प्रतिदिन हम विभिन्न स्रोतों जैसे मनुष्यों, पक्षियों, घंटियों, मशीनों, वाहनों, टेलीविजनों, रेडियो आदि से ध्वनि सुनते हैं। ध्वनि ऊर्जा का एक रूप है जो हमारे कानों में सुनने की संवेदना उत्पन्न करती है। यांत्रिक ऊर्जा, प्रकाश ऊर्जा आदि जैसे ऊर्जा के अन्य रूप भी होते हैं। हमने पिछले अध्यायों में यांत्रिक ऊर्जा के बारे में बात की है। आपको ऊर्जा संरक्षण के बारे में पढ़ाया गया है, जो बताता है कि हम न तो ऊर्जा उत्पन्न कर सकते हैं और न ही नष्ट कर सकते हैं। हम इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में बदल सकते हैं। जब आप ताली बजाते हैं, तो ध्वनि उत्पन्न होती है। क्या आप अपनी ऊर्जा का उपयोग किए बिना ध्वनि उत्पन्न कर सकते हैं? ध्वनि उत्पन्न करने के लिए आपने ऊर्जा के किस रूप का उपयोग किया? इस अध्याय में हम सीखने जा रहे हैं कि ध्वनि कैसे उत्पन्न होती है और यह एक माध्यम से कैसे संचरित होती है और हमारे कानों द्वारा कैसे ग्रहण की जाती है।

11.1 ध्वनि का उत्पादन

क्रियाकलाप 11.1

• एक स्वरित्र द्विभुज लें और इसे रबर पैड पर इसके दोनों शाखाओं को टकराकर कंपित करें। इसे अपने कान के पास लाएँ।

• क्या आप कोई ध्वनि सुनते हैं?

• अपनी उंगली से कंपित स्वरित्र द्विभुज की एक शाखा को छुएं और अपने अनुभव को अपने मित्रों के साथ साझा करें।

• अब, एक सहारे से एक धागे द्वारा एक टेबल टेनिस की गेंद या एक छोटी प्लास्टिक की गेंद को लटकाएं [एक बड़ी सुई और एक धागा लें, धागे के एक सिरे पर गाँठ लगाएं, और फिर सुई की सहायता से गेंद में धागा पिरोएं]। कंपित स्वरित्र द्विभुज की शाखा से गेंद को हल्के से स्पर्श करें (चित्र 11.1)।

• देखें क्या होता है और अपने मित्रों के साथ चर्चा करें।

चित्र 11.1: कंपित स्वरित्र द्विभुज लटकी हुई टेबल टेनिस गेंद को स्पर्श कर रहा है।

क्रियाकलाप 11.2

• एक बीकर या गिलास में किनारे तक पानी भरें। कंपित स्वरित्र द्विभुज की एक शाखा से पानी की सतह को हल्के से स्पर्श करें, जैसा कि चित्र 11.2 में दिखाया गया है।

• अगला, कंपित स्वरित्र द्विभुज की दोनों शाखाओं को पानी में डुबोएं, जैसा कि चित्र 11.3 में दिखाया गया है।

• दोनों ही स्थितियों में क्या होता है, यह देखें।

• अपने मित्रों के साथ चर्चा करें कि ऐसा क्यों होता है।

चित्र 11.2: कंपित स्वरित्र द्विभुज की एक शाखा पानी की सतह को स्पर्श कर रही है।

चित्र 11.3: कंपित स्वरित्र द्विभुज की दोनों शाखाएं पानी में डूबी हुई हैं

उपरोक्त क्रियाकलापों से आप क्या निष्कर्ष निकालते हैं? क्या आप बिना किसी कंपन वाली वस्तु के ध्वनि उत्पन्न कर सकते हैं?

