ध्वनि का संचरण (Propagation of Sound)

ध्वनि का संचरण माध्यम (Medium) के कणों के कंपन के कारण होता है। जब कोई वस्तु कंपन करती है, तो वह अपने आस-पास के माध्यम (जैसे वायु, जल या ठोस) के कणों को भी कंपनित करती है। ये कंपन तरंगों के रूप में एक स्थान से दूसरे स्थान तक ध्वनि को पहुँचाते हैं।

ध्वनि का माध्यम में फैलना

जब ध्वनि तरंगें माध्यम में चलती हैं, तो उसमें संपीड़न (Compression) और विरलन (Rarefaction) की प्रक्रिया होती है।
संपीड़न क्षेत्र में कण पास-पास आ जाते हैं और दाब अधिक होता है, जबकि विरलन क्षेत्र में कण दूर-दूर हो जाते हैं और दाब कम होता है।

ध्वनि को संचरित होने के लिए माध्यम आवश्यक है

ध्वनि तरंगें केवल किसी माध्यम (जैसे वायु, जल, ठोस) में ही संचरित हो सकती हैं।
निर्वात (Vacuum) में कोई कण नहीं होते, इसलिए वहाँ ध्वनि का प्रसार नहीं हो सकता।

ध्वनि की तरंग का स्वरूप

ध्वनि तरंगें अनुदैर्ध्य तरंगें (Longitudinal Waves) होती हैं।
इनमें माध्यम के कण उसी दिशा में कंपन करते हैं जिस दिशा में तरंग चलती है।

ध्वनि की गति (Speed of Sound)

ध्वनि की गति माध्यम के प्रकार पर निर्भर करती है। ठोस में कण घने होते हैं, इसलिए ध्वनि की गति सबसे अधिक होती है, जबकि गैसों में सबसे कम।

प्रश्न 1. किसी माध्यम में ध्वनि द्वारा उत्पन्न विक्षोभ आपके कानों तक कैसे पहुँचता है?

ध्वनि तरंगें अनुदैर्ध्य तरंगें हैं

जब कोई वस्तु कंपन करती है, तो वह अपने आस-पास की वायु के कणों को भी आगे-पीछे दोलन करने के लिए बाध्य करती है।
ये दोलन उसी दिशा में होते हैं जिस दिशा में ध्वनि तरंगें आगे बढ़ती हैं।

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अतः, ध्वनि तरंगों में कणों का दोलन और तरंग का संचरण — दोनों एक ही दिशा में होते हैं।
ऐसी तरंगों को ही अनुदैर्ध्य तरंगें (Longitudinal Waves) कहा जाता है।

• ध्वनि तरंगें अनुदैर्ध्य होती हैं।
• इनमें संकुचन (Compression) और प्रसारण (Rarefaction) बनते हैं।
• तरंग के दोलन की दिशा और संचरण की दिशा समान होती है।

ध्वनि तरंग के अभिलक्षण

ध्वनि तरंगों की कुछ प्रमुख विशेषताएँ होती हैं जिनसे हम किसी ध्वनि की तीव्रता, ऊँचाई, स्वर आदि का अनुभव करते हैं।
ये अभिलक्षण ध्वनि की तरंगरूप संरचना पर निर्भर करते हैं।

1. आयाम (Amplitude)

ध्वनि तरंग के कणों का अधिकतम विस्थापन आयाम कहलाता है।
आयाम जितना अधिक होगा, ध्वनि उतनी ही तेज (Loud) होगी।
अर्थात, ध्वनि की तीव्रता आयाम पर निर्भर करती है।

2. आवृत्ति (Frequency)

कणों द्वारा प्रति सेकंड किए गए दोलनों की संख्या आवृत्ति कहलाती है।
इसकी इकाई हर्ट्ज़ (Hz) होती है।
आवृत्ति जितनी अधिक होगी, ध्वनि उतनी ही तीखी या ऊँची (Shrill) सुनाई देगी।

3. तरंगदैर्ध्य (Wavelength)

दो क्रमागत संकुचनों या प्रसारणों के बीच की दूरी को तरंगदैर्ध्य कहते हैं।
इसे λ (लैम्ब्डा) द्वारा दर्शाया जाता है।
तरंगदैर्ध्य का संबंध तरंग की चाल (v) और आवृत्ति (f) से होता है —
v = f × λ

4. चाल (Velocity)

किसी माध्यम में ध्वनि के संचरण की गति को उसकी चाल कहते हैं।
यह माध्यम पर निर्भर करती है —
ध्वनि ठोस में सबसे तेज, द्रव में मध्यम और गैस में सबसे धीमी गति से चलती है।

5. स्वर (Quality or Timbre)

स्वर वह गुण है जिससे हम दो समान तीव्रता और ऊँचाई वाली ध्वनियों में अंतर पहचान सकते हैं।
उदाहरण के लिए, बांसुरी और हारमोनियम की ध्वनि में अंतर उनके स्वर के कारण होता है।

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प्रश्न 1 और 2

1. तरंग का कौन-सा गुण निम्नलिखित को निर्धारित करता है?

2. अनुमान लगाइए कि निम्न में से किस ध्वनि का तारत्व अधिक है?

• गिटार → तारत्व उच्च (High Pitch) क्योंकि इसकी तारें छोटी और पतली होती हैं।
• कार का हॉर्न → तारत्व अपेक्षाकृत कम (Lower Pitch) क्योंकि इसकी ध्वनि गहरी और व्यापक होती है।

प्रश्न 1: किसी ध्वनि तरंग की तरंगदैर्घ्य, आवृत्ति, आवर्त काल तथा आयाम से क्या अभिप्राय है?

• तरंगदैर्घ्य (Wavelength, λ): दो क्रमागत संपीड़न या विरलन के बीच की दूरी।
• आवृत्ति (Frequency, f): प्रति सेकंड कण द्वारा किए गए दोलनों की संख्या।
• आवर्त काल (Time Period, T): एक दोलन पूरा होने में लगने वाला समय। T = 1/f
• आयाम (Amplitude, A): कणों के अधिकतम विस्थापन की दूरी, जो ध्वनि की तीव्रता (Loudness) निर्धारित करता है।

प्रश्न 2: किसी ध्वनि तरंग की तरंगदैर्ध्य तथा आवृत्ति उसके वेग से किस प्रकार संबंधित है?

ध्वनि तरंग की चाल (v), तरंगदैर्ध्य (λ) और आवृत्ति (f) के बीच संबंध होता है:

v = f × λ
अर्थात, किसी माध्यम में तरंग का वेग उसके तरंगदैर्ध्य और आवृत्ति का गुणनफल होता है।

प्रश्न 3: किसी दिए हुए माध्यम में आवृत्ति 220 Hz और वेग 440 m/s है। तरंगदैर्ध्य ज्ञात कीजिए।

हम जानते हैं: v = f × λ

v = 440 m/s, f = 220 Hz

λ = v / f = 440 / 220 = 2 m

उत्तर: तरंगदैर्ध्य λ = 2 मीटर

प्रश्न 4: स्रोत से 450 m दूरी पर बैठा व्यक्ति 500 Hz की ध्वनि सुनता है। दो क्रमागत संपीड़नों में कितना समय अंतराल होगा?

आवृत्ति f = 500 Hz → आवर्त काल T = 1 / f = 1 / 500 s

T = 0.002 s

उत्तर: दो क्रमागत संपीड़नों में समय अंतराल 0.002 सेकंड होगा।

विभिन्न माध्यमों में ध्वनि की चाल

ध्वनि की चाल (Speed of Sound) उस माध्यम पर निर्भर करती है जिसमें वह चल रही हो।
सघन और ठोस माध्यमों में ध्वनि की गति अधिक होती है, जबकि गैसों में अपेक्षाकृत कम।

ध्वनि का परावर्तन (Reflection of Sound)

जब कोई ध्वनि किसी कठोर सतह (जैसे दीवार या पहाड़) से टकराती है, तो वह सतह से उलट दिशा में लौटती है।
इसे ध्वनि का परावर्तन कहा जाता है।

प्रतिध्वनि (Echo)

यदि परावर्तित ध्वनि हमें कुछ समय बाद सुनाई देती है (लगभग 0.1 सेकंड या उससे अधिक अंतराल के बाद), तो इसे प्रतिध्वनि (Echo) कहा जाता है।
प्रतिध्वनि तब स्पष्ट होती है जब स्रोत और परावर्तक सतह के बीच दूरी पर्याप्त अधिक हो।

प्रतिध्वनि का उपयोग

• SONAR और RADAR में ध्वनि/ध्वनि तरंगों का पता लगाने के लिए।
• थियेटर और सभागार में ध्वनि का बेहतर प्रसार सुनिश्चित करने के लिए।
• भूगोल में पहाड़ों और घाटियों में प्रतिध्वनि का अध्ययन।

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प्रतिध्वनि (Echo)

जब कोई ध्वनि किसी कठोर सतह से टकराकर वापस लौटती है और वह हमें कुछ समय बाद सुनाई देती है, तो इसे प्रतिध्वनि (Echo) कहते हैं।
प्रतिध्वनि केवल तब स्पष्ट सुनाई देती है जब स्रोत और परावर्तक सतह के बीच दूरी पर्याप्त हो।

प्रतिध्वनि की गणना (Calculation of Echo)

यदि ध्वनि स्रोत से परावर्तक सतह तक दूरी d और ध्वनि की चाल v है, तो प्रतिध्वनि के सुनाई देने का समय अंतराल t निम्न प्रकार होगा:

t = 2d / v

यहाँ, 2d इसलिए क्योंकि ध्वनि को परावर्तक सतह तक जाने और वापस लौटने में दूरी दोगुनी होती है।

उदाहरण

यदि कोई व्यक्ति 170 m दूर की दीवार की ओर आवाज़ करता है और ध्वनि की चाल 340 m/s है, तो प्रतिध्वनि सुनाई देने का समय:

t = 2 × 170 / 340 = 1 सेकंड

इसलिए व्यक्ति 1 सेकंड बाद अपनी आवाज़ की प्रतिध्वनि सुन पाएगा।

प्रतिध्वनि का उपयोग

• भूगोल में पहाड़ और घाटियों की दूरी मापने में।
• SONAR और RADAR तकनीक में वस्तुओं की पहचान और दूरी मापने के लिए।
• संगीत हॉल और सभागार में ध्वनि का नियंत्रण और विस्तार सुनिश्चित करने के लिए।

अनुरणन (Echo)

अनुरणन वह ध्वनि है जो किसी कठोर सतह से टकराकर लौटती है और हमें सुनाई देती है।
अर्थात, जब किसी सतह से ध्वनि परावर्तित होती है और कुछ समय बाद कान तक पहुँचती है, तो इसे अनुरणन कहते हैं।

उदाहरण

यदि कोई व्यक्ति 170 m दूर दीवार की ओर आवाज़ करता है और ध्वनि की चाल 340 m/s है, तो अनुरणन सुनाई देने का समय:

t = 2 × 170 / 340 = 1 सेकंड

इसलिए व्यक्ति अपनी आवाज़ की प्रतिध्वनि 1 सेकंड बाद सुन पाएगा।

अनुरणन का उपयोग

• भूगोल में पहाड़ और घाटियों की दूरी मापने में।
• SONAR और RADAR तकनीक में वस्तुओं की पहचान और दूरी मापने के लिए।
• संगीत हॉल और सभागार में ध्वनि का नियंत्रण और प्रसार सुनिश्चित करने के लिए।

प्रश्न:

कोई प्रतिध्वनि 3 सेकंड पश्चात् सुनाई देती है। यदि ध्वनि की चाल 342 m/s है, तो स्रोत और परावर्तक सतह के बीच दूरी ज्ञात कीजिए।

हल:

प्रतिध्वनि सुनाई देने का समय अंतराल t और स्रोत से सतह तक दूरी d के बीच संबंध है:

t = 2d / v

जहाँ,

• t = 3 s
• v = 342 m/s
• d = स्रोत से सतह तक की दूरी

समीकरण से:

d = (v × t) / 2

दूरी = (342 × 3) / 2 = 1026 / 2 = 513 m

उत्तर: स्रोत और परावर्तक सतह के बीच दूरी = 513 मीटर

ध्वनि के बहुल परावर्तन के उपयोग

जब ध्वनि कई कठोर सतहों से टकराती है और बार-बार परावर्तित होती है, तो इसे ध्वनि का बहुल परावर्तन (Multiple Reflection of Sound) कहा जाता है।
यह गुण संगीत हॉल, सभागार और थिएटर में ध्वनि के प्रसार और गुणवत्ता को बढ़ाने के लिए प्रयोग किया जाता है।

मुख्य उपयोग:

• संगीत हॉल और थिएटर: ध्वनि के बहुल परावर्तन से ध्वनि हर जगह समान रूप से पहुँचती है और स्पष्ट सुनाई देती है।
• सभागार: वक्ता की आवाज़ दूर-दूर तक सुनाई देने में मदद करती है।
• सदन और ऑडिटोरियम डिजाइन: बहुल परावर्तन के आधार पर दीवारों और छत की डिजाइन की जाती है ताकि ध्वनि प्रतिध्वनि के कारण गूंज न जाए।
• सुरक्षा उपकरण: कुछ sonar और ultrasound तकनीकों में भी बहुल परावर्तन का उपयोग वस्तु की स्थिति जानने के लिए किया जाता है।

श्रव्यता का परिसर (Audible Range)

श्रव्यता का परिसर उस आवृत्ति और तीव्रता का क्षेत्र है, जिसमें मानव कान ध्वनि सुन सकता है।
साधारणतः मानव कान 20 Hz से 20,000 Hz तक की ध्वनियों को सुन सकता है।

मुख्य बातें:

• मानव कान सबसे संवेदनशील 1000 Hz से 4000 Hz के बीच की ध्वनि के लिए होता है।
• 20 Hz से कम आवृत्ति को अधो-ध्वनि (Infrasound) कहते हैं।
• 20,000 Hz से अधिक आवृत्ति को अधिस्वर (Ultrasound) कहते हैं।
• ध्वनि की तीव्रता (Loudness) भी श्रव्यता पर प्रभाव डालती है। बहुत कम तीव्र ध्वनि सुनाई नहीं देती।

उपयोग और महत्व:

• अधो-ध्वनि और अधिस्वर तकनीकों में (जैसे SONAR, Ultrasound scanning)।
• संगीत और ध्वनि उपकरण डिजाइन में मानव श्रव्यता का ध्यान रखना।
• भूकंप या प्राकृतिक आपदा में अधो-ध्वनि का अध्ययन।

प्रश्न 1: सामान्य मनुष्य के कानों के लिए श्रव्यता परास क्या है?

सामान्य मनुष्य के कानों के लिए श्रव्यता परास (Audible Range) है:

• आवृत्ति: 20 Hz से 20,000 Hz (20 kHz)
• तीव्रता: लगभग 0 dB से 120 dB तक

प्रश्न 2: निम्न से संबंधित आवृत्तियों का परास क्या है?

पराध्वनि (Ultrasound) के अनुप्रयोग

पराध्वनि वह ध्वनि है जिसकी आवृत्ति मानव कान से अधिक होती है (20 kHz से अधिक)।
इसका उपयोग विज्ञान, चिकित्सा और उद्योग में विभिन्न उद्देश्यों के लिए किया जाता है।

मुख्य अनुप्रयोग:

• चिकित्सा (Medical): भ्रूण का निरीक्षण (Ultrasound scanning), अंगों और ऊतकों की जाँच।
• भूविज्ञान और भूकंप अध्ययन: पृथ्वी की सतह और भूकंपीय तरंगों का अध्ययन।
• उद्योग (Industrial): धातु और सामग्री में दोष का पता लगाने के लिए।
• नौसेना (Naval / SONAR): समुद्र में वस्तुओं की स्थिति और दूरी मापने के लिए।
• संगीत और ध्वनि उपकरण: अल्ट्रासोनिक सफाई उपकरण और ध्वनि नियंत्रित उपकरण।

अध्याय 11: ध्वनि – प्रश्न और उत्तर

1. ध्वनि क्या है और यह कैसे उत्पन्न होती है?

ध्वनि (Sound) वह ऊर्जा है जो किसी वस्तु के दोलन (vibration) से उत्पन्न होती है और माध्यम (जैसे वायु, जल, ठोस) के कणों के माध्यम से फैलती है।
ध्वनि उत्पन्न होती है जब कोई वस्तु (जैसे घंटी, तार, पत्थर से टकराई हुई सतह) दोलित होती है और उसके कंपन से आसपास के कण कंपन करने लगते हैं।

2. ध्वनि के स्रोत के निकट संपीड़न और विरलन

ध्वनि उत्पन्न करने वाली वस्तु के कंपन से आसपास की वायु में संपीड़न (Compression) और विरलन (Rarefaction) उत्पन्न होता है।
संकुचन के दौरान कण पास आते हैं और विरलन में दूर जाते हैं। इस दोलन से अनुदैर्ध्य तरंगें बनती हैं।

3. ध्वनि तरंगों की प्रकृति अनुदैर्ध्य क्यों है?

ध्वनि तरंगें अनुदैर्ध्य (Longitudinal) होती हैं क्योंकि ध्वनि का संचरण माध्यम के कणों के दोलन के साथ उसी दिशा में होता है, जिसमें तरंग फैलती है।
कण आगे-पीछे कंपन करते हैं, जिससे संपीड़न और विरलन पैदा होता है।

4. ध्वनि का कौन-सा अभिलक्षण मित्र की आवाज़ पहचानने में मदद करता है?

ध्वनि का स्वर (Pitch) और टोन/तारत्व (Timbre) किसी व्यक्ति की आवाज़ पहचानने में मदद करता है।
यह विशेषता ध्वनि के अलग-अलग स्रोतों को अलग पहचानने की क्षमता देती है।

5. तड़ित और गर्जन के समय अंतर का कारण

बिजली चमकने और गर्जन के बीच समय अंतर इस कारण होता है कि ध्वनि की गति प्रकाश की गति से बहुत कम है।
– प्रकाश की गति ≈ 3 × 10⁸ m/s → हम तुरंत चमक देखते हैं।
– ध्वनि की गति ≈ 344 m/s → ध्वनि (गर्जन) हमें कुछ सेकंड बाद सुनाई देती है।

6. श्रव्य परास के लिए तरंगदैर्घ्य

ध्वनि की तरंगदैर्घ्य λ = v / f
जहाँ v = 344 m/s (ध्वनि की चाल), f = आवृत्ति

• f = 20 Hz → λ = 344 / 20 = 17.2 m
• f = 20,000 Hz → λ = 344 / 20000 ≈ 0.0172 m = 1.72 cm

7. वायु और ऐलुमिनियम में ध्वनि के लिए समय का अनुपात

समय t = दूरी / गति (v)
यदि दूरी समान है, तो समय का अनुपात t_वायु : t_{ऐलुमिनियम} = v_{ऐलुमिनियम} : v_वायु

• v_वायु ≈ 344 m/s
• v_{ऐलुमिनियम} ≈ 5100 m/s
• समय अनुपात t_वायु : t_{ऐलुमिनियम} = 5100 : 344 ≈ 14.8 : 1

अर्थात, वायु में ध्वनि ऐलुमिनियम की तुलना में लगभग 15 गुना अधिक समय लेती है।

अध्याय 11: ध्वनि – प्रश्न 8 से 17 के उत्तर

8. किसी ध्वनि स्रोत की आवृत्ति 100 Hz है। एक मिनट में यह कितनी बार कंपन करेगा?

आवृत्ति f = 100 Hz → इसका अर्थ है 1 सेकंड में 100 कंपन।
एक मिनट = 60 सेकंड → कुल कंपन = 100 × 60 = 6000

9. क्या ध्वनि परावर्तन के उन्हीं नियमों का पालन करती है जिनका कि प्रकाश की तरंगें करती हैं? इन नियमों को बताइए।

हाँ, ध्वनि का परावर्तन प्रकाश की तरह ही नियमों का पालन करता है।
नियम:

• आगमन किरण, परावर्तित किरण और सामान्य (Normal) एक समतल में होते हैं।
• आगमन कोण (Angle of incidence) = परावर्तन कोण (Angle of reflection)

10. प्रतिध्वनि अधिक शीघ्र किस दिन सुनाई देगी?

ध्वनि की चाल तापमान पर निर्भर करती है।
– उच्च तापमान → ध्वनि की चाल अधिक → प्रतिध्वनि शीघ्र सुनाई देती है।
– निम्न तापमान → ध्वनि की चाल कम → प्रतिध्वनि देर से सुनाई देती है।
अतः प्रतिध्वनि अधिक शीघ्र सुनाई देगी जिस दिन तापमान अधिक हो।

11. ध्वनि तरंगों के परावर्तन के दो व्यावहारिक उपयोग

• संगीत हॉल और सभागार में ध्वनि का स्पष्ट और समान प्रसार।
• SONAR और RADAR तकनीक में वस्तु की स्थिति और दूरी का पता लगाने में।

12. 500 m ऊँची मीनार से गिराए पत्थर की ध्वनि तालाब पर कब सुनाई देगी?

दी गई बातें: h = 500 m, g = 10 m/s², v = 340 m/s (ध्वनि की चाल)
– पत्थर के गिरने का समय: t₁ = √(2h/g) = √(2×500/10) = √100 ≈ 10 s
– ध्वनि के लौटने का समय: t₂ = h/v = 500 / 340 ≈ 1.47 s
कुल समय = t₁ + t₂ ≈ 10 + 1.47 ≈ 11.47 s

13. ध्वनि तरंग की आवृत्ति

दी गई बातें: v = 339 m/s, λ = 1.5 cm = 0.015 m
f = v / λ = 339 / 0.015 ≈ 22600 Hz ≈ 22.6 kHz
– यह मानव श्रव्य परास (20 Hz – 20 kHz) से अधिक है → श्रव्य नहीं, यह पराध्वनि है।

14. अनुरणन क्या है? इसे कैसे कम किया जा सकता है?

अनुरणन (Echo) वह ध्वनि है जो किसी सतह से परावर्तित होकर लौटती है।
कम करने के उपाय:

• कमरे में नरम पर्दे, कारपेट और फर्नीचर लगाना → ध्वनि अवशोषित होती है।
• कठोर और चिकनी सतहों की संख्या कम करना।
• ध्वनि अवशोषक पैनल लगाना।

15. ध्वनि की प्रबलता (Loudness)

ध्वनि की प्रबलता का अर्थ है ध्वनि कितनी जोर से सुनाई देती है। यह निम्न कारकों पर निर्भर करती है:

• ध्वनि स्रोत का आयाम (Amplitude) – अधिक आयाम → अधिक प्रबलता
• श्रोत और सुनने वाले के बीच दूरी – दूरी अधिक → प्रबलता कम
• माध्यम की विशेषताएँ – वायु, जल, ठोस में प्रबलता अलग होती है

16. पराध्वनि द्वारा वस्तुओं को साफ़ करना

पराध्वनि (Ultrasound) तरंगें उच्च आवृत्ति की होती हैं।
उन्हें तरल में भेजने पर सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं, जो फूटते समय वस्तु की सतह से धूल, तेल और गंदगी को हटा देते हैं।
उदाहरण: गहनों, घड़ी के पुर्ज़ों और मेडिकल उपकरणों की सफाई।

17. पराध्वनि द्वारा धातु में दोष पता करना

– धातु में पराध्वनि तरंगें भेजी जाती हैं।
– तरंगें धातु के अंदर किसी दोष (क्रैक, छेद) से टकराकर परावर्तित होती हैं।
– परावर्तित तरंग का समय और तीव्रता देखकर दोष का आकार और स्थान पता लगाया जाता है।
उपयोग: एयरक्राफ्ट, पुल, पाइपलाइन आदि की सुरक्षा जाँच में।

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