जाता है और यह मनुष्यों के लिए श्रव्य नहीं हैं। 20 हर्ट्ज से कम की ध्वनि तरंगों को इन्फ्रासाउंड कहा जाता है। विभिन्न जानवरों की प्रजातियों में अलग-अलग श्रवण सीमा होती है।

ध्वनि-विज्ञान

Main article: मुख्य लेख: ध्वनिकी

ध्वनिकी अंतःविषय विज्ञान है जो कंपन, ध्वनि, अल्ट्रासाउंड और इन्फ्रासाउंड सहित गैसों, तरल पदार्थों और ठोस पदार्थों में यांत्रिक तरंग के अध्ययन से संबंधित है। एक वैज्ञानिक जो ध्वनिकी के क्षेत्र में काम करता है, वह एक ध्वनिक होता है, जबकि ध्वनिक इंजीनियरिंग के क्षेत्र में काम करने वाले व्यक्ति को ध्वनिक इंजीनियर कहा जा सकता है। दूसरी ओर, एक ऑडियो इंजीनियर ध्वनि की रिकॉर्डिंग, हेरफेर, मिश्रण और पुनरुत्पादन से संबंधित है।

ध्वनिकी के अनुप्रयोग आधुनिक समाज के लगभग सभी पहलुओं में पाए जाते हैं, उप-विषयों में ध्वनिकी ,ऑडियो सिग्नल प्रोसेसिंग ,वास्तु ध्वनिकी ,जैव ध्वनिकी , इलेक्ट्रो-ध्वनिकी, पर्यावरण शोर , संगीत ध्वनिकी ,शोर नियंत्रण ,मनो -ध्वनिकी, भाषण ,अल्ट्रासाउंड, पानी के नीचे ध्वनिकी और कंपन शामिल हैं।

परिभाषा

ध्वनि को (a) दबाव, तनाव, कण विस्थापन, कण वेग, आदि में दोलन, आंतरिक बलों (जैसे, लचीला या चिपचिपा) या इस तरह के प्रचारित दोलन का सुपरपोजिशन के साथ एक माध्यम में प्रचारित किया जाता है। (b),(a) में वर्णित दोलन द्वारा उत्पन्न श्रवण संवेदना ध्वनि को हवा या अन्य लचीली मीडिया में तरंग गति के रूप में देखा जा सकता है, इस मामले में ध्वनि एक उत्तेजना है। ध्वनि को श्रवण तंत्र की उत्तेजना के रूप में भी देखा जा सकता है जिसके परिणामस्वरूप ध्वनि की धारणा होती है, इस मामले में ध्वनि एक भावना है।

भौतिकी

आमतौर पर एक ही आवृत्ति पर दो ट्यूनिंग कांटे ध्वनिक दोलनों का उपयोग करके प्रयोग करें। कांटे में से एक को रबरयुक्त मैलेट से मारा जा रहा है। यद्यपि केवल पहला ट्यूनिंग कांटा मारा गया है, दूसरा कांटा दूसरे कांटे से टकराकर हवा के दबाव और घनत्व में आवधिक परिवर्तन के कारण होने वाले दोलन के कारण स्पष्ट रूप से उत्साहित है, जिससे कांटे के बीच एक ध्वनिक प्रतिध्वनि पैदा होती है। हालांकि, अगर हम धातु के एक टुकड़े को एक शूल पर रखते हैं, तो हम देखते हैं कि प्रभाव कम हो जाता है, और कम उत्तेजना और कम स्पष्ट हो जाता है क्योंकि प्रतिध्वनि प्रभावी रूप से प्राप्त नहीं होती है।

ध्वनि हवा, पानी और ठोस जैसे माध्यम से अनुदैर्ध्य तरंगों के रूप में और ठोस में अनुप्रस्थ तरंग के रूप में भी फैल सकती है। ध्वनि तरंगें एक ध्वनि स्रोत द्वारा उत्पन्न होती हैं, जैसे स्टीरियो स्पीकर का वाइब्रेटिंग डायफ्राम (ध्वनिकी)। ध्वनि स्रोत आसपास के माध्यम में कंपन पैदा करता है। जैसे ही स्रोत माध्यम को कंपन करना जारी रखता है, कंपन ध्वनि की गति से स्रोत से दूर फैलती है, इस प्रकार ध्वनि तरंग का निर्माण होता है। स्रोत से एक निश्चित दूरी पर माध्यम का दबाव,वेग और विस्थापन समय के साथ बदलता रहता है। एक पल में, अंतरिक्ष में दबाव, वेग और विस्थापन भिन्न होता है। ध्यान दें कि माध्यम के कण ध्वनि तरंग के साथ यात्रा नहीं करते हैं। यह एक ठोस के लिए सहज रूप से स्पष्ट है, तरल और गैसों के लिए भी यही सच है (अर्थात, गैस या तरल में कणों के कंपन को परिवहन करते हैं, जबकि समय के साथ कणों की औसत स्थिति नहीं बदलती है)। प्रसार के दौरान, तरंगों को माध्यम द्वारा परावर्तित, अपवर्तित याक्षीणन हो सकती हैं।ध्वनि प्रसार का व्यवहार आम तौर पर तीन चीजों से प्रभावित होता है:-

• माध्यम के घनत्व और दबाव के बीच एक जटिल संबंध। तापमान से प्रभावित यह संबंध माध्यम के भीतर ध्वनि की गति को निर्धारित करता है।
• माध्यम की ही गति। यदि माध्यम चल रहा है, तो यह गति, गति की दिशा के आधार पर ध्वनि तरंग की पूर्ण गति को बढ़ा या घटा सकती है। उदाहरण के लिए, यदि ध्वनि और पवन एक ही दिशा में गति कर रहे हैं, तो हवा के माध्यम से चलने वाली ध्वनि के प्रसार की गति हवा की गति से बढ़ जाएगी। यदि ध्वनि और हवा विपरीत दिशाओं में चल रहे हैं, तो हवा की गति से ध्वनि तरंग की गति कम हो जाएगी।
• माध्यम की चिपचिपाहट। मध्यम चिपचिपाहट उस दर को निर्धारित करती है जिस पर ध्वनि क्षीण होती है। कई मीडिया, जैसे हवा या पानी के लिए, चिपचिपाहट के कारण क्षीणन खाली है।

जब ध्वनि किसी ऐसे माध्यम से गतिमान होती है जिसमें निरंतर भौतिक गुण नहीं होते हैं, तो इसे अपवर्तित किया जा सकता है (या तो फैलाया हुआ या केंद्रित)।

गोलाकार संपीड़न (अनुदैर्ध्य) तरंगें

ध्वनि के रूप में व्याख्या किए जा सकने वाले यांत्रिक कंपन पदार्थ सभी अवस्थाओं में यात्रा कर सकते हैं: गैस, तरल पदार्थ, ठोस और प्लाज्मा, वह पदार्थ जो ध्वनि को सहारा देता है, माध्यम कहलाते है। ध्वनि निर्वात के माध्यम से यात्रा नहीं कर सकती है।

लहरें

ध्वनि गैसों, प्लाज्मा और तरल पदार्थों के माध्यम से अनुदैर्ध्य तरंगों के रूप में प्रसारित होती है, जिसे संपीड़न तरंगें भी कहा जाता है। इसे प्रचारित करने के लिए एक माध्यम की आवश्यकता होती है। हालांकि, ठोस पदार्थों के माध्यम से, इसे अनुदैर्ध्य तरंगों और अनुप्रस्थ तरंगों दोनों के रूप में प्रेषित किया जा सकता है। अनुदैर्ध्य ध्वनि तरंगें यांत्रिक संतुलन दबाव से वैकल्पिक दबाव विचलन की तरंगें हैं, जो संपीड़न और विरलन के स्थानीय क्षेत्रों का कारण बनती हैं, जबकि अनुप्रस्थ तरंगें (ठोस में) प्रसार की दिशा में समकोण पर बारी-बारी से कतरनी तनाव की तरंगें होती हैं।

ध्वनि तरंगों को परवलयिक दर्पण और ध्वनि उत्पन्न करने वाली वस्तुओं का उपयोग करके देखा जा सकता है।एक दोलन ध्वनि तरंग द्वारा की जाने वाली ऊर्जा पदार्थ के अतिरिक्त संपीड़न (अनुदैर्ध्य तरंगों के मामले में) या पार्श्व विस्थापन तनाव (अनुप्रस्थ तरंगों के मामले में) माध्यम के कणों के विस्थापन वेग की गतिज ऊर्जा और संभावित ऊर्जा के बीच आगे, पीछे परिवर्तित होती है।