उपरोक्त क्रियाकलापों में हमने स्वरित्र द्विभुज को टकराकर ध्वनि उत्पन्न की है। हम विभिन्न वस्तुओं को खींचकर, खुरचकर, रगड़कर, फूंक मारकर या हिलाकर भी ध्वनि उत्पन्न कर सकते हैं। उपरोक्त क्रियाकलापों के अनुसार हम वस्तुओं के साथ क्या करते हैं? हम वस्तुओं को कंपित करते हैं और ध्वनि उत्पन्न करते हैं। कंपन का अर्थ है किसी वस्तु की एक प्रकार की तीव्र आगे-पीछे की गति। मानव आवाज की ध्वनि स्वर तंतुओं में कंपन के कारण उत्पन्न होती है। जब कोई पक्षी अपने पंख फड़फड़ाता है, तो क्या आप कोई ध्वनि सुनते हैं? सोचें कि मधुमक्खी के साथ आने वाली गुंजन ध्वनि कैसे उत्पन्न होती है। एक तनी हुई रबर बैंड जब खींची जाती है तो कंपन करती है और ध्वनि उत्पन्न करती है। यदि आपने ऐसा कभी नहीं किया है, तो इसे करें और तनी हुई रबर बैंड के कंपन का अवलोकन करें।

क्रियाकलाप 11.3

• विभिन्न प्रकार के वाद्य यंत्रों की एक सूची बनाएं और अपने मित्रों के साथ चर्चा करें कि ध्वनि उत्पन्न करने के लिए वाद्य यंत्र का कौन सा भाग कंपन करता है।

11.2 ध्वनि का संचरण

ध्वनि कंपन करने वाली वस्तुओं द्वारा उत्पन्न होती है। वह पदार्थ या माध्यम जिसके द्वारा ध्वनि संचरित होती है, माध्यम कहलाता है। यह ठोस, तरल या गैस हो सकता है। ध्वनि एक माध्यम से उत्पत्ति के बिंदु से श्रोता तक चलती है। जब कोई वस्तु कंपन करती है, तो यह अपने चारों ओर के माध्यम के कणों को कंपित कर देती है। कण कंपित वस्तु से कान तक पूरे रास्ते यात्रा नहीं करते हैं। कंपित वस्तु के संपर्क में माध्यम का एक कण पहले अपनी साम्यावस्था से विस्थापित होता है। फिर यह आसन्न कण पर एक बल लगाता है। जिसके परिणामस्वरूप आसन्न कण अपनी विराम अवस्था से विस्थापित हो जाता है। आसन्न कण को विस्थापित करने के बाद पहला कण अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाता है। यह प्रक्रिया माध्यम में तब तक चलती रहती है जब तक ध्वनि आपके कान तक नहीं पहुँच जाती। माध्यम में ध्वनि के स्रोत द्वारा उत्पन्न विक्षोभ माध्यम से होकर गुजरता है, माध्यम के कण नहीं।

तरंग एक विक्षोभ है जो माध्यम से होकर तब गुजरती है जब माध्यम के कण पड़ोसी कणों को गति में लाते हैं। वे बदले में दूसरों में समान गति उत्पन्न करते हैं। माध्यम के कण स्वयं आगे नहीं बढ़ते हैं, लेकिन विक्षोभ आगे ले जाया जाता है। माध्यम में ध्वनि के संचरण के दौरान ऐसा ही होता है, इसलिए ध्वनि को एक तरंग के रूप में कल्पना की जा सकती है। ध्वनि तरंगों की विशेषता माध्यम में कणों की गति से होती है और इन्हें यांत्रिक तरंगें कहा जाता है।

वायु सबसे सामान्य माध्यम है जिसके माध्यम से ध्वनि यात्रा करती है। जब एक कंपित वस्तु आगे बढ़ती है, तो यह अपने सामने की वायु को धकेलती है और संपीडित करती है जिससे उच्च दाब का एक क्षेत्र बनता है। इस क्षेत्र को संपीडन (C) कहा जाता है, जैसा कि चित्र 11.4 में दिखाया गया है। यह संपीडन कंपित वस्तु से दूर जाना शुरू कर देता है। जब कंपित वस्तु पीछे की ओर बढ़ती है, तो यह निम्न दाब का एक क्षेत्र बनाती है जिसे विरलन (R) कहा जाता है, जैसा कि चित्र 11.4 में दिखाया गया है। जैसे ही वस्तु तेजी से आगे-पीछे चलती है, वायु में संपीडन और विरलन की एक श्रृंखला बनती है। ये ध्वनि तरंग बनाते हैं जो माध्यम के माध्यम से संचरित होती है।

चित्र 11.4: एक कंपित वस्तु माध्यम में संपीडन $(C)$ और विरलन $(R)$ की एक श्रृंखला उत्पन्न कर रही है।

