ध्वनि (Sound)

ए. ध्वनि का उत्पादन:

ध्वनि भौतिक निकायों के यांत्रिक कंपन से उत्पन्न होती है। जब कोई पिंड कंपन करता है, तो यह गतिज ऊर्जा को आसपास के माध्यम में आसन्न अणुओं में स्थानांतरित करता है।

• मानव आवाज: फेफड़ों से निकलने वाली हवा स्वरयंत्र (स्वर बॉक्स) में दो स्वर रज्जुओं को कंपन करने का कारण बनती है।
• संगीत वाद्ययंत्र: कंपन करने वाले तार (गिटार, सितार), कंपन करने वाली झिल्लियां (तबला, ड्रम), कंपन करने वाले वायु स्तंभ (बांसुरी, तुरही).

बी. ध्वनि के लिए एक भौतिक माध्यम की आवश्यकता होती है (बेल-जार प्रयोग):

1. एक विद्युत घंटी को वैक्यूम सक्शन पंप से जुड़े एक एयरटाइट ग्लास बेल जार के अंदर लटकाया जाता है।
2. जब विद्युत परिपथ बंद हो जाता है, तो घंटी का हथौड़ा घंटा से टकराता है, और बजने की ध्वनि स्पष्ट रूप से सुनाई देती है।
3. जैसे ही वैक्यूम पंप धीरे-धीरे जार के अंदर से हवा निकालता है, ध्वनि उत्तरोत्तर धीमी होती जाती है।
4. जब लगभग पूर्ण निर्वात निर्मित हो जाता है, तब भी हथौड़े को घंटी पर जोर से प्रहार करते हुए देखा जा सकता है, लेकिन कोई ध्वनि बिल्कुल नहीं सुनाई देती!
5. निष्कर्ष: ध्वनि एक यांत्रिक तरंग है जो निर्वात से होकर नहीं गुजर सकती। इसके लिए कड़ाई से एक भौतिक माध्यम (ठोस, तरल या गैस) की आवश्यकता होती है।

ए. परिभाषाएँ:

• संपीडन ($C$): उच्च दबाव और उच्च आणविक घनत्व के क्षेत्र।
• दुर्लभ प्रतिक्रियाएँ ($R$): कम दबाव और कम आणविक घनत्व वाले क्षेत्र।
• आयाम ($A$): किसी कंपनित कण का उसकी केंद्रीय माध्य स्थिति से अधिकतम विस्थापन (इकाई: मीटर, $\text{m}$).
• समय अवधि ($T$): एक पूर्ण दोलन पूरा करने में लगने वाला समय (इकाई: दूसरा, $\text{s}$).
• आवृत्ति ($f$ या $\nu$): प्रति सेकंड पूर्ण कंपन की संख्या (एसआई इकाई: हर्ट्ज़, $\text{Hz}$): $$f = \frac{1}{T}$$
• तरंगदैर्ध्य ($\lambda$): दो क्रमिक संपीड़न या विरलन के बीच की भौतिक दूरी (इकाई: मीटर, $\text{m}$).

बी. तरंग समीकरण:

ए. मध्यम लोच और घनत्व:

ध्वनि ठोस पदार्थों (सबसे अधिक लोचदार और सघन रूप से भरे परमाणुओं) के माध्यम से सबसे तेज़ यात्रा करती है, तरल पदार्थों के माध्यम से धीमी और गैसों के माध्यम से सबसे धीमी गति से यात्रा करती है:

• स्टील में गति $\approx 5,000\text{ m/s}$.
• पानी में गति $\approx 1,500\text{ m/s}$.
• हवा में गति ($20^\circ\text{C}$) $\approx 340\text{ m/s}$.

बी. गरज बनाम बिजली:

आंधी तूफान में, विद्युत निर्वहन एक ही समय में एक साथ बिजली और गड़गड़ाहट पैदा करता है। हालाँकि:

• प्रकाश $c = 300,000,000\text{ m/s}$ ($3 \times 10^8\text{ m/s}$) की अत्यधिक गति से यात्रा करता है, लगभग तुरंत ($t \approx 0$) हमारी आंखों तक पहुंचता है।
• ध्वनि केवल $\approx 340\text{ m/s}$ की मामूली गति से यात्रा करती है, जिससे हवा के प्रत्येक किलोमीटर को पार करने में कई सेकंड लगते हैं।
• इसलिए, पहले बिजली की चमक दिखाई देती है, उसके कई सेकंड बाद गड़गड़ाहट की गड़गड़ाहट दिखाई देती है.

ए. ध्वनि के तीन लक्षण:

1. पिच (तीक्ष्णता): सख्ती से आवृत्ति ($f$) द्वारा निर्धारित। उच्च आवृत्ति एक तेज़, तीखी पिच पैदा करती है (उदाहरण के लिए, महिला की आवाज़, सीटी, मच्छर भिनभिनाहट); कम आवृत्ति गंभीर, सपाट स्वर उत्पन्न करती है (जैसे, पुरुष आवाज, शेर की दहाड़)।
2. लाउडनेस: आयाम के वर्ग ($A^2$) द्वारा निर्धारित। अधिक आयाम कान में अधिक कंपन ऊर्जा संचारित करता है।
3. गुणवत्ता (टिम्ब्रे): विभिन्न उपकरणों (उदाहरण के लिए, बांसुरी बनाम वायