प्रत्येक दिवस आपण मानव, पक्षी, घंटा, यंत्रे, वाहने, दूरदर्शन, रेडिओ इत्यादी विविध स्रोतांकडून ध्वनी ऐकतो. ध्वनी हा एक प्रकारचा ऊर्जाप्रकार आहे जो आपल्या कानांमध्ये ऐकण्याची संवेदना निर्माण करतो. याशिवाय इतरही ऊर्जेचे प्रकार आहेत जसे यांत्रिक ऊर्जा, प्रकाश ऊर्जा इत्यादी. मागील प्रकरणांमध्ये आपण यांत्रिक ऊर्जेबद्दल बोललो आहोत. तुम्हाला ऊर्जा संवर्धनाच्या नियमाबद्दल शिकवण्यात आले आहे, ज्यामध्ये असे म्हटले आहे की आपण ऊर्जा निर्माण करू शकत नाही किंवा नष्टही करू शकत नाही. आपण फक्त तिचे एका प्रकारातून दुसऱ्या प्रकारात रूपांतर करू शकतो. तुम्ही टाळ्या वाजवल्यास, ध्वनी निर्माण होतो. तुमची ऊर्जा वापरल्याशिवाय तुम्ही ध्वनी निर्माण करू शकता का? ध्वनी निर्माण करण्यासाठी तुम्ही कोणत्या प्रकारची ऊर्जा वापरली? या प्रकरणात आपण ध्वनी कसा निर्माण होतो, तो माध्यमातून कसा प्रसारित होतो आणि आपल्या कानांद्वारे कसा ग्रहण केला जातो हे शिकणार आहोत.

११.१ ध्वनी निर्मिती

कृती ११.१

• एक ट्यूनिंग फॉर्क घ्या आणि त्याच्या दातावर रबर पॅडवर आदळवून तो कंपित करा. तो आपल्या कानाजवळ आणा.

• तुम्हाला काही ध्वनी ऐकू येतो का?

• कंपित होणाऱ्या ट्यूनिंग फॉर्कच्या एका दाताला आपल्या बोटाने स्पर्श करा आणि आपल्या अनुभवाबद्दल मित्रांशी चर्चा करा.

• आता, एका आधारावरून दोरीने टेबल टेनिस बॉल किंवा लहान प्लास्टिकचा चेंडू लटकवा [एक मोठी सुई आणि दोरी घ्या, दोरीच्या एका टोकाला गाठ मारा आणि नंतर सुईच्या मदतीने चेंडूमधून दोरी पार करा]. कंपित होणाऱ्या ट्यूनिंग फॉर्कच्या दाताने चेंडूला हळूवारपणे स्पर्श करा (आकृती ११.१).

• काय होते ते निरीक्षण करा आणि मित्रांशी चर्चा करा.

आकृती ११.१: कंपित होणारा ट्यूनिंग फॉर्क लटकत असलेल्या टेबल टेनिस बॉलला फक्त स्पर्श करत आहे.

कृती ११.२

• एक बीकर किंवा पेला काठापर्यंत पाण्याने भरा. कंपित होणाऱ्या ट्यूनिंग फॉर्कच्या एका दाताने हळूवारपणे पाण्याच्या पृष्ठभागाला स्पर्श करा, जसे आकृती ११.२ मध्ये दाखवले आहे.

• नंतर कंपित होणाऱ्या ट्यूनिंग फॉर्कचे दात पाण्यात बुडवा, जसे आकृती ११.३ मध्ये दाखवले आहे.

• दोन्ही प्रकरणांमध्ये काय होते ते निरीक्षण करा.

• हे का होते याबद्दल मित्रांशी चर्चा करा.

आकृती ११.२: कंपित होणाऱ्या ट्यूनिंग फॉर्कचा एक दात पाण्याच्या पृष्ठभागाला स्पर्श करत आहे.

आकृती ११.३: कंपित होणाऱ्या ट्यूनिंग फॉर्कचे दोन्ही दात पाण्यात बुडवलेले

वरील कृतींवरून तुम्ही काय निष्कर्ष काढता? कंपन नसलेल्या वस्तूशिवाय तुम्ही ध्वनी निर्माण करू शकता का?