संपीडन उच्च दाब का क्षेत्र है और विरलन निम्न दाब का क्षेत्र है। दाब किसी दिए गए आयतन में माध्यम के कणों की संख्या से संबंधित है। माध्यम में कणों का अधिक घनत्व अधिक दाब देता है और इसके विपरीत। इस प्रकार, ध्वनि के संचरण को माध्यम में घनत्व परिवर्तन या दाब परिवर्तन के संचरण के रूप में कल्पना की जा सकती है।

11.2.1 ध्वनि तरंगें अनुदैर्ध्य तरंगें होती हैं

क्रियाकलाप 11.4

• एक स्लिंकी लें। अपने मित्र से एक सिरा पकड़ने के लिए कहें। आप दूसरा सिरा पकड़ें।

• अब स्लिंकी को खींचें जैसा कि चित्र 11.5(a) में दिखाया गया है। फिर इसे अपने मित्र की ओर एक तेज धक्का दें।

• आप क्या देखते हैं? यदि आप अपना हाथ चलाकर स्लिंकी को बारी-बारी से धकेलते और खींचते हैं, तो आप क्या देखेंगे?

• यदि आप स्लिंकी पर एक बिंदु चिह्नित करते हैं, तो आप देखेंगे कि स्लिंकी पर बिंदु विक्षोभ के संचरण की दिशा के समानांतर आगे-पीछे चलेगा।

(a)

(b)

चित्र 11.5: एक स्लिंकी में अनुदैर्ध्य तरंग।

जिन क्षेत्रों में कुंडलियाँ करीब आ जाती हैं उन्हें संपीडन (C) कहा जाता है और जिन क्षेत्रों में कुंडलियाँ दूर हो जाती हैं उन्हें विरलन (R) कहा जाता है। जैसा कि हम पहले से जानते हैं, ध्वनि माध्यम में संपीडन और विरलन की एक श्रृंखला के रूप में संचरित होती है। अब, हम स्लिंकी में विक्षोभ के संचरण की तुलना माध्यम में ध्वनि संचरण से कर सकते हैं। इन तरंगों को अनुदैर्ध्य तरंगें कहा जाता है। इन तरंगों में माध्यम के व्यक्तिगत कण विक्षोभ के संचरण की दिशा के समानांतर दिशा में चलते हैं। कण एक स्थान से दूसरे स्थान पर नहीं जाते हैं बल्कि वे केवल अपनी विराम स्थिति के बारे में आगे-पीछे दोलन करते हैं। यह ठीक वैसे ही है जैसे ध्वनि तरंग संचरित होती है, इसलिए ध्वनि तरंगें अनुदैर्ध्य तरंगें होती हैं।

एक अन्य प्रकार की तरंग भी होती है, जिसे अनुप्रस्थ तरंग कहा जाता है। अनुप्रस्थ तरंग में कण तरंग संचरण की दिशा के साथ दोलन नहीं करते हैं बल्कि तरंग के चलने पर अपनी माध्य स्थिति के बारे में ऊपर-नीचे दोलन करते हैं। इस प्रकार, अनुप्रस्थ तरंग वह है जिसमें माध्यम के व्यक्तिगत कण तरंग संचरण की दिशा के लंबवत दिशा में अपनी माध्य स्थितियों के बारे में चलते हैं। जब हम एक तालाब में एक कंकड़ गिराते हैं, तो पानी की सतह पर आप जो तरंगें देखते हैं वह अनुप्रस्थ तरंग का एक उदाहरण है। प्रकाश एक अनुप्रस्थ तरंग है लेकिन प्रकाश के लिए, दोलन माध्यम के कणों या उनके दाब या घनत्व के नहीं होते - यह एक यांत्रिक तरंग नहीं है। आप उच्च कक्षाओं में अनुप्रस्थ तरंगों के बारे में अधिक जानेंगे।

