રોજબરોજ આપણે મનુષ્યો, પક્ષીઓ, ઘંટડીઓ, યંત્રો, વાહનો, ટેલિવિઝન, રેડિયો વગેરે જુદા જુદા સ્ત્રોતો પાસેથી ધ્વનિ સાંભળીએ છીએ. ધ્વનિ એ ઊર્જાનું એક સ્વરૂપ છે જે આપણા કાનમાં સંભાવનાની લાગણી ઉત્પન્ન કરે છે. યાંત્રિક ઊર્જા, પ્રકાશ ઊર્જા વગેરે જેવી અન્ય ઊર્જાના સ્વરૂપો પણ છે. અગાઉના પ્રકરણોમાં આપણે યાંત્રિક ઊર્જા વિશે વાત કરી છે. તમને ઊર્જા સંરક્ષણ વિશે શીખવવામાં આવ્યું છે, જે જણાવે છે કે આપણે ઊર્જા ન તો સર્જી શકીએ છીએ અને ન તો નાશ કરી શકીએ છીએ. આપણે તેને ફક્ત એક સ્વરૂપથી બીજા સ્વરૂપમાં બદલી શકીએ છીએ. જ્યારે તમે તાળી પાડો છો, ત્યારે ધ્વનિ ઉત્પન્ન થાય છે. શું તમે તમારી ઊર્જાનો ઉપયોગ કર્યા વિના ધ્વનિ ઉત્પન્ન કરી શકો છો? ધ્વનિ ઉત્પન્ન કરવા માટે તમે કઈ ઊર્જાના સ્વરૂપનો ઉપયોગ કર્યો? આ પ્રકરણમાં આપણે શીખવાના છીએ કે ધ્વનિ કેવી રીતે ઉત્પન્ન થાય છે અને તે કેવી રીતે માધ્યમ દ્વારા પ્રસારિત થાય છે અને આપણા કાન દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે.

11.1 ધ્વનિનું ઉત્પાદન

પ્રવૃત્તિ 11.1

• એક ટ્યૂનિંગ ફોર્ક લો અને તેના પ્રોંગને રબર પેડ પર ઠોકીને તેને કંપિત કરો. તેને તમારા કાનની નજીક લાવો.

• શું તમે કોઈ ધ્વનિ સાંભળો છો?

• તમારી આંગળીથી કંપિત ટ્યૂનિંગ ફોર્કના એક પ્રોંગને સ્પર્શ કરો અને તમારા અનુભવને તમારા મિત્રો સાથે શેર કરો.

• હવે, ટેબલ ટેનિસ બોલ અથવા નાના પ્લાસ્ટિક બોલને થ્રેડ દ્વારા સપોર્ટ પરથી લટકાવો [એક મોટી સોય અને થ્રેડ લો, થ્રેડના એક છેડે ગાંઠ મારો, અને પછી સોયની મદદથી થ્રેડને બોલમાંથી પસાર કરો]. કંપિત ટ્યૂનિંગ ફોર્કના પ્રોંગથી બોલને હળવેથી સ્પર્શ કરો (ફિગ. 11.1).

• શું થાય છે તે જુઓ અને તમારા મિત્રો સાથે ચર્ચા કરો.

ફિગ. 11.1: લટકતા ટેબલ ટેનિસ બોલને માત્ર સ્પર્શતું કંપિત ટ્યૂનિંગ ફોર્ક.

પ્રવૃત્તિ 11.2

• બીકર અથવા ગ્લાસમાં કિનારી સુધી પાણી ભરો. ફિગ. 11.2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, કંપિત ટ્યૂનિંગ ફોર્કના એક પ્રોંગથી પાણીની સપાટીને હળવેથી સ્પર્શ કરો.

• આગળ, ફિગ. 11.3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, કંપિત ટ્યૂનિંગ ફોર્કના પ્રોંગને પાણીમાં ડુબાડો.

• બંને કિસ્સાઓમાં શું થાય છે તે જુઓ.

• આવું શા માટે થાય છે તે તમારા મિત્રો સાથે ચર્ચા કરો.

ફિગ. 11.2: કંપિત ટ્યૂનિંગ ફોર્કનો એક પ્રોંગ પાણીની સપાટીને સ્પર્શ કરે છે.

ફિગ. 11.3: કંપિત ટ્યૂનિંગ ફોર્કના બંને પ્રોંગ પાણીમાં ડૂબેલા છે

ઉપરોક્ત પ્રવૃત્તિઓ પરથી તમે શું તારણ કાઢો છો? શું તમે કંપિત પદાર્થ વિના ધ્વનિ ઉત્પન્ન કરી શકો છો?

ઉપરોક્ત પ્રવૃત્તિઓમાં આપણે ટ્યૂનિંગ ફોર્કને ઠોકીને ધ્વનિ ઉત્પન્ન કર્યો છે. આપણે વિવિધ પદાર્થોને ખેંચીને, ખંજવાળીને, ઘસીને, ફૂંક મારીને અથવા હલાવીને પણ ધ્વનિ ઉત્પન્ન કરી શકીએ છીએ. ઉપરોક્ત પ્રવૃત્તિઓ મુજબ આપણે પદાર્થો સાથે શું કરીએ છીએ? આપણે પદાર્થોને કંપિત કરીએ છીએ અને ધ્વનિ ઉત્પન્ન કરીએ છીએ. કંપન એટલે પદાર્થની એક પ્રકારની ઝડપી આગળ-પાછળની ગતિ. માનવ અવાજનો ધ્વનિ સ્વર તંતુઓમાં કંપનને કારણે ઉત્પન્ન થાય છે. જ્યારે પક્ષી પોતાનાં પાંખો ફફડાવે છે, ત્યારે શું તમે કોઈ ધ્વનિ સાંભળો છો? મધમાખી સાથે સંકળાયેલો ગુંજારવ કેવી રીતે ઉત્પન્ન થાય છે તે વિચારો. ખેંચેલી રબર બેન્ડ જ્યારે ખેંચવામાં આવે છે ત્યારે કંપિત થાય છે અને ધ્વનિ ઉત્પન્ન કરે છે. જો તમે આ ક્યારેય કર્યું ન હોય, તો તે કરો અને ખેંચેલી રબર બેન્ડના કંપનને જુઓ.

પ્રવૃત્તિ 11.3

• વિવિધ પ્રકારના સંગીત વાદ્યોની યાદી બનાવો અને તમારા મિત્રો સાથે ચર્ચા કરો કે વાદ્યનો કયો ભાગ ધ્વનિ ઉત્પન્ન કરવા માટે કંપિત થાય છે.

11.2 ધ્વનિનું પ્રસારણ

ધ્વનિ કંપિત પદાર્થો દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. જે પદાર્થ અથવા દ્રવ્ય દ્વારા ધ્વનિ પ્રસારિત થાય છે તેને માધ્યમ કહેવામાં આવે છે. તે ઘન, પ્રવાહી અથવા વાયુ હોઈ શકે છે. ધ્વનિ માધ્યમ દ્વારા ઉત્પાદનના બિંદુથી શ્રોતા સુધી ફેલાય છે. જ્યારે કોઈ પદાર્થ કંપિત થાય છે, ત્યારે તે તેની આસપાસના માધ્યમના કણોને કંપિત કરે છે. કણો કંપિત પદાર્થથી કાન સુધી બધા માર્ગે પ્રવાસ કરતા નથી. કંપિત પદાર્થની સંપર્કમાં આવેલા માધ્યમનો એક કણ પ્રથમ તેની સંતુલન સ્થિતિથી વિસ્થાપિત થાય છે. તે પછી તે પડોશી કણ પર બળ લાગુ પાડે છે. જેના પરિણામે પડોશી કણ તેની વિશ્રાંતિની સ્થિતિથી વિસ્થાપિત થાય છે. પડોશી કણને વિસ્થાપિત કર્યા પછી પ્રથમ કણ તેની મૂળ સ્થિતિ પર પાછો આવે છે. આ પ્રક્રિયા માધ્યમમાં ત્યાં સુધી ચાલુ રહે છે જ્યાં સુધી ધ્વનિ તમારા કાન સુધી પહોંચે છે. માધ્યમમાં ધ્વનિના સ્ત્રોત દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલું વિક્ષોભ માધ્યમ દ્વારા પ્રવાસ કરે છે અને માધ્યમના કણો નહીં.

તરંગ એ એક વિક્ષોભ છે જે માધ્યમમાંથી ત્યારે પસાર થાય છે જ્યારે માધ્યમના કણો પડોશી કણોને ગતિમાં સેટ કરે છે. તેઓ બદલામાં અન્યમાં સમાન ગતિ ઉત્પન્ન કરે છે. માધ્યમના કણો પોતે આગળ નથી વધતા, પરંતુ વિક્ષોભ આગળ લઈ જવામાં આવે છે. માધ્યમમાં ધ્વનિના પ્રસારણ દરમિયાન આવું જ થાય છે, તેથી ધ્વનિને તરંગ તરીકે કલ્પી શકાય છે. ધ્વનિ તરંગો માધ્યમમાં કણોની ગતિ દ્વારા વર્ગીકૃત થાય છે અને તેમને યાંત્રિક તરંગો કહેવામાં આવે છે.