वरील कृतींमध्ये आपण ट्यूनिंग फॉर्कवर आघात करून ध्वनी निर्माण केला. आपण वेगवेगळ्या वस्तूंना ओढून, खरवडून, घासून, फुंकरून किंवा हलवूनही ध्वनी निर्माण करू शकतो. वरील कृतींनुसार आपण वस्तूंसोबत काय करतो? आपण वस्तूंना कंपित करतो आणि ध्वनी निर्माण करतो. कंपन म्हणजे एखाद्या वस्तूची एक प्रकारची वेगवान पुढे-मागे गती. मानवी आवाजाचा ध्वनी स्वरतंतूंमधील कंपनांमुळे निर्माण होतो. पक्षी आपले पंख फडफडवितो तेव्हा तुम्हाला काही ध्वनी ऐकू येतो का? मधमाश्यासोबत येणाऱ्या गुंगणाऱ्या आवाजाची निर्मिती कशी होते याचा विचार करा. ताणलेली रबर बँड ओढली असता कंपित होते आणि ध्वनी निर्माण करते. जर तुम्ही हे कधीच केले नसेल, तर ते करा आणि ताणलेल्या रबर बँडचे कंपन निरीक्षण करा.

कृती ११.३

• वेगवेगळ्या प्रकारच्या वाद्यांची यादी बनवा आणि कोणत्या वाद्याचा कोणता भाग कंपित होऊन ध्वनी निर्माण करतो याबद्दल मित्रांशी चर्चा करा.

११.२ ध्वनी प्रसार

ध्वनी कंपन करणाऱ्या वस्तूंद्वारे निर्माण होतो. ज्या द्रव्यातून किंवा माध्यमातून ध्वनी प्रसारित होतो त्याला माध्यम म्हणतात. ते घन, द्रव किंवा वायू असू शकते. ध्वनी निर्मितीच्या बिंदूपासून श्रोत्यापर्यंत माध्यमातून प्रवास करतो. जेव्हा एखादी वस्तू कंपित होते, तेव्हा ती त्याच्या आजूबाजूच्या माध्यमाचे कण कंपित करते. कंपन करणाऱ्या वस्तूपासून कानापर्यंत कण संपूर्ण मार्गाने प्रवास करत नाहीत. कंपन करणाऱ्या वस्तूच्या संपर्कात असलेला माध्यमाचा एक कण प्रथम त्याच्या समतोल स्थितीपासून विस्थापित होतो. नंतर तो शेजारच्या कणावर बल प्रयुक्त करतो. त्याच्या परिणामी शेजारचा कण त्याच्या विश्रांतीच्या स्थानापासून विस्थापित होतो. शेजारच्या कणाला विस्थापित केल्यानंतर पहिला कण त्याच्या मूळ स्थितीत परत येतो. ध्वनी तुमच्या कानापर्यंत पोहोचेपर्यंत ही प्रक्रिया माध्यमात चालू राहते. माध्यमात ध्वनी स्रोताद्वारे निर्माण केलेली विसंगती माध्यमातून प्रवास करते, माध्यमाचे कण नव्हे.

तरंग म्हणजे माध्यमातील कण शेजारच्या कणांना गतीत आणतात तेव्हा माध्यमातून जाणारी एक विसंगती. ते बदल्यात इतरांमध्ये समान गती निर्माण करतात. माध्यमाचे कण स्वतः पुढे सरकत नाहीत, परंतु विसंगती पुढे नेली जाते. माध्यमात ध्वनी प्रसारादरम्यान असेच घडते, म्हणून ध्वनीची तरंग म्हणून कल्पना करता येते. ध्वनी तरंग माध्यमातील कणांच्या गतीद्वारे दर्शवले जातात आणि त्यांना यांत्रिक तरंग म्हणतात.

वायू हे सर्वात सामान्य माध्यम आहे ज्यातून ध्वनी प्रवास करतो. जेव्हा कंपन करणारी वस्तू पुढे सरकते, तेव्हा ती समोरच्या हवेला ढकलते आणि संकुचित करते ज्यामुळे उच्च दाबाचा प्रदेश निर्माण होतो. या प्रदेशाला संपीडन (C) म्हणतात, जसे आकृती ११.४ मध्ये दाखवले आहे. हे संपीडन कंपन करणाऱ्या वस्तूपासून दूर जाऊ लागते. जेव्हा कंपन करणारी वस्तू मागे सरकते, तेव्हा ती कमी दाबाचा प्रदेश निर्माण करते ज्याला विरलन (R) म्हणतात, जसे आकृती ११.४ मध्ये दाखवले आहे. वस्तू वेगाने पुढे-मागे सरकत असताना, हवेत संपीडन आणि विरलनांची एक मालिका निर्माण होते. हे ध्वनी तरंग तयार करतात जे माध्यमातून प्रसारित होतात.

आकृती ११.४: एक कंपन करणारी वस्तू माध्यमात संपीडन $(C)$ आणि विरलन $(R)$ यांची मालिका निर्माण करते.

संपीडन हा उच्च दाबाचा प्रदेश असतो आणि विरलन हा कमी दाबाचा प्रदेश असतो. दाब हा दिलेल्या आकारमानात माध्यमाच्या कणांच्या संख्येशी संबंधित असतो. माध्यमातील कणांची घनता जास्त असल्यास दाब जास्त असतो आणि त्याउलट. अशाप्रकारे, ध्वनीच्या प्रसाराची माध्यमातील घनता बदल किंवा दाब बदलांच्या प्रसार म्हणून कल्पना करता येते.

११.२.१ ध्वनी तरंग हे अनुतरंग असतात

कृती ११.४

• एक स्लिंकी घ्या. तुमच्या मित्राला एक टोक धरायला सांगा. तुम्ही दुसरे टोक धरा.

• आता आकृती ११.५(a) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे स्लिंकी ताणा. नंतर तुमच्या मित्राकडे तीव्र ढकल द्या.

• तुम्हाला काय दिसते? जर तुम्ही तुमचा हात हलवून स्लिंकीला पर्यायी पद्धतीने ढकलत आणि ओढत असाल, तर तुम्हाला काय दिसेल?

• जर तुम्ही स्लिंकीवर एक ठिपका केला, तर तुम्हाला असे दिसेल की स्लिंकीवरील ठिपका विसंगतीच्या प्रसाराच्या दिशेला समांतर पुढे-मागे हलतो.

(a)

(b)

आकृती ११.५: स्लिंकीमधील अनुतरंग.

जेथे कुंडल्या जवळ येतात त्या प्रदेशांना संपीडन (C) म्हणतात आणि जेथे कुंडल्या दूर जातात त्या प्रदेशांना विरलन (R) म्हणतात. आपल्याला आधीच माहित आहे की, ध्वनी माध्यमात संपीडन आणि विरलनांची मालिका म्हणून प्रसारित होतो. आता, आपण स्लिंकीमधील विसंगतीच्या प्रसाराची तुलना माध्यमातील ध्वनी प्रसाराशी करू शकतो. या तरंगांना अनुतरंग म्हणतात. या तरंगांमध्ये माध्यमाचे वैयक्तिक कण विसंगतीच्या प्रसाराच्या दिशेला समांतर दिशेने हलतात. कण एका ठिकाणाहून दुसऱ्या ठिकाणी सरकत नाहीत तर ते फक्त त्यांच्या विश्रांतीच्या स्थानाभोवती पुढे-मागे दोलन करतात. ध्वनी तरंग अगदी अशाच प्रकारे प्रसारित होतो, म्हणून ध्वनी तरंग हे अनुतरंग असतात.

आणखी एक प्रकारचा तरंग असतो, ज्याला अप्रगत तरंग म्हणतात. अप्रगत तरंगात कण तरंग प्रसाराच्या दिशेने दोलन करत नाहीत तर तरंग प्रवास करत असताना त्यांच्या मध्यमान स्थितीभोवती वर-खाली दोलन करतात. अशाप्रकारे, अप्रगत तरंग हा असा असतो ज्यामध्ये माध्यमाचे वैयक्तिक कण तरंग प्रसाराच्या दिशेला लंब दिशेने त्यांच्या मध्यमान स्थानांभोवती हलतात. जेव्हा आपण तलावात एक खडी टाकतो, तेव्हा पाण्याच्या पृष्ठभागावर दिसणारे तरंग हे अप्रगत तरंगाचे उदाहरण आहे. प्रकाश हा अप्रगत तरंग आहे परंतु प्रकाशासाठी, दोलन ही माध्यम कणांची किंवा त्यांच्या दाबाची किंवा घनतेची नसते - तो यांत्रिक तरंग नाही. उच्च वर्गांमध्ये तुम्हाला अप्रगत तरंगांबद्दल अधिक माहिती मिळेल.

