अध्याय 12: ध्वनि (Sound)

परिचय

ध्वनि हमारे दैनिक जीवन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। हम एक-दूसरे से बात करने के लिए, संगीत सुनने के लिए, और अपने आस-पास की दुनिया को समझने के लिए ध्वनि का उपयोग करते हैं। इस अध्याय में, हम समझेंगे कि ध्वनि क्या है, यह कैसे उत्पन्न होती है और संचरित होती है, ध्वनि की विशेषताएं क्या हैं, और ध्वनि का परावर्तन तथा प्रतिध्वनि जैसी घटनाएँ क्या हैं। हम पराध्वनि और उसके अनुप्रयोगों के बारे में भी जानेंगे।

12.1 ध्वनि का उत्पादन (Production of Sound)

**ध्वनि** एक प्रकार की ऊर्जा है जो कंपन (vibration) से उत्पन्न होती है। जब कोई वस्तु कंपन करती है, तो वह अपने आसपास के माध्यम (जैसे हवा) के कणों को भी कंपन करने के लिए मजबूर करती है, और ये कंपन ध्वनि के रूप में आगे बढ़ते हैं।

• उदाहरण:
  • जब हम अपनी वाक्-रज्जु (vocal cords) को कंपन करते हैं तो ध्वनि उत्पन्न होती है।
  • किसी घंटी को बजाने पर वह कंपन करती है और ध्वनि उत्पन्न होती है।
  • तने हुए तार (जैसे गिटार या वीणा में) को खींचने या प्लक करने पर कंपन होता है।

12.2 ध्वनि का संचरण (Propagation of Sound)

ध्वनि को संचरण के लिए एक **माध्यम (medium)** की आवश्यकता होती है। यह ठोस, तरल या गैस हो सकता है। ध्वनि निर्वात (vacuum) में संचरित नहीं हो सकती क्योंकि वहां कोई कण कंपन करने के लिए मौजूद नहीं होते।

• **तरंगें (Waves):** ध्वनि तरंगों के रूप में संचरित होती है। ध्वनि तरंगें **अनुदैर्ध्य तरंगें (Longitudinal Waves)** होती हैं।
• **अनुदैर्ध्य तरंगें:** वे तरंगें जिनमें माध्यम के कण तरंग के संचरण की दिशा के समानांतर कंपन करते हैं। ध्वनि तरंगों में, कण एक स्थान से दूसरे स्थान पर गति नहीं करते, बल्कि वे केवल अपने मध्यमान स्थिति के इर्द-गिर्द कंपन करते हैं, और विक्षोभ (disturbance) एक कण से दूसरे कण में संचरित होता है।
• **संपीडन (Compressions) और विरलन (Rarefactions):** जब एक कंपनशील वस्तु आगे की ओर गति करती है, तो वह अपने सामने की हवा को धक्का देती है और इसे संपीड़ित करती है, जिससे उच्च दाब का क्षेत्र बनता है जिसे **संपीडन (C)** कहते हैं। जब वस्तु पीछे की ओर गति करती है, तो वह एक निम्न दाब का क्षेत्र बनाती है जिसे **विरलन (R)** कहते हैं। ये संपीडन और विरलन माध्यम में संचरित होते हैं।
• **ध्वनि की चाल (Speed of Sound):** ध्वनि की चाल माध्यम के गुणों (जैसे घनत्व और प्रत्यास्थता) पर निर्भर करती है।
  • ध्वनि की चाल ठोसों में सबसे अधिक होती है, फिर द्रवों में, और गैसों में सबसे कम होती है।
  • तापमान बढ़ने पर गैसों में ध्वनि की चाल बढ़ जाती है।
  • सामान्य परिस्थितियों में, हवा में ध्वनि की चाल लगभग $343 \text{ m/s}$ होती है।

12.3 ध्वनि तरंग की विशेषताएँ (Characteristics of a Sound Wave)

एक ध्वनि तरंग को उसके निम्न गुणों द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

• **आवृत्ति (Frequency, $\nu$):** प्रति इकाई समय में होने वाले संपीडन या विरलन की संख्या।
  • SI इकाई: **हर्ट्ज़ (Hertz, Hz)**।
  • यह ध्वनि की तारत्व (pitch) निर्धारित करती है। उच्च आवृत्ति = उच्च तारत्व।
  • मनुष्य लगभग $20 \text{ Hz}$ से $20,000 \text{ Hz}$ तक की आवृत्ति की ध्वनियों को सुन सकते हैं।
• **आयाम (Amplitude, A):** माध्यम में कणों का उनकी मध्यमान स्थिति से अधिकतम विस्थापन।
  • यह ध्वनि की प्रबलता (loudness) या तीव्रता (intensity) निर्धारित करता है। बड़ा आयाम = अधिक प्रबल ध्वनि।
  • प्रबलता की इकाई: **डेसीबल (decibel, dB)**।
• **तरंगदैर्घ्य (Wavelength, $\lambda$):** दो क्रमागत संपीडनों या दो क्रमागत विरलनों के बीच की दूरी।
  • SI इकाई: मीटर (m)।
• **आवर्तकाल (Time Period, T):** एक संपीडन या एक विरलन को एक निश्चित बिंदु से गुजरने में लगने वाला समय।
  • SI इकाई: सेकंड (s)।
  • आवृत्ति और आवर्तकाल एक दूसरे के व्युत्क्रमानुपाती होते हैं: $\nu = 1/T$।
• **ध्वनि की चाल (Speed of Sound, v):** $v = \text{तरंगदैर्घ्य} (\lambda) \times \text{आवृत्ति} (\nu)$ या $v = \frac{\lambda}{T}$

12.4 ध्वनि का परावर्तन (Reflection of Sound)

प्रकाश की तरह, ध्वनि भी किसी सतह से टकराकर परावर्तित होती है।

• **प्रतिध्वनि (Echo):** जब ध्वनि किसी कठोर सतह से टकराकर लौटती है और हमें मूल ध्वनि के कुछ समय बाद सुनाई देती है, तो इसे **प्रतिध्वनि (Echo)** कहते हैं।
  • स्पष्ट प्रतिध्वनि सुनने के लिए, ध्वनि स्रोत और परावर्तक सतह के बीच की न्यूनतम दूरी लगभग $17.2 \text{ m}$ होनी चाहिए (सामान्य ताप पर)। ऐसा इसलिए है क्योंकि ध्वनि को जाने और वापस आने में कम से कम $0.1 \text{ s}$ का समय लगता है, जो मस्तिष्क को दो अलग-अलग ध्वनियों को पहचानने के लिए न्यूनतम समय है।
• **अनुरणन (Reverberation):** बड़े हॉल या सभागारों में, ध्वनि बार-बार परावर्तित होती रहती है, जिससे ध्वनि लगातार बनी रहती है। इसे **अनुरणन (Reverberation)** कहते हैं। अत्यधिक अनुरणन से ध्वनि अस्पष्ट हो सकती है। इसे कम करने के लिए दीवारों, छतों और सीटों पर ध्वनि-अवशोषक सामग्री का उपयोग किया जाता है।

12.5 पराध्वनि के अनुप्रयोग (Applications of Ultrasound)

**पराध्वनि (Ultrasound)** वे ध्वनियाँ हैं जिनकी आवृत्ति $20,000 \text{ Hz}$ से अधिक होती है, जो मनुष्य नहीं सुन सकते। इसके कई महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं:

• **उद्योगों में:**
  • धातु के बड़े ब्लॉकों में दरारें या दोषों का पता लगाने के लिए।
  • कठिन-से-पहुंचने वाले पुर्जों (जैसे मशीन के पुर्जे, ट्यूब) को साफ करने के लिए।
• **चिकित्सा क्षेत्र में:**
  • **इकोकार्डियोग्राफी (Echocardiography - ECG):** हृदय की छवियों को प्राप्त करने के लिए पराध्वनि तरंगों का उपयोग।
  • **अल्ट्रासोनोग्राफी (Ultrasonography):** शरीर के आंतरिक अंगों (जैसे यकृत, पित्ताशय, गुर्दे) की छवियों को प्राप्त करने के लिए। यह गर्भावस्था के दौरान भ्रूण की जांच के लिए भी उपयोग होता है।
  • गुर्दे की पथरी को तोड़ने के लिए।
• **सोनार (SONAR - Sound Navigation And Ranging):** यह एक तकनीक है जिसका उपयोग समुद्र की गहराई मापने, पानी के भीतर वस्तुओं का पता लगाने (जैसे पनडुब्बियां, डूबे हुए जहाज), और पानी के नीचे की टोपोग्राफी का अध्ययन करने के लिए किया जाता है।
  • सोनार पराध्वनि तरंगें उत्सर्जित करता है और परावर्तित तरंगों का पता लगाता है। चाल ($v$) = दूरी ($2d$) / समय ($t$) $2d = v \times t$ जहाँ $d$ वस्तु की दूरी है।

यह अध्याय हमें ध्वनि की प्रकृति, उसके व्यवहार और हमारे जीवन में उसके व्यापक अनुप्रयोगों को समझने में मदद करता है।