Longitudinal plane wave

Transverse plane wave

Longitudinal and transverse plane wave

क्लैरिनेट टोन की 20 एमएस रिकॉर्डिंग का 'समय के साथ दबाव' ग्राफ ध्वनि के दो मूलभूत तत्वों को प्रदर्शित करता है: दबाव और समय।

File:Sine waves different frequencies.svg

ध्वनियों को उनके घटक साइन तरंग के विभिन्न आवृत्तियों के मिश्रण के रूप में दर्शाया जा सकता है। नीचे की तरंगों में ऊपर की तुलना में अधिक आवृत्तियाँ होती हैं। क्षैतिज अक्ष समय का प्रतिनिधित्व करता है।

हालाँकि, ध्वनि के प्रसारण से संबंधित कई जटिलताएँ हैं, स्वागत के बिंदु (यानी कान) पर, ध्वनि आसानी से दो सरल तत्वों में विभाजित होती है: दबाव और समय। ये मौलिक तत्व सभी ध्वनि तरंगों का आधार बनते हैं। उनका उपयोग, निरपेक्ष शब्दों में, हमारे द्वारा सुनी जाने वाली प्रत्येक ध्वनि का वर्णन करने के लिए किया जा सकता है।

ध्वनि को पूरी तरह से समझने के लिए, एक जटिल तरंग जैसे कि इस पाठ के दाईं ओर एक नीली पृष्ठभूमि में दिखाया गया है, आमतौर पर इसके घटक भागों में विभाजित किया जाता है, जो विभिन्न ध्वनि तरंग आवृत्तियों (और शोर) का संयोजन होता है।ध्वनि तरंगों को अक्सर साइनसॉइडल समतल तरंगों के संदर्भ में एक विवरण के लिए सरल बनाया जाता है, जो इन सामान्य गुणों की विशेषता है:-

• आवृत्ति, या इसका प्रतिलोम, तरंगदैर्घ्य
• आयाम , ध्वनि दबाव या ध्वनि की तीव्रता
• ध्वनि की गति
• दिशा

मानव द्वारा बोधगम्य ध्वनि की आवृत्ति लगभग 20 हर्ट्ज़ से 20,000 हर्ट्ज़ तक होती है। मानक तापमान और दबाव पर हवा में, ध्वनि तरंगों की संगत तरंग दैर्ध्य 17 मीटर 17 mm (0.67 in) 17 मीटर (56 फीट) से 17 मिमी (0.67 इंच) तक होती है। कभी-कभी गति और दिशा को एक वेग वेक्टर के रूप में जोड़ा जाता है, तरंग संख्या और दिशा को एक तरंग वेक्टर के रूप में संयोजित किया जाता है।

अनुप्रस्थ तरंगें जिन्हें अपरूपण तरंगों के रूप में भी जाना जाता है, इनमें अतिरिक्त गुण, ध्रुवीकरण और ध्वनि तरंगों की विशेषता नहीं होती हैं।

गति

Main article: मुख्य लेख: ध्वनि की गति

File:FA-18 Hornet breaking sound barrier (7 July 1999) - filtered.jpg

F/A-18 ध्वनि की गति के करीब पहुंच रही है। सफेद प्रभामंडल का निर्माण संघनित पानी की बूंदों से होता है, जो विमान के चारों ओर हवा के दबाव में गिरावट के परिणामस्वरूप होता है (देखें प्रांड्ल-ग्लौर्ट विलक्षणता)।

ध्वनि की गति उस माध्यम पर निर्भर करती है जिससे तरंगें गुजरती हैं, और यह सामग्री का एक मौलिक गुण है। ध्वनि की गति को मापने की दिशा में पहला महत्वपूर्ण प्रयास आइजैक न्यूटन द्वारा किया गया था। उनका मानना ​​​​था कि किसी विशेष पदार्थ में ध्वनि की गति उस पर अभिनय करने वाले दबाव के वर्गमूल के बराबर होती है, जो उसके घनत्व से विभाजित होती है:

$c={\sqrt {\frac {p}{\rho }}}.$

यह बाद में गलत साबित हुआ और फ्रांसीसी गणितज्ञ पियरे-साइमन लाप्लास ने इस सूत्र को सही करते हुए कहा कि ध्वनि यात्रा की घटना इज़ोटेर्मल नहीं है, जैसा कि न्यूटन ने माना था, लेकिन एडियाबेटिक प्रक्रिया। उन्होंने समीकरण में एक और कारक जोड़ा—गामा और गुणा ${\sqrt {\gamma }}$ द्वारा ${\sqrt {p/\rho }}$, इस प्रकार समीकरण के साथ आ रहा है $c={\sqrt {\gamma \cdot p/\rho }}$. तब से $K=\gamma \cdot p$, अंतिम समीकरण बन गया $c={\sqrt {K/\rho }}$, जिसे न्यूटन-लाप्लास समीकरण के नाम से भी जाना जाता है। इस समीकरण में, K लचीला बल्क मापांक है, c ध्वनि का वेग है और $\rho$ घनत्व है। इस प्रकार, ध्वनि की गति माध्यम के थोक मापांक के घनत्व के अनुपात के वर्गमूल के समानुपाती होती है।

वे भौतिक गुण और ध्वनि की गति परिवेश की स्थितियों के साथ बदल जाती है। उदाहरण के लिए, गैसों में ध्वनि की गति तापमान पर निर्भर करती है। समुद्र तल पर 20 डिग्री सेल्सियस (68 डिग्री फारेनहाइट) हवा में ध्वनि की गति लगभग 343 m/s (1,230 km/h; 767 mph)होती है जो सूत्र v [m/s] = 331 + 0.6 T [°C] का उपयोग करती है। ध्वनि की गति भी थोड़ी संवेदनशील होती है, जो ध्वनि आयाम के लिए दूसरे क्रम के अनहार्मोनिकिटी प्रभाव के अधीन होती है, जिसका अर्थ है कि गैर-रैखिक प्रसार प्रभाव होते हैं, जैसे हार्मोनिक्स का उत्पादन और मिश्रित स्वर मूल ध्वनि में मौजूद नहीं होते हैं (पैरामीट्रिक सरणी देखें)। यदि सापेक्षतावादी प्रभाव महत्वपूर्ण हैं, तो ध्वनि की गति की गणना सापेक्षतावादी यूलर समीकरणों से की जाती है।

ताजे पानी में ध्वनि की गति लगभग 1,482 m/s (5,335 km/h; 3,315 mph) होती है,स्टील में ध्वनि की चाल लगभग 5,960 m/s (21,460 km/h; 13,330 mph) होती है, ठोस परमाणु हाइड्रोजन में ध्वनि लगभग सबसे तेज गति 36,000 m/s (129,600 km/h; 80,530 mph)से चलती है।

ध्वनि दबाव स्तर

Sound measurements
Characteristic	Symbols
Sound pressure	p, SPL,LPA
Particle velocity	v, SVL
Particle displacement	δ
Sound intensity	I, SIL
Sound power	P, SWL, LWA
Sound energy	W
Sound energy density	w
Sound exposure	E, SEL
Acoustic impedance	Z
Audio frequency	AF
Transmission loss	TL

ध्वनि दाब किसी दिए गए माध्यम में, औसत स्थानीय दबाव और ध्वनि तरंग में दबाव के बीच का अंतर है। इस अंतर का एक वर्ग (यानी, संतुलन दबाव से विचलन का एक वर्ग) आमतौर पर समय और/या स्थान के साथ औसत होता है, और इस औसत का वर्गमूल मूल माध्य वर्ग (आरएमएस) मान प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, वायुमंडलीय वायु में 1 पास्कल (इकाई) आरएमएस ध्वनि दबाव (94 डीबीएसपीएल) का अर्थ है कि ध्वनि तरंग में वास्तविक दबाव (1 एटीएम) के बीच दोलन करता है। $-{\sqrt {2}}$ पा) और (1 एटीएम $+{\sqrt {2}}$ Pa), यानी 101323.6 और 101326.4 Pa के बीच।चूंकि मानव कान व्यापक रेंज के आयामों के साथ ध्वनियों का पता लगा सकता है, ध्वनि दबाव को अक्सर लघुगणकडेसिबल पैमाने पर एक स्तर के रूप में मापा जाता है। ध्वनि दबाव स्तर (एसपीएल) या एल_p की तरह परिभाषित किया गया है

$L_{\mathrm{p}}=10{\log }_{10}<!--\; \; -->\left(\frac{p^2}{{p_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}}^2}\right)=20{\log }_{10}<!--\; \; -->(\frac{}{}$