11.2.2 ध्वनि तरंग की विशेषताएँ

हम एक ध्वनि तरंग को इसके द्वारा वर्णित कर सकते हैं

• आवृत्ति
• आयाम और
• चाल।

ग्राफिक रूप में एक ध्वनि तरंग चित्र 11.6(c) में दिखाई गई है, जो दर्शाती है कि जब ध्वनि तरंग माध्यम में चलती है तो घनत्व और दाब कैसे बदलते हैं। किसी दिए गए समय पर माध्यम का घनत्व तथा दाब, घनत्व और दाब के औसत मान से ऊपर और नीचे, दूरी के साथ बदलता रहता है। चित्र 11.6(a) और

चित्र 11.6(b) क्रमशः घनत्व और दाब परिवर्तनों को दर्शाते हैं, जैसे कि ध्वनि तरंग माध्यम में संचरित होती है।

संपीडन वे क्षेत्र हैं जहाँ कण एक साथ भीड़ कर रहे होते हैं और चित्र 11.6(c) में वक्र के ऊपरी भाग द्वारा दर्शाए जाते हैं। शिखर अधिकतम संपीडन के क्षेत्र का प्रतिनिधित्व करता है। इस प्रकार, संपीडन वे क्षेत्र हैं जहाँ घनत्व के साथ-साथ दाब भी अधिक होता है। विरलन निम्न दाब के क्षेत्र हैं जहाँ कण फैले हुए होते हैं और वक्र के निचले भाग, यानी गर्त द्वारा दर्शाए जाते हैं, जैसा कि चित्र 11.6(c) में दिखाया गया है। शिखर को तरंग का श्रृंग कहा जाता है और गर्त को तरंग का गर्त कहा जाता है।

दो लगातार संपीडनों (C) या दो लगातार विरलनों (R) के बीच की दूरी को तरंगदैर्घ्य कहा जाता है, जैसा कि चित्र 11.6(c) में दिखाया गया है, तरंगदैर्घ्य को आमतौर पर $\lambda$ (ग्रीक अक्षर लैम्ब्डा) द्वारा दर्शाया जाता है। इसकी SI इकाई मीटर (m) है।

हेनरिक रूडोल्फ हर्ट्ज का जन्म 22 फरवरी 1857 को जर्मनी के हैम्बर्ग में हुआ था और उन्होंने बर्लिन विश्वविद्यालय में शिक्षा प्राप्त की थी। उन्होंने अपने प्रयोगों द्वारा जे.सी. मैक्सवेल के विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत की पुष्टि की। उन्होंने रेडियो, टेलीफोन, टेलीग्राफ और यहाँ तक कि टेलीविजन के भविष्य के विकास की नींव रखी। उन्होंने प्रकाश विद्युत प्रभाव की भी खोज की जिसकी व्याख्या बाद में अल्बर्ट आइंस्टीन ने की। आवृत्ति की SI इकाई को उनके सम्मान में हर्ट्ज नाम दिया गया था।

आवृत्ति हमें बताती है कि कोई घटना कितनी बार घटित होती है। मान लीजिए आप एक ढोल बजा रहे हैं। आप इकाई समय में ढोल कितनी बार बजा रहे हैं, इसे ढोल बजाने की आवृत्ति कहा जाता है। हम जानते हैं कि जब ध्वनि एक माध्यम के माध्यम से संचरित होती है, तो

चित्र 11.6: ध्वनि घनत्व या दाब परिवर्तनों के रूप में संचरित होती है जैसा कि (a) और (b) में दिखाया गया है, (c) ग्राफिक रूप से घनत्व और दाब परिवर्तनों को दर्शाता है।

माध्यम का घनत्व एक अधिकतम मान और एक न्यूनतम मान के बीच दोलन करता है। घनत्व में अधिकतम मान से न्यूनतम मान में परिवर्तन, और फिर अधिकतम मान में फिर से परिवर्तन, एक पूर्ण दोलन बनाता है। प्रति इकाई समय में ऐसे दोलनों की संख्या ध्वनि तरंग की आवृत्ति है। यदि हम प्रति इकाई समय में गुजरने वाले संपीडनों या विरलनों की संख्या गिन सकते हैं, तो हमें ध्वनि तरंग की आवृत्ति मिल जाएगी। इसे आमतौर पर $v$ (ग्रीक अक्षर, न्यू) द्वारा दर्शाया जाता है। इसकी SI इकाई हर्ट्ज (प्रतीक, Hz) है।