११.२.२ ध्वनी तरंगाची वैशिष्ट्ये

आपण ध्वनी तरंगाचे वर्णन करू शकतो

• वारंवारता
• मोठेपणा आणि
• गती याद्वारे.

आलेखी स्वरूपात एक ध्वनी तरंग आकृती ११.६(c) मध्ये दाखवला आहे, जो ध्वनी तरंग माध्यमात हलत असताना घनता आणि दाब कसे बदलतात हे दर्शवितो. दिलेल्या वेळी माध्यमाची घनता तसेच दाब सरासरी घनता आणि दाब मूल्याच्या वर आणि खाली अंतरानुसार बदलतो. आकृती ११.६(a) आणि

आकृती ११.६(b) अनुक्रमे घनता आणि दाब बदलांचे प्रतिनिधित्व करतात, जसे ध्वनी तरंग माध्यमात प्रसारित होतो.

संपीडन हे ते प्रदेश असतात जेथे कण एकत्र गर्दी करतात आणि आकृती ११.६(c) मधील वक्राच्या वरच्या भागाद्वारे दर्शवले जातात. शिखर कमाल संपीडनाच्या प्रदेशाचे प्रतिनिधित्व करते. अशाप्रकारे, संपीडन हे असे प्रदेश असतात जेथे घनता तसेच दाब जास्त असतो. विरलन हे कमी दाबाचे प्रदेश असतात जेथे कण दूर पसरलेले असतात आणि दरीद्वारे दर्शवले जातात, म्हणजेच आकृती ११.६(c) मधील वक्राचा खालचा भाग. शिखराला तरंगाचा शिखर आणि दरीला तरंगाचा तळ म्हणतात.

दोन सलग संपीडन (C) किंवा दोन सलग विरलन (R) यांच्यातील अंतराला तरंगलांबी म्हणतात, जसे आकृती ११.६(c) मध्ये दाखवले आहे, तरंगलांबी सहसा $\lambda$ (ग्रीक अक्षर लॅम्डा) द्वारे दर्शवली जाते. त्याचे SI एकक मीटर (m) आहे.

हेन्रिक रुडॉल्फ हर्ट्झ यांचा जन्म २२ फेब्रुवारी १८५७ रोजी जर्मनीच्या हॅम्बर्ग येथे झाला आणि त्यांचे शिक्षण बर्लिन विद्यापीठात झाले. त्यांनी त्यांच्या प्रयोगांद्वारे जे.सी. मॅक्सवेलच्या विद्युतचुंबकीय सिद्धांताची पुष्टी केली. त्यांनी रेडिओ, टेलिफोन, टेलिग्राफ आणि अगदी दूरदर्शनाच्या भविष्यातील विकासासाठी पाया घातला. त्यांनी प्रकाशविद्युत परिणाम देखील शोधला जो नंतर अल्बर्ट आइनस्टाईन यांनी स्पष्ट केला. वारंवारतेचे SI एकक त्यांच्या सन्मानार्थ हर्ट्झ असे नाव देण्यात आले.

वारंवारता आपल्याला सांगते की एखादी घटना किती वेळा घडते. समजा तुम्ही ढोल वाजवत आहात. एकक वेळेत तुम्ही ढोल किती वेळा वाजवता याला तुमच्या ढोल वाजवण्याची वारंवारता म्हणतात. आपल्याला माहित आहे की जेव्हा ध्वनी माध्यमातून प्रसारित होतो, तेव्हा

आकृती ११.६: ध्वनी घनता किंवा दाब बदल म्हणून प्रसारित होतो जसे (a) आणि (b) मध्ये दाखवले आहे, (c) आलेखी स्वरूपात घनता आणि दाब बदल दर्शवते.

माध्यमाची घनता कमाल मूल्य आणि किमान मूल्य यांच्यात दोलन करते. कमाल मूल्यापासून किमान मूल्यापर्यंत घनतेमध्ये बदल, नंतर पुन्हा कमाल मूल्यापर्यंत, हे एक संपूर्ण दोलन बनवते. एकक वेळेत अशा दोलनांची संख्या म्हणजे ध्वनी तरंगाची वारंवारता. जर आपण एकक वेळेत आपल्याला ओलांडणाऱ्या संपीडन किंवा विरलनांची संख्या मोजू शकलो, तर आपल्याला ध्वनी तरंगाची वारंवारता मिळेल. हे सहसा $v$ (ग्रीक अक्षर, न्यू) द्वारे दर्शवले जाते. त्याचे SI एकक हर्ट्झ (चिन्ह, Hz) आहे.

दोन सलग संपीडन किंवा विरलनांनी एक निश्चित बिंदू ओलांडण्यासाठी लागणाऱ्या वेळेला तरंगाचा कालावधी म्हणतात. दुसऱ्या शब्दांत, आपण असे म्हणू शकतो की एक संपूर्ण दोलनासाठी लागणाऱ्या वेळेला ध्वनी तरंगाचा कालावधी म्हणतात. ते चिन्ह $T$ द्वारे दर्शवले जाते. त्याचे SI एकक सेकंद (s) आहे. वारंवारता आणि कालावधी यांचा संबंध खालीलप्रमाणे आहे:

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

व्हायोलिन आणि बासरी एकाच वेळी ऑर्केस्ट्रामध्ये वाजवल्या जाऊ शकतात. दोन्ही ध्वनी समान माध्यमातून, म्हणजे हवेतून प्रवास करतात आणि एकाच वेळी आपल्या कानापर्यंत पोहोचतात. स्रोताची पर्वा न करता दोन्ही ध्वनी समान गतीने प्रवास करतात. परंतु आपल्याला मिळणारे ध्वनी वेगळे असतात. हे ध्वनीशी संबंधित वेगवेगळ्या वैशिष्ट्यांमुळे होते. स्वरमान हे एक वैशिष्ट्य आहे.

उत्सर्जित ध्वनीची वारंवारता मेंदू कशी अर्थ लावतो त्याला त्याचे स्वरमान म्हणतात. स्रोताचे कंपन जितके वेगवान, वारंवारता तितकी जास्त आणि स्वरमान तितके उंच, जसे आकृती ११.७ मध्ये दाखवले आहे. अशाप्रकारे, उच्च स्वरमानाच्या ध्वनीशी एकक वेळेत निश्चित बिंदू ओलांडणाऱ्या संपीडन आणि विरलनांची संख्या जास्त असते.

वेगवेगळ्या आकाराच्या आणि स्थितीतील वस्तू वेगवेगळ्या वारंवारतांवर कंपित होऊन वेगवेगळ्या स्वरमानाचे ध्वनी निर्माण करतात.

मध्यमान मूल्याच्या दोन्ही बाजूंस माध्यमातील कमाल विसंगतीच्या परिमाणाला तरंगाचे मोठेपणा म्हणतात. हे सहसा अक्षर A द्वारे दर्शवले जाते, जसे आकृती ११.६(c) मध्ये दाखवले आहे. ध्वनीसाठी त्याचे एकक घनता किंवा दाबाचे असेल.

आकृती ११.७: कमी स्वरमानाच्या ध्वनीची वारंवारता कमी असते आणि उच्च स्वरमानाच्या ध्वनीची वारंवारता जास्त असते.

ध्वनीची मोठी आवाज किंवा मंद आवाज ही मूलतः त्याच्या मोठेपणाद्वारे निश्चित केली जाते. ध्वनी तरंगाचे मोठेपणा एखादी वस्तू कंपित करण्यासाठी लावलेल्या बलावर अवलंबून असते. जर आपण टेबलवर हलके आघात केला, तर आपल्याला मंद आवाज ऐकू येतो कारण आपण कमी ऊर्जेचा (मोठेपणा) ध्वनी तरंग निर्माण करतो.

आकृती ११.८: मंद ध्वनीचे मोठेपणा लहान असते आणि मोठ्या आवाजाच्या ध्वनीचे मोठेपणा मोठे असते.

जर आपण टेबलवर जोरात आघात केला तर आपल्याला मोठा आवाज ऐकू येतो. तुम्ही सांगू शकता का का? ध्वनी तरंग त्याच्या स्रोतापासून पसरतो. तो स्रोतापासून दूर जात असताना त्याचे मोठेपणा तसेच त्याची मोठी आवाज कमी होते. मोठ्या आवाजाचा ध्वनी मोठ्या अंतरापर्यंत प्रवास करू शकतो कारण तो उच्च ऊर्जेशी संबंधित असतो. आकृती ११.८ समान वारंवारतेच्या मोठ्या आवाजाच्या आणि मंद ध्वनीच्या तरंग आकार दर्शवते.

ध्वनीची गुणवत्ता किंवा तारखंड हे ते वैशिष्ट्य आहे जे आपल्याला समान स्वरमान आणि मोठी आवाज असलेल्या एका ध्वनीतून दुसरा ध्वनी ओळखण्यास सक्षम करते. जो ध्वनी अधिक आनंददायी असतो त्याला समृद्ध गुणवत्तेचा ध्वनी म्हणतात. एकाच वारंवारतेच्या ध्वनीला स्वर म्हणतात. अनेक वारंवारतांच्या मिश्रणामुळे निर्माण होणाऱ्या ध्वनीला सूर म्हणतात आणि तो ऐकण्यास आनंददायी असतो. आवाज कानाला अप्रिय असतो! संगीत ऐकण्यास आनंददायी असते आणि त्याची गुणवत्ता समृद्ध असते.

ध्वनीची गती म्हणजे एकक वेळेत तरंगावरील एक बिंदू, जसे संपीडन किंवा विरलन, प्रवास करते ते अंतर म्हणून परिभाषित केली जाते.

आपल्याला माहित आहे,

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

येथे $\lambda$ ही ध्वनी तरंगाची तरंगलांबी आहे. हे ध्वनी तरंगाने तरंगाच्या एका कालावधी $(T)$ मध्ये प्रवास केलेले अंतर आहे. अशाप्रकारे,

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

म्हणजे, गती $=$ तरंगलांबी $\times$ वारंवारता.

दिलेल्या माध्यमात समान भौतिक परिस्थितीत सर्व वारंवारतांसाठी ध्वनीची गती जवळजवळ समान राहते.

उदाहरण ११.१ एका ध्वनी तरंगाची वारंवारता $2 kHz$ आणि तरंगलांबी $35 cm$ आहे. $1.5 km$ अंतर प्रवास करण्यासाठी किती वेळ लागेल?

उकल:

दिलेले,

वारंवारता, $v=2 kHz=2000 Hz$

तरंगलांबी, $\lambda=35 cm=0.35 m$

आपल्याला माहित आहे की तरंगाची गती, $v$ $=$ तरंगलांबी $\times$ वारंवारता

$v=\lambda v$

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

$d$ अंतर, $1.5 km$ प्रवास करण्यासाठी तरंगाला लागणारा वेळ

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

अशाप्रकारे ध्वनीला $2.1 s$ अंतर, $1.5 km$ प्रवास करण्यासाठी $2.1 s$ लागतील.

प्रति सेकंद एकक क्षेत्रातून जाणार्या ध्वनी ऊर्जेच्या प्रमाणाला ध्वनीची तीव्रता म्हणतात. आपण कधीकधी “मोठी आवाज” आणि “तीव्रता” या शब्दांचा पर्यायाने वापर करतो, परंतु ते समान नाहीत. मोठी आवाज हे कानाच्या ध्वनीला प्रतिसाद मोजण्याचे एक माप आहे. जेव्हा दोन ध्वनी समान तीव्रतेचे असतात, तेव्हाही आपल्याला एक दुसऱ्यापेक्षा मोठा ऐकू येतो कारण आपला कान तो चांगल्या प्रकारे ओळखतो.

११.२.३ वेगवेगळ्या माध्यमांमध्ये ध्वनीची गती

ध्वनी मर्य