હવા એ સૌથી સામાન્ય માધ્યમ છે જેના દ્વારા ધ્વનિ પ્રવાસ કરે છે. જ્યારે કંપિત પદાર્થ આગળ વધે છે, ત્યારે તે તેની સામેની હવાને ધકેલે છે અને સંકુચિત કરે છે જે ઊંચા દબાણનો પ્રદેશ બનાવે છે. આ પ્રદેશને સંકોચન (C) કહેવામાં આવે છે, જેમ કે ફિગ. 11.4 માં બતાવ્યા છે. આ સંકોચન કંપિત પદાર્થથી દૂર જવાનું શરૂ કરે છે. જ્યારે કંપિત પદાર્થ પાછળની તરફ વધે છે, ત્યારે તે ઓછા દબાણનો પ્રદેશ બનાવે છે જેને વિરલન (R) કહેવામાં આવે છે, જેમ કે ફિગ. 11.4 માં બતાવ્યા છે. જેમ જેમ પદાર્થ ઝડપથી આગળ અને પાછળ ફરે છે, તેમ હવામાં સંકોચન અને વિરલનની શ્રેણી બનાવવામાં આવે છે. આ ધ્વનિ તરંગ બનાવે છે જે માધ્યમ દ્વારા પ્રસારિત થાય છે.

ફિગ. 11.4: માધ્યમમાં સંકોચન $(C)$ અને વિરલન $(R)$ની શ્રેણી બનાવતો કંપિત પદાર્થ.

સંકોચન એ ઊંચા દબાણનો પ્રદેશ છે અને વિરલન એ ઓછા દબાણનો પ્રદેશ છે. દબાણ આપેલા કદમાં માધ્યમના કણોની સંખ્યા સાથે સંબંધિત છે. માધ્યમમાં કણોની વધુ ઘનતા વધુ દબાણ આપે છે અને ઊલટું. આમ, ધ્વનિના પ્રસારણને માધ્યમમાં ઘનતાના ફેરફારો અથવા દબાણના ફેરફારોના પ્રસારણ તરીકે કલ્પી શકાય છે.

11.2.1 ધ્વનિ તરંગો રેખાંગ તરંગો છે

પ્રવૃત્તિ 11.4

• એક સ્લિંકી લો. તમારા મિત્રને એક છેડો પકડવા કહો. તમે બીજો છેડો પકડો.

• હવે ફિગ. 11.5(a) માં બતાવ્યા પ્રમાણે સ્લિંકીને ખેંચો. પછી તેને તમારા મિત્ર તરફ તીવ્ર ધક્કો આપો.

• તમે શું નોંધો છો? જો તમે તમારો હાથ ખસેડીને સ્લિંકીને વૈકલ્પિક રીતે ધકેલો અને ખેંચો, તો તમે શું જોશો?

• જો તમે સ્લિંકી પર એક બિંદુ ચિહ્નિત કરો છો, તો તમે જોશો કે સ્લિંકી પરનું બિંદુ વિક્ષોભના પ્રસારણની દિશાની સમાંતર આગળ અને પાછળ ફરશે.

(a)

(b)

ફિગ. 11.5: સ્લિંકીમાં રેખાંગ તરંગ.

જે પ્રદેશોમાં કોઇલ્સ નજીક આવે છે તેને સંકોચન (C) કહેવામાં આવે છે અને જે પ્રદેશોમાં કોઇલ્સ વધુ દૂર હોય છે તેને વિરલન (R) કહેવામાં આવે છે. જેમ આપણે પહેલાથી જ જાણીએ છીએ, ધ્વનિ માધ્યમમાં સંકોચન અને વિરલનની શ્રેણી તરીકે પ્રસારિત થાય છે. હવે, આપણે સ્લિંકીમાં વિક્ષોભના પ્રસારણની માધ્યમમાં ધ્વનિના પ્રસારણ સાથે તુલના કરી શકીએ છીએ. આ તરંગોને રેખાંગ તરંગો કહેવામાં આવે છે. આ તરંગોમાં માધ્યમના વ્યક્તિગત કણો વિક્ષોભના પ્રસારણની દિશાની સમાંતર દિશામાં ફરે છે. કણો એક સ્થાનથી બીજા સ્થાને નથી જતા પરંતુ તેઓ ફક્ત તેમની વિશ્રાંતિની સ્થિતિની આસપાસ આગળ અને પાછળ દોલન કરે છે. ધ્વનિ તરંગ બરાબર આ રીતે જ પ્રસારિત થાય છે, તેથી ધ્વનિ તરંગો રેખાંગ તરંગો છે.