दो लगातार संपीडनों या विरलनों द्वारा एक निश्चित बिंदु को पार करने में लगने वाले समय को तरंग का आवर्तकाल कहा जाता है। दूसरे शब्दों में, हम कह सकते हैं कि एक पूर्ण दोलन के लिए लिया गया समय ध्वनि तरंग का आवर्तकाल कहलाता है। इसे प्रतीक $T$ द्वारा दर्शाया जाता है। इसकी SI इकाई सेकंड (s) है। आवृत्ति और आवर्तकाल निम्नानुसार संबंधित हैं:

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

एक वायलिन और एक बांसुरी दोनों एक ऑर्केस्ट्रा में एक ही समय पर बजाए जा सकते हैं। दोनों ध्वनियाँ एक ही माध्यम, यानी वायु के माध्यम से यात्रा करती हैं और एक ही समय पर हमारे कान तक पहुँचती हैं। स्रोत के बावजूद दोनों ध्वनियाँ समान गति से यात्रा करती हैं। लेकिन हमें जो ध्वनियाँ प्राप्त होती हैं वे अलग-अलग होती हैं। यह ध्वनि से जुड़ी विभिन्न विशेषताओं के कारण होता है। तारत्व (पिच) इनमें से एक विशेषता है।

मस्तिष्क किसी उत्सर्जित ध्वनि की आवृत्ति की व्याख्या कैसे करता है, उसे उसका तारत्व (पिच) कहा जाता है। स्रोत का कंपन जितना तेज होगा, आवृत्ति उतनी ही अधिक होगी और तारत्व (पिच) उतना ही अधिक होगा, जैसा कि चित्र 11.7 में दिखाया गया है। इस प्रकार, एक उच्च तारत्व (पिच) वाली ध्वनि प्रति इकाई समय में एक निश्चित बिंदु से गुजरने वाले संपीडनों और विरलनों की अधिक संख्या से मेल खाती है।

विभिन्न आकारों और स्थितियों की वस्तुएं अलग-अलग आवृत्तियों पर कंपन करके अलग-अलग तारत्व (पिच) की ध्वनियाँ उत्पन्न करती हैं।

माध्य मान के दोनों ओर माध्यम में अधिकतम विक्षोभ के परिमाण को तरंग का आयाम कहा जाता है। इसे आमतौर पर अक्षर A द्वारा दर्शाया जाता है, जैसा कि चित्र 11.6(c) में दिखाया गया है। ध्वनि के लिए इसकी इकाई घनत्व या दाब की होगी।

चित्र 11.7: निम्न तारत्व (पिच) वाली ध्वनि की आवृत्ति कम होती है और उच्च तारत्व (पिच) वाली ध्वनि की आवृत्ति अधिक होती है।

ध्वनि की प्रबलता या मृदुता मूल रूप से इसके आयाम द्वारा निर्धारित होती है। ध्वनि तरंग का आयाम उस बल पर निर्भर करता है जिससे किसी वस्तु को कंपित किया जाता है। यदि हम एक मेज को हल्के से मारते हैं, तो हमें एक मृदु ध्वनि सुनाई देती है क्योंकि हम कम ऊर्जा (आयाम) की एक ध्वनि तरंग उत्पन्न करते हैं।

चित्र 11.8: मृदु ध्वनि का आयाम छोटा होता है और प्रबल ध्वनि का आयाम बड़ा होता है।

यदि हम मेज को जोर से मारते हैं तो हमें एक प्रबल ध्वनि सुनाई देती है। क्या आप बता सकते हैं क्यों? एक ध्वनि तरंग अपने स्रोत से फैलती है। जैसे ही यह स्रोत से दूर जाती है, इसका आयाम और साथ ही इसकी प्रबलता कम हो जाती है। प्रबल ध्वनि अधिक दूरी तय कर सकती है क्योंकि यह उच्च ऊर्जा से जुड़ी होती है। चित्र 11.8 समान आवृत्ति की एक प्रबल और एक मृदु ध्वनि की तरंग आकृतियों को दर्शाता है।

