1 ध्वनि का उत्पादन
ध्वनि कंपन से उत्पन्न होती है: किसी वस्तु की आवर्ती आगे-पीछे गति। कंपन करने वाली वस्तु ध्वनि का स्रोत कहलाती है।
खुले डिब्बे पर तनी रबड़ बैंड को खींचिए, वह कंपन करती है और ध्वनि देती है; कंपन रुकते ही ध्वनि भी रुक जाती है। यही विचार तनी डोरी, ठोकी गई धातु की प्लेट, या बाँसुरी के अंदर कंपन करती हवा को समझाता है।
मनुष्यों और कई जानवरों में ध्वनि स्वर रज्जु (vocal cords) से आती है: स्वर यंत्र (larynx) में कसकर तनी माँसपेशी की परतें। फिर जीभ, होंठ, मुँह और नाक गुहा उस ध्वनि को बोली या गीत का आकार देते हैं। इसके विपरीत, टिड्डे और झींगुर अपने पंख या टाँगें रगड़कर ध्वनि बनाते हैं।
मेघालय के कोंगथोंग गाँव को व्हिसलिंग विलेज कहा जाता है, जहाँ जन्म के समय हर व्यक्ति को एक अनूठा गाया या सीटी में बजाया जाने वाला “सुर-नाम” दिया जाता है, इस परंपरा को जिंग्रवाई इवबेई कहते हैं।
1.1 स्वरित्र द्विभुज
स्वरित्र द्विभुज (tuning fork) डंडी सहित U-आकार की धातु की छड़ है; इसकी दोनों भुजाएँ शूल (prongs) कहलाती हैं। किसी शूल को रबड़ पैड पर ठोकने से वह कंपन करने लगती है: कंपन करती शूल को पानी की सतह से छुआइए, लहरें बनती दिखेंगी, यह पुख्ता सबूत है कि वह सचमुच कंपन कर रही है, भले ही वह गति देखने के लिए बहुत तेज़ हो।
2 ध्वनि का संचरण
जिस पदार्थ से होकर ध्वनि चलती है वह उसका माध्यम है। जहाँ बिल्कुल कोई पदार्थ न हो, वह निर्वात है।
मेज़ पर हल्के से खटखटाइए और हवा में कान लगाकर सुनिए, फिर कान मेज़ से सटाकर फिर सुनिए: ठोस लकड़ी से होकर आती ध्वनि साफ़ सुनाई देती है, यह साबित करता है कि ध्वनि ठोस में चलती है। पानी के अंदर दो चम्मच टकराइए, ध्वनि तब भी आपतक पहुँचती है, यह साबित करता है कि यह द्रव में भी चलती है।
प्रसिद्ध निर्वात घंटी जार प्रयोग साबित करता है कि ध्वनि को माध्यम चाहिए: जार के अंदर बजती विद्युत घंटी की आवाज़ जैसे-जैसे हवा पंप से निकाली जाती है, धीमी होती जाती है, और निर्वात के पास पहुँचते-पहुँचते लगभग सुनाई नहीं देती, भले ही घंटी बजती हुई दिखती रहे। वापस हवा जाने देने पर आवाज़ फिर आ जाती है। यही वजह है कि अंतरिक्ष में चहलकदमी करते अंतरिक्षयात्री एक-दूसरे को सीधे नहीं सुन सकते और उन्हें रेडियो उपकरण का उपयोग करना पड़ता है।
3 ध्वनि तरंगें
फर्श पर स्लिंकी (लचीली धातु या प्लास्टिक की स्प्रिंग) फैलाइए और एक सिरे को तेज़ी से आगे धकेलकर वापस खींचिए: एक क्षेत्र जहाँ कुंडलियाँ पास-पास आ जाती हैं (आपसे दूर जाते हुए) और एक जहाँ वे फैल जाती हैं, दोनों इसकी लंबाई में चलते हैं, भले ही स्लिंकी पर निशान लगा बिंदु केवल अपनी जगह पर आगे-पीछे हिलता है। ध्वनि के लिए बिल्कुल यही तस्वीर है।
संपीडन (compression) वह क्षेत्र है जहाँ माध्यम का घनत्व औसत से अधिक होता है; विरलन (rarefaction) वह क्षेत्र है जहाँ यह कम होता है। ध्वनि तरंग बारी-बारी आने वाले संपीडन और विरलन की गड़बड़ी है जो माध्यम से गुज़रती है, बिना माध्यम के कणों के असल में साथ चले।