ત્યાં એક અન્ય પ્રકારનું તરંગ પણ છે, જેને આડું તરંગ કહેવામાં આવે છે. આડા તરંગમાં કણો તરંગ પ્રસારણની દિશા સાથે દોલન કરતા નથી પરંતુ તરંગ પ્રવાસ કરે છે તેમ તેમ તેમની સરેરાશ સ્થિતિની આસપાસ ઉપર અને નીચે દોલન કરે છે. આમ, આડું તરંગ એ એવું છે જેમાં માધ્યમના વ્યક્તિગત કણો તરંગ પ્રસારણની દિશાને લંબરૂપ દિશામાં તેમની સરેરાશ સ્થિતિઓની આસપાસ ફરે છે. જ્યારે આપણે તળાવમાં એક કાંકરી નાખીએ છીએ, ત્યારે તમે પાણીની સપાટી પર જે તરંગો જુઓ છો તે આડા તરંગનું ઉદાહરણ છે. પ્રકાશ એક આડું તરંગ છે પરંતુ પ્રકાશ માટે, દોલન માધ્યમના કણો અથવા તેમના દબાણ અથવા ઘનતાના નથી - તે યાંત્રિક તરંગ નથી. તમે ઉચ્ચ વર્ગોમાં આડા તરંગો વિશે વધુ જાણશો.

11.2.2 ધ્વનિ તરંગની લાક્ષણિકતાઓ

આપણે ધ્વનિ તરંગને તેના દ્વારા વર્ણવી શકીએ છીએ

• આવૃત્તિ
• કંપવિસ્તાર અને
• ઝડપ.

ગ્રાફિક સ્વરૂપમાં ધ્વનિ તરંગ ફિગ. 11.6(c) માં બતાવવામાં આવ્યો છે, જે દર્શાવે છે કે જ્યારે ધ્વનિ તરંગ માધ્યમમાં ફરે છે ત્યારે ઘનતા અને દબાણ કેવી રીતે બદલાય છે. આપેલ સમયે માધ્યમની ઘનતા તેમજ દબાણ, ઘનતા અને દબાણના સરેરાશ મૂલ્યથી ઉપર અને નીચે, અંતર સાથે બદલાય છે. ફિગ. 11.6(a) અને

ફિગ. 11.6(b) અનુક્રમે ઘનતા અને દબાણના ફેરફારોને દર્શાવે છે, કારણ કે ધ્વનિ તરંગ માધ્યમમાં પ્રસારિત થાય છે.

સંકોચન એ પ્રદેશો છે જ્યાં કણો એકબીજાની નજીક ભેગા થાય છે અને ફિગ. 11.6(c) માં વક્રના ઉપરના ભાગ દ્વારા રજૂ કરવામાં આવે છે. શિખર મહત્તમ સંકોચનના પ્રદેશનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. આમ, સંકોચન એ પ્રદેશો છે જ્યાં ઘનતા તેમજ દબાણ ઊંચું છે. વિરલન એ ઓછા દબાણના પ્રદેશો છે જ્યાં કણો ફેલાયેલા હોય છે અને ખીણ દ્વારા રજૂ થાય છે, એટલે કે, ફિગ. 11.6(c) માં વક્રનો નીચેનો ભાગ. શિખરને તરંગનો શિખર કહેવામાં આવે છે અને ખીણને તરંગની ખીણ કહેવામાં આવે છે.

બે ક્રમિક સંકોચન (C) અથવા બે ક્રમિક વિરલન (R) વચ્ચેનું અંતર તરંગલંબાઈ કહેવાય છે, જેમ કે ફિગ. 11.6(c) માં બતાવ્યા છે, તરંગલંબાઈ સામાન્ય રીતે $\lambda$ (ગ્રીક અક્ષર લેમ્બડા) દ્વારા રજૂ થાય છે. તેનો SI એકમ મીટર (m) છે.