ध्वनि का गुण या स्वर वह विशेषता है जो हमें समान तारत्व (पिच) और प्रबलता वाली एक ध्वनि को दूसरी ध्वनि से अलग करने में सक्षम बनाती है। जो ध्वनि अधिक सुखद होती है उसे समृद्ध गुण वाली ध्वनि कहा जाता है। एकल आवृत्ति वाली ध्वनि को स्वर कहा जाता है। जो ध्वनि कई आवृत्तियों के मिश्रण के कारण उत्पन्न होती है उसे सुर कहा जाता है और सुनने में सुखद होती है। शोर कान के लिए अप्रिय होता है! संगीत सुनने में सुखद होता है और समृद्ध गुण वाला होता है।

ध्वनि की चाल को उस दूरी के रूप में परिभाषित किया जाता है जो एक तरंग पर एक बिंदु, जैसे कि एक संपीडन या एक विरलन, प्रति इकाई समय में तय करता है।

हम जानते हैं,

$$ \begin{aligned} \text { speed , $v=$ } & =\frac{\text { distance }}{\text { time }} \\ & =\frac{\lambda}{T}=\lambda \times \frac{1}{T} \end{aligned} $$

यहाँ $\lambda$ ध्वनि तरंग की तरंगदैर्घ्य है। यह ध्वनि तरंग द्वारा तरंग के एक आवर्तकाल $(T)$ में तय की गई दूरी है। इस प्रकार,

$$ \begin{aligned} v & =\lambda v(\because \frac{1}{T}=v) \\ \text{ or } \quad v & =\lambda v \end{aligned} $$

अर्थात्, चाल $=$ तरंगदैर्घ्य $\times$ आवृत्ति।

दिए गए माध्यम में समान भौतिक परिस्थितियों में सभी आवृत्तियों के लिए ध्वनि की चाल लगभग समान रहती है।

उदाहरण 11.1 एक ध्वनि तरंग की आवृत्ति $2 kHz$ और तरंगदैर्घ्य $35 cm$ है। यह $1.5 km$ की दूरी तय करने में कितना समय लेगी?

हल:

दिया गया है,

आवृत्ति, $v=2 kHz=2000 Hz$

तरंगदैर्घ्य, $\lambda=35 cm=0.35 m$

हम जानते हैं कि तरंग की चाल, $v$ $=$ तरंगदैर्घ्य $\times$ आवृत्ति

$v=\lambda v$

$$=0.35 m 2000 Hz=700 m / s$$

तरंग द्वारा $1.5 km$ की दूरी, $d$ तय करने में लिया गया समय है

$t=\frac{d}{v}=\frac{1.5 \times 1000 m}{700 m s^{-1}}=\frac{15}{7} s=2.1 s$.

इस प्रकार ध्वनि $1.5 km$ की दूरी तय करने में $2.1 s$ लेगी।

प्रति सेकंड प्रति इकाई क्षेत्र से गुजरने वाली ध्वनि ऊर्जा की मात्रा को ध्वनि की तीव्रता कहा जाता है। हम कभी-कभी “प्रबलता” और “तीव्रता” शब्दों का परस्पर उपयोग करते हैं, लेकिन वे समान नहीं हैं। प्रबलता कान की ध्वनि के प्रति प्रतिक्रिया का माप है। यहां तक कि जब दो ध्वनियाँ समान तीव्रता की होती हैं, तो भी हम एक को दूसरे से अधिक प्रबल सुन सकते हैं केवल इसलिए कि हमारा कान इसे बेहतर तरीके से पहचानता है।

11.2.3 विभिन्न माध्यमों में ध्वनि की चाल

ध्वनि एक माध्यम के माध्यम से एक सीमित चाल से संचरित होती है। बिजली की चमक दिखाई देने के कुछ समय बाद गड़गड़ाहट की ध्वनि सुनाई देती है। इसलिए, हम यह समझ सकते हैं कि ध्वनि एक ऐसी चाल से यात्रा करती है जो प्रकाश की चाल से बहुत कम है। ध्वनि की चाल उस माध्यम के गुणों पर निर्भर करती है जिसके माध्यम से यह यात्रा करती है। आप उच्च कक्षाओं में इस निर्भरता के बारे में सीखेंगे। किसी माध्यम में ध्वनि की चाल माध्यम के तापमान पर निर्भर करती है। जब हम ठोस से गैसीय अवस्था में जाते हैं तो ध्वनि की चाल कम हो जाती है। किसी भी माध्यम में जैसे-जैसे हम तापमान बढ़ाते हैं