माध्यम के कण ध्वनि तरंग के साथ नहीं चलते। हर कण केवल अपनी तय औसत स्थिति के आसपास दोलन करता है; जो आगे बढ़ता है वह गड़बड़ी है, और उसके साथ चलती ऊर्जा।
अनुदैर्घ्य तरंग में कण तरंग की दिशा के समांतर दोलन करते हैं। ध्वनि एक अनुदैर्घ्य तरंग है, और चूँकि इसे भौतिक माध्यम चाहिए, इसे यांत्रिक तरंग भी कहते हैं।
अनुदैर्घ्य तरंग
- कण संचरण के समांतर दोलन करते हैं
- ध्वनि इसका मानक उदाहरण है
- संपीडन और विरलन के रूप में दिखती है
अनुप्रस्थ तरंग
- कण संचरण के लंबवत दोलन करते हैं
- प्रकाश इसका मानक उदाहरण है
- प्रकाश को माध्यम नहीं चाहिए, इसलिए यह निर्वात पार करता है
बिंदु स्रोत हर दिशा में बराबर संपीडन और विरलन भेजता है, इसलिए इसके तरंगाग्र गोलाकार होते हैं। यही वजह है कि पटाखे या बादल की गड़गड़ाहट में अचानक गैस के फैलने से तेज़ ध्वनि की तरंग बनती है, और सुपरसोनिक विमान से ध्वनि विस्फोट (सोनिक बूम) बनता है।
4 ध्वनि तरंगों की ऊर्जा
चौड़े मुँह वाले बर्तन पर पतली चादर कसकर बाँधिए और उस पर कुछ दाने बिखेर दीजिए। बिना छुए पास में तेज़ ध्वनि कीजिए, दाने साफ़ उछलते दिखेंगे। ध्वनि तरंग चादर को कंपाती है, और चादर का कंपन दानों को हिलाता है: ध्वनि साफ़ तौर पर अपने स्रोत से ऊर्जा ले जा रही है।
माइक्रोफोन ध्वनि ऊर्जा को विद्युत संकेत में बदलता है, एक झिल्ली (डायाफ्राम) को कंपाकर; स्पीकर उल्टा काम करता है, विद्युत संकेत से एक शंकु को कंपाकर ध्वनि बनाता है।
5 तरंगदैर्घ्य, आवृत्ति, आवर्तकाल और चाल
प्रश्न. माध्यम में किसी स्थिर बिंदु पर 2 सेकंड में 10 घनत्व दोलन होते हैं। आवृत्ति और आवर्तकाल ज्ञात कीजिए।
5 Hz 0.2 s
प्रश्न. मानव सुनने की सीमा 20 Hz से 20,000 Hz तक है। हवा में दोनों तरंगदैर्घ्य ज्ञात कीजिए (चाल = 344 m/s)।
17.2 मी (20 Hz पर) 1.72 सेमी (20,000 Hz पर)
प्रश्न. बिजली चमकने के 5s बाद गर्जन सुनाई देती है (प्रकाश लगभग तुरंत पहुँचता है)। ध्वनि की चाल 340 m/s मानकर दूरी अनुमानित कीजिए।
दूरी 1700 मी (1.7 किमी)
| माध्यम | 15°C पर ध्वनि की लगभग चाल |
|---|---|
| इस्पात (ठोस) | 5000 m/s |
| पानी (द्रव) | 1500 m/s |
| हवा (गैस) | 340 m/s |
ध्वनि ठोस में सबसे तेज़, द्रव में उससे धीमी, और गैस में सबसे धीमी चलती है, क्योंकि ठोस में कण सबसे कसकर पैक होते हैं और गड़बड़ी को सबसे तेज़ी से आगे बढ़ा सकते हैं। हवा में विशेष रूप से, चाल तापमान और आर्द्रता के साथ बढ़ती है: 0°C पर लगभग 331 m/s, 22°C पर 344 m/s। किसी एक माध्यम में चाल केवल माध्यम पर निर्भर करती है, स्रोत या आवृत्ति पर नहीं: आवृत्ति बदलने पर तरंगदैर्घ्य बदलता है, चाल स्थिर रहती है।
आयाम औसत घनत्व की तुलना में संपीडन (या विरलन) में अधिकतम घनत्व परिवर्तन है। तीव्रता तरंग के लंबवत प्रति इकाई क्षेत्रफल, प्रति इकाई समय पार करने वाली ध्वनि ऊर्जा की मात्रा है।
बड़ा आयाम अधिक ऊर्जा ले जाता है। चूँकि यह ऊर्जा तरंग के बाहर जाते-जाते बड़े और बड़े गोले पर फैलती है, स्रोत से दूरी बढ़ने पर तीव्रता हमेशा घटती है, भले ही कुल ऊर्जा संरक्षित रहे।