હેનરિચ રુડોલ્ફ હર્ટ્ઝનો જન્મ 22 ફેબ્રુઆરી 1857 ના રોજ જર્મનીના હેમ્બર્ગમાં થયો હતો અને તેમનું શિક્ષણ બર્લિન યુનિવર્સિટીમાં થયું હતું. તેમણે તેમના પ્રયોગો દ્વારા જે.સી. મેક્સવેલના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સિદ્ધાંતની પુષ્ટિ કરી. તેમણે રેડિયો, ટેલિફોન, ટેલિગ્રાફ અને ટેલિવિઝનના ભવિષ્યના વિકાસ માટે પાયો નાખ્યો. તેમણે ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરની પણ શોધ કરી જેની સમજણ પછીથી આલ્બર્ટ આઇન્સ્ટાઇન દ્વારા આપવામાં આવી હતી. આવૃત્તિના SI એકમનું નામ તેમના સન્માનમાં હર્ટ્ઝ રાખવામાં આવ્યું હતું.

આવૃત્તિ આપણને જણાવે છે કે ઘટના કેટલી વાર થાય છે. ધારો કે તમે ડ્રમ વગાડી રહ્યા છો. તમે એકમ સમયમાં ડ્રમ કેટલી વાર વગાડો છો તેને તમારા ડ્રમ વગાડવાની આવૃત્તિ કહેવામાં આવે છે. આપણે જાણીએ છીએ કે જ્યારે ધ્વનિ માધ્યમ દ્વારા પ્રસારિત થાય છે, ત્યારે

ફિગ. 11.6: ધ્વનિ ઘનતા અથવા દબાણના ફેરફારો તરીકે પ્રસારિત થાય છે જેમ કે (a) અને (b) માં બતાવ્યા છે, (c) ગ્રાફિકલી ઘનતા અને દબાણના ફેરફારોને રજૂ કરે છે.

માધ્યમની ઘનતા મહત્તમ મૂલ્ય અને ન્યૂનતમ મૂલ્ય વચ્ચે દોલન કરે છે. ઘનતામાં મહત્તમ મૂલ્યથી ન્યૂનતમ મૂલ્યમાં ફેરફાર, પછી ફરીથી મહત્તમ મૂલ્યમાં, એક સંપૂર્ણ દોલન બનાવે છે. એકમ સમય દીઠ આવા દોલનોની સંખ્યા ધ્વનિ તરંગની આવૃત્તિ છે. જો આપણે એકમ સમય દીઠ આપણને પસાર થતા સંકોચન અથવા વિરલનની સંખ્યા ગણી શકીએ, તો આપણને ધ્વનિ તરંગની આવૃત્તિ મળશે. તે સામાન્ય રીતે $v$ (ગ્રીક અક્ષર, ન્યૂ) દ્વારા રજૂ થાય છે. તેનો SI એકમ હર્ટ્ઝ (પ્રતીક, Hz) છે.

બે ક્રમિક સંકોચન અથવા વિરલન દ્વારા નિશ્ચિત બિંદુને પાર કરવા માટે લેવાયેલ સમયને તરંગનો આવર્તકાળ કહેવામાં આવે છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, આપણે કહી શકીએ કે ઘનતા અથવા માધ્યમના દબાણના એક સંપૂર્ણ દોલન માટે લેવાયેલ સમયને ધ્વનિ તરંગનો આવર્તકાળ કહેવામાં આવે છે. તેને પ્રતીક $T$ દ્વારા રજૂ કરવામાં આવે છે. તેનો SI એકમ સેકન્ડ (s) છે. આવૃત્તિ અને આવર્તકાળ નીચે પ્રમાણે સંબંધિત છે:

$$ v=\frac{1}{T} $$

વાયોલિન અને ફ્લૂટ બંને ઑર્કેસ્ટ્રામાં એક સાથે વગાડી શકાય છે. બંને ધ્વનિ સમાન માધ્યમ દ્વારા પ્રવાસ કરે છે, એટલે કે, હવા અને એક જ સમયે આપણા કાન સુધી પહોંચે છે. સ્ત્રોતને ધ્યાનમાં લીધા વિના બંને ધ્વનિ સમાન ગતિએ પ્રવાસ કરે છે. પરંતુ આપણે જે ધ્વનિ પ્રાપ્ત કરીએ છીએ તે અલગ છે. આ ધ્વનિ સાથે સંકળાયેલી વિવિધ લાક્ષણિકતાઓને કારણે છે. પિચ એ લાક્ષણિકતાઓમાંની એક છે.

મગજ ઉત્સર્જિત ધ્વનિની આવૃત્તિનું અર્થઘટન કેવી રીતે કરે છે તેને તેની પિચ કહેવામાં આવે છે. સ્ત્રોતનું કંપન જેટલું ઝડપી હોય છે