ధ్వని

స్వరం లక్షణాలు  (Characteristics of a note)

నిర్ణీత పౌనఃపున్యం లేదా ప్రాథమిక పౌనఃపున్యం కలిగిన ధ్వనిని స్వరం అంటారు. స్వరం లేదా గొంతును వినగానే మనం పొందే అనుభూతులు (Subjectives) మూడు. వీటినే ధ్వని లక్షణాలు అని కూడా అంటారు. ఈ అనుభూతి మనుషులను బట్టి మారుతూ ఉంటుంది. కానీ ధ్వనికి సంబంధించిన ప్రయోగశాల కొలతలు (objectives) ఒకేవిధంగా ఉంటాయి.

1. స్థాయి (Pitch)

2. ధ్వని తీవ్రత/ బిగ్గర స్వరం (Loudness)

3. గుణం (Quality/ Timbre) 

స్థాయి 

* ఒక స్వరం కీచుదనాన్ని స్థాయి సూచిస్తుంది. చెవి పొందే అనుభూతి స్థాయి అయితే, దానికి కొలమానం పౌనఃపున్యం. తరంగం పౌనఃపున్యం (Frequency) మారేకొద్దీ స్థాయి మారుతుంది. 

* ఎక్కువ పౌనఃపున్యంతో ఉండే ధ్వనులు మనకు ఎక్కువ స్థాయి కలిగిన అనుభూతి (Sensation) ని కలిగిస్తాయి. తక్కువ పౌనఃపున్యంతో ఉండే స్వరాలు మంద(Flat)  స్వరాలు  స్థాయి α పౌనఃపున్యం

* చిన్న పిల్లలు, స్త్రీల స్వరానికి; పక్షుల అరుపులకు స్థాయి ఎక్కువ. సింహం, ఏనుగు అరుపుల కంటే తుమ్మెద నాదానికి స్థాయి ఎక్కువగా ఉంటుంది.

* స్థాయి ఎక్కువగా ఉండేవారు తక్కువ సమయంలో ఎక్కువ తరంగాలను విడుదల చేస్తారు.

 

ధ్వని తీవ్రత (Intensity of Sound)

* ధ్వని తరంగం ప్రసార దిశకు లంబంగా ఉండే తలం ఏకాంక వైశాల్యం నుంచి ప్రమాణ కాలంలో ప్రసరించే శక్తి - ధ్వని తీవ్రత (I). 
 

* దీనికి ప్రమాణం వాట్‌/m² లేదా  J/s m². 

* కొంత ధ్వని తీవ్రతతో వచ్చే స్వరాన్ని చెవి విని, పొందే అనుభూతిని బిగ్గర ధ్వని సూచిస్తుంది.

*  ఒకే తీవ్రతతో ఉండే ధ్వనులను ఇద్దరు వ్యక్తులు వేర్వేరు బిగ్గర ధ్వనులుగా గుర్తించవచ్చు.

* ధ్వని తీవ్రత తరంగం కంపన పరిమితి (Amplitude) వర్గానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

                               I α A2 

* ధ్వని గాంభీర్యతను తీవ్రత సూచిస్తుంది. కొలిచిన తీవ్రత (I) , పొందిన బిగ్గరస్థాయి అనుభూతి  (L) మధ్య సంబంధాన్ని వెబర్, ఫెష్‌నర్‌ అనే శాస్త్రవేత్తలు మానసిక ప్రయోగాల ఆధారంగా రాబట్టారు. అది

   

ఇక్కడ Ι₀ = ఆరంభ శృతి తీవ్రత (Threshold Intensity) 

ఈ విలువను 1000 Hzవద్ద లెక్కించారు.

* L కి ప్రమాణం బెల్‌ (bel).. ఇదొక పెద్ద ప్రమాణం. దీనికి బదులు డెసిబెల్‌ (dB)  ని ఉపయోగిస్తారు.

                

* 120dB కంటే ఎక్కువ ధ్వనులను మానవుడి చెవి వినలేదు. విన్నా తట్టుకోలేదు.

3)  80dB కంటే తక్కువ తీవ్రతను కలిగిన ధ్వనులు చెవికి హానికరం కావు. అధిక ధ్వని తీవ్రతల వల్ల బ్లడ్‌ ప్రెజర్‌ (బీపీ) పెరుగుతుంది,  మానసిక వికారాలు కలుగుతాయి.

* దూరం పెరిగిన కొద్దీ మనం వినే తీవ్రతలు దూరవర్గానికి విలోమంగా తగ్గిపోతాయి.

గుణం 

ఒకే స్థాయి, తీవ్రతతో ఉండే రెండు స్వరాలను విడివిడిగా గుర్తించడానికి గుణాన్ని ఉపయోగిస్తారు. ఒకే పౌనఃపున్యం, కంపన పరిమితి కలిగిన వీణ, వయొలిన్‌ స్వరాలను కళ్లు మూసుకుని కూడా గుర్తించగలం. దీనికి కారణం వాటి నుంచి వచ్చే తరంగాల తరంగ రూపాలు (wave form)  వేర్వేరుగా ఉండటం.

* స్వరం గుణాన్ని కలిగి ఉండాలంటే, దానిలో ప్రాథమిక పౌనఃపున్యంతో పాటు, దాని పూర్ణాంక గుణిజాలైన అనుస్వరాలు (harmonies) కూడా ఉండాలి.

* స్థాయి ప్రాథమికంగా పౌనఃపున్యంపై ఆధారపడనప్పటికీ, అది తీవ్రతపై కూడా కొంత ఆధారపడుతుంది. అదే విధంగా తీవ్రత కంపన పరిమితితో పాటు పౌనఃపున్యంపై కూడా స్వల్పంగా ఆధారపడుతుంది.

ధ్వని వేగం (Speed) 

* తిర్యక్‌ లేదా అనుదైర్ఘ్య తరంగమైన యాంత్రిక తరంగం వడి ప్రధానంగా జడత్వం (గతిజ శక్తిని నిల్వ చేసేందుకు), స్థితిస్థాపకత (స్థితిజశక్తిని నిల్వ చేసేందుకు)పై ఆధారపడుతుంది.

E = స్థితి స్థాపక గుణకం,d = సాంద్రత

*  ధ్వని వేగం ఘన పదార్థాల్లో అత్యధికంగా, వాయువుల్లో అత్యల్పంగా ఉంటుంది.

V _ఘన ˃V _{ద్రవ ˃} V_{వాయువు}
 

γ = యంగ్‌ గుణకం

 

K = స్థూల గుణకం

న్యూటన్‌ ప్రతిపాదించారు. న్యూటన్‌ ప్రకారం, గాలిలో ధ్వని ప్రసారం సమోష్ణోగ్రత (Isothermal) ప్రక్రియ. కానీ, న్యూటన్‌ సమీకరణం, ప్రయోగ ఫలితాలతో ఏకీభవించలేదు.
 

దీని ప్రకారం ధ్వని ప్రసారం స్థిరోష్ణక (adiabatic) ప్రక్రియ ఇక్కడ, 

γ = వాయువు విశిష్టోష్ణాల నిష్పత్తి.
 

 

R = వాయు స్థిరాంకం, T = వాయు ఉష్ణోగ్రత (కెల్విన్‌లో), M = వాయువు ద్రవ్యరాశి

* వాయువుల్లో ధ్వని వేగం పరమ ఉష్ణోగ్రత(Absolute temperature) తో పెరుగుతుంది.

* O^OC వద్ద గాలిలో ధ్వని వేగం 

v₀ = 331.5 m/s 

t⁰C వద్ద గాలిలో ధ్వని వేగం 

* ప్రతి 1⁰C ఉష్ణోగ్రతలో పెరుగుదలకు గాలిలో ధ్వని వేగం 0.61 m/sపెరుగుతుంది.

v_t = v₀ + 0.61 t 

* గాలిలో తేమ శాతం పెరిగితే, ధ్వని వేగం పెరుగుతుంది. అధిక ఆర్థ్రత, ఉష్ణోగ్రతల వల్ల వేసవిలో ధ్వని వేగం అధికంగా ఉంటుంది.

* వాయువుల్లో ధ్వని వేగం పీడనంపై ఆధారపడదు, ఎందుకంటే 

సమీకరణంలోp విలువ మార్పుతో d కూడా మారుతుంది. అయితే p / d విలువ మాత్రం మారదు. 

కాబట్టి బరువైన వాయువులతో పోలిస్తే, తేలికైన వాయువుల్లో ధ్వని వేగం ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఆక్సిజన్‌ కంటే హైడ్రోజన్‌లో ధ్వనివేగం 4 రెట్లు ఎక్కువ.

వివిధ పదార్థాల్లో ధ్వని వేగం (m/s)  సుమారుగా...

* వజ్రం: 12,000 m/s   * శూన్యం: 0 m/s

* గ్రానైట్‌: 5950 m/s* ఆక్సిజన్‌: 316 m/s

* పైరెక్స్‌ గాజు: 5640 m/s

* స్టీల్‌: 5960 m/s    * నీరు: 1530 m/s

* హైడ్రోజన్‌: 1300  m/s

మాక్‌ సంఖ్య (Mach Number)

* గాలిలో ధ్వని వేగంతో విమానాలు, రాకెట్ల వేగాన్ని పోల్చిచెప్పే వేగం ప్రమాణం మాక్‌ సంఖ్య (M).

M అనేది రెండు వేగాల నిష్పత్తి. ప్రమాణాలు ఉండవు. ఇదొక సంఖ్య మాత్రమే.

* M˂1 అయితే ఆ వస్తువు వేగాన్ని సబ్‌సోనిక్‌ వేగం అంటారు.

*  M = 1 లేదా లీ = 1 కి దగ్గరైతే ఆ వస్తువు వేగాన్ని ట్రాన్‌సోనిక్‌  (Transonic) వేగం అంటారు. 

* M విలువ 1 నుంచి 5 మధ్య ఉండే ఆ వేగాన్ని సూపర్‌సోనిక్‌ వేగం అంటారు. బ్రహ్మోస్‌ సూపర్‌సోనిక్‌ క్రూయిజ్‌ మిస్సైల్‌.

* M > 5 అయితే ఆ వేగాన్ని హైపర్‌సోనిక్‌ వేగం అంటారు.

*  M విలువ 25కి సమీపంలో ఉంటే దాన్ని హై హైపర్‌సోనిక్‌ వేగం అంటారు. రోదసి నుంచి భూ వాతావరణంలోకి తిరిగి వచ్చే (Re-entry) స్పేస్‌షటిల్‌ లేదా ఇతర ఖగోళ వస్తువులు ఈ వేగాలతో ప్రయాణిస్తాయి.

* విమానం లేదా క్షిపణి వేగం సూపర్‌సోనిక్‌ వేగం అయితే దాని చుట్టూ ఉండే గాలి ఒత్తిడికి గురవుతూ  Shock Wavesని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. రీ-ఎంట్రీ సమయంలో అధిక వేగం వల్ల గాలి వేడెక్కి అయనీకరణం చెందిన ప్లాస్మాని ఏర్పరుస్తుంది. షాక్‌ వేవ్స్‌తో ముడిపడిన అత్యధిక తీవ్రమైన ఉరుము లాంటి ధ్వనిని సోనిక్‌బూమ్‌ అంటారు.

వివిధ ధ్వనుల తీవ్రతలు

* ఆరంభ ధ్వని తీవ్రత/ పచ్చగడ్డి కొసల కదలికలు: 0 ్టతీ

* ఉచ్ఛ్వాస, నిశ్వాస: 010 dB

* ఎండుటాకుల ధ్వని: 1020 dB

* గుసగుసలు: 2030 dB

* సాధారణ సంభాషణలు: 5060 dB

* ట్రాఫిక్‌ శబ్దాలు 8090 dB 

* రాక్‌ సంగీతం 100110 dB

*  జెట్‌ విమానం 120130 dB