| भौतिक राशि | यह कैसे महसूस होती है |
|---|---|
| आवृत्ति | तारत्व (pitch): अधिक आवृत्ति तीखी लगती है (उच्च तारत्व); कम आवृत्ति गहरी लगती है (निम्न तारत्व) |
| आयाम | प्रबलता (loudness): बड़ा आयाम अधिक तेज़ सुनाई देता है, व्यावहारिक रूप से डेसिबल (dB) में मापा जाता है |
प्रबलता और तीव्रता एक बात नहीं हैं। तीव्रता एक वस्तुनिष्ठ, मापने योग्य राशि है; प्रबलता श्रोता का अपना, व्यक्तिपरक अनुभव है।
मानव सुनने की सीमा लगभग 20 Hz से 20,000 Hz (20 kHz) है। 20 Hz से कम ध्वनि अवश्रव्य है; 20 kHz से अधिक ध्वनि पराश्रव्य है। कुत्ते, बिल्ली, चमगादड़ और डॉल्फिन पराश्रव्य सुन सकते हैं; हाथी अवश्रव्य सुन सकते हैं।
स्वर (tone) एक ही आवृत्ति की ध्वनि है, जैसे स्वरित्र द्विभुज या सीटी। संगीतमय सुर (note) एक निम्नतम मूल आवृत्ति (fundamental) को ऊँची अधिस्वरकों (overtones) के साथ मिलाता है, और यही सटीक मिश्रण किसी वाद्य को उसका अलग ध्वनि-गुण (timbre) देता है, इसीलिए एक ही सुर बजाती बाँसुरी और सितार बिल्कुल अलग सुनाई देते हैं। सप्तक (octave) किसी आवृत्ति और ठीक उसकी दोगुनी आवृत्ति के बीच का अंतराल है।
सी.वी. रमन, जिन्होंने प्रकाश में रमन प्रभाव के लिए भारत का पहला विज्ञान नोबेल पुरस्कार जीता, ने तबला और मृदंगम जैसे भारतीय ढोलों की समृद्ध ध्वनि का भी अध्ययन किया। दोनों वाद्यों के ढोल-पटल के केंद्र में एक काला लेप होता है जिसे स्याही कहते हैं, जो झिल्ली के कंपन को बदलकर असाधारण स्वर-नियंत्रण देता है।
7 ध्वनि का परावर्तन
ध्वनि प्रकाश जैसे ही नियम से कठोर सतहों से परावर्तित होती है: आपतन कोण परावर्तन कोण के बराबर होता है, दोनों अभिलंब से मापे जाते हैं, और आपतित किरण, परावर्तित किरण व अभिलंब एक ही तल में होते हैं।
7.1 प्रतिध्वनि
प्रतिध्वनि (echo) परावर्तित ध्वनि है जो मूल ध्वनि से अलग सुनाई देती है। मस्तिष्क को सीधी और परावर्तित ध्वनि के बीच कम से कम 0.1 s का अंतर चाहिए ताकि वे दो अलग ध्वनियों जैसी सुनाई दें।
ध्वनि की चाल 340 m/s मानें तो 0.1s में ध्वनि मी चलती है। यह परावर्तक सतह तक जाने और वापस आने की कुल दूरी है, इसलिए साफ़ प्रतिध्वनि के लिए न्यूनतम दूरी इसका आधा है: 17 मी।
प्रश्न. ताली बजाने के 0.5s बाद प्रतिध्वनि सुनाई देती है, ध्वनि की चाल 340 m/s है। दीवार से दूरी ज्ञात कीजिए।
दूरी 85 मी
कठोर, चिकनी सतहें ध्वनि को अच्छी तरह परावर्तित करती हैं और साफ़ प्रतिध्वनि देती हैं; पर्दे जैसी नरम सतहें ध्वनि सोख लेती हैं; खुरदरी सतहें उसे कई दिशाओं में बिखेर देती हैं, इसलिए वह कभी साफ़ प्रतिध्वनि बनकर वापस नहीं आती।
7.2 अनुरणन
अनुरणन (reverberation) किसी बड़े बंद स्थान की दीवारों से बार-बार परावर्तन के कारण ध्वनि का बने रहना है, जो तब होता है जब परावर्तन 0.05 s से कम अंतराल में आते हैं।
सभागार जान-बूझकर सोखने वाले पैनल, गद्देदार कुर्सियों और पर्दों के साथ बनाए जाते हैं ताकि अनुरणन नियंत्रित रहे और भाषण व संगीत धुँधले होने के बजाय साफ़ सुनाई दें।
कर्नाटक के बीजापुर स्थित गोल गुम्बज़ की व्हिस्परिंग गैलरी इतनी सटीक ध्वनिक डिज़ाइन से बनी है कि हल्की-सी फुसफुसाहट भी उसके विशाल गुंबद में कई जगहों पर साफ़ सुनाई दे जाती है।
8 पराश्रव्य और अवश्रव्य तरंगें: अनुप्रयोग
| तरंग प्रकार | अनुप्रयोग |
|---|---|
| अवश्रव्य (20 Hz से कम) | भूकंप, ज्वालामुखी विस्फोट और तेज़ तूफान पहचानना, क्योंकि ये हवा और पृथ्वी में बहुत दूर तक चलती हैं |
| पराश्रव्य (20 kHz से अधिक) | अल्ट्रासोनोग्राफी (अंगों की इमेजिंग), गुर्दे की पथरी तोड़ना, पराश्रव्य वेल्डिंग व सफ़ाई, धातु में दोष पहचानना, पानी के अंदर वस्तुएँ ढूँढना |
प्रतिध्वनि द्वारा स्थान निर्धारण (echolocation) परावर्तित ध्वनि तरंगों से वस्तुएँ ढूँढना है। चमगादड़ छोटी पराश्रव्य फुहारें छोड़ते हैं और प्रतिध्वनि महसूस करके अँधेरे में शिकार ढूँढते और बाधाओं से बचते हैं; डॉल्फिन, व्हेल और कुछ पक्षी भी यही करते हैं।
सोनार (SONAR: Sound Navigation And Ranging) पानी के अंदर यही विचार लगाता है: पराश्रव्य तरंगें भेजी जाती हैं, और उनका परावर्तन डूबी पनडुब्बी या जहाज़ के मलबे जैसी वस्तु की दूरी, दिशा और चाल बताता है।
प्रश्न. एक नौसैनिक सोनार संकेत 0.90s बाद लौटता है। समुद्री जल में ध्वनि की चाल 1530 m/s है। वस्तु की दूरी ज्ञात कीजिए।
वस्तु तक पहुँचने का समय s
दूरी 688.5 मी
ड्रोन और विमान दिखाई न देने पर भी ऑडियो निगरानी (audio surveillance) से पकड़े जा सकते हैं: संवेदनशील ध्वनि संवेदक उनके मोटर और इंजन की खास कम-आवृत्ति गुंजन पकड़ लेते हैं।
- ध्वनि कंपन से बनती है, और चलने के लिए माध्यम (ठोस, द्रव या गैस) चाहिए; यह निर्वात पार नहीं कर सकती।
- ध्वनि एक अनुदैर्घ्य यांत्रिक तरंग है: बारी-बारी संपीडन-विरलन चलते हैं, माध्यम के कण केवल अपनी जगह दोलन करते हैं।
- तरंगदैर्घ्य (λ, m), आवृत्ति (ν, Hz) और आवर्तकाल (T, s) और से जुड़े हैं।
- ध्वनि की चाल ठोस में सबसे तेज़, फिर द्रव, फिर गैस में; हवा में तापमान बढ़ने पर बढ़ती है।
- आयाम प्रबलता और ले जाई गई ऊर्जा तय करता है; तीव्रता प्रति इकाई क्षेत्रफल प्रति इकाई समय ऊर्जा है, जो दूरी के साथ घटती है।
- आवृत्ति तारत्व के रूप में महसूस होती है; आयाम प्रबलता के रूप में (डेसिबल में मापा जाता है)।
- मानव सुनने की सीमा लगभग 20 Hz से 20 kHz है; इससे नीचे अवश्रव्य, ऊपर पराश्रव्य है।
- प्रतिध्वनि के लिए कम से कम 0.1s और 17 मी की न्यूनतम दूरी चाहिए; अनुरणन तब होता है जब परावर्तन 0.05s से कम अंतराल में आएँ।
- प्रतिध्वनि द्वारा स्थान निर्धारण (चमगादड़) और सोनार (पानी के अंदर) दोनों परावर्तित पराश्रव्य तरंगों से दूरी और स्थिति पता करते हैं।
- 1 अंकध्वनि उत्पन्न होने का कारण क्या है?
- 1 अंकतरंगदैर्घ्य को परिभाषित कीजिए।
- 1 अंकआवृत्ति का SI मात्रक क्या है?
- 1 अंकमानव सुनने की आवृत्ति सीमा बताइए।
- 1 अंकप्रतिध्वनि क्या है?
- 1 अंकध्वनि किस प्रकार की तरंग है, नाम बताइए।
- 1 अंकSONAR का पूरा नाम क्या है?
- 1 अंकध्वनि तरंग के आयाम को परिभाषित कीजिए।
- 3 अंकनिर्वात घंटी जार प्रयोग का वर्णन कीजिए और बताइए यह क्या साबित करता है।
- 2 अंकप्रतिध्वनि और अनुरणन में अंतर बताइए।
- 3 अंकएक स्रोत 2 सेकंड में 10 दोलन उत्पन्न करता है। उसकी आवृत्ति और आवर्तकाल ज्ञात कीजिए।
- 2 अंकअंतरिक्षयात्री अंतरिक्ष चहलकदमी के दौरान एक-दूसरे को सीधे क्यों नहीं सुन सकते?
- 3 अंकसमझाइए कि ध्वनि की चाल ठोस में सबसे अधिक और गैस में सबसे कम क्यों होती है।
- 2 अंकध्वनि की प्रबलता और तीव्रता में अंतर बताइए।
- 3 अंककिसी ध्वनि की प्रतिध्वनि 0.4s बाद सुनाई देती है। ध्वनि की चाल 340 m/s मानकर परावर्तक सतह की दूरी ज्ञात कीजिए।
- 2 अंकअवश्रव्य और पराश्रव्य तरंगें क्या हैं? हर एक को पहचान सकने वाले एक-एक जानवर का उदाहरण दीजिए।
- 3 अंकसमझाइए कि चमगादड़ अँधेरे में शिकार के लिए प्रतिध्वनि द्वारा स्थान निर्धारण कैसे उपयोग करता है।
- 2 अंकमाध्यम के कण ध्वनि तरंग के साथ क्यों नहीं चलते?
- 5 अंकनामांकित चित्र सहित समझाइए कि हवा से भरी नली में दोलन करता पिस्टन संपीडन और विरलन कैसे बनाता है।
- 5 अंक का संबंध व्युत्पन्न कीजिए और इसका उपयोग करके हवा (चाल 344 m/s) में 20 Hz और 20,000 Hz ध्वनि का तरंगदैर्घ्य ज्ञात कीजिए।
- 5 अंकसोनार की कार्यप्रणाली समझाइए, और समुद्री जल (चाल 1530 m/s) में 0.90s बाद लौटने वाले संकेत से वस्तु की दूरी की गणना कीजिए।
- 5 अंकपराश्रव्य और अवश्रव्य तरंगों के तीन-तीन अनुप्रयोगों का वर्णन कीजिए।
- 5 अंकअनुरणन समझाइए और सभागार इसे नियंत्रित करने के लिए कैसे डिज़ाइन किए जाते हैं।
- 1 अंकसोनार किस प्रकार की तरंग का उपयोग करता है?
- 2 अंकसंकेत को मलबे तक पहुँचने में लगा समय ज्ञात कीजिए।
- 2 अंकमलबे की गहराई की गणना कीजिए।
- 1 अंकध्वनि तरंगें हैं:
(a) अनुप्रस्थ तरंगें(b) अनुदैर्घ्य तरंगें(c) विद्युत चुंबकीय तरंगें(d) तरंगें ही नहीं - 1 अंकसाफ़ प्रतिध्वनि के लिए न्यूनतम दूरी लगभग है:
(a) 5 मी(b) 17 मी(c) 34 मी(d) 50 मी - 1 अंकआवृत्ति मनुष्यों को इस रूप में महसूस होती है:
(a) प्रबलता(b) तारत्व(c) ध्वनि-गुण(d) तीव्रता - 1 अंकध्वनि सबसे तेज़ चलती है:
(a) हवा में(b) पानी में(c) इस्पात में(d) निर्वात में - 1 अंक20 kHz से अधिक की तरंगें कहलाती हैं:
(a) अवश्रव्य(b) पराश्रव्य(c) श्रव्य(d) अनुप्रस्थ - 1 अंकअनुरणन तब होता है जब परावर्तन इतने अंतराल में आएँ:
(a) 0.1 s(b) 0.05 s(c) 1 s(d) 10 s - 1 अंकचाल, तरंगदैर्घ्य और आवृत्ति का संबंध है:
(a) (b) (c) (d)
चुनिए: (a) A और R दोनों सही, R, A की सही व्याख्या करता है; (b) दोनों सही, R व्याख्या नहीं करता; (c) A सही, R गलत; (d) A गलत, R सही।
कारण (R): ध्वनि को चलने के लिए एक माध्यम चाहिए।
कारण (R): माध्यम के अलग-अलग कण तरंग के साथ लगातार आगे चलते हैं।
कारण (R): प्रकाश एक यांत्रिक तरंग है जिसे किसी माध्यम की ज़रूरत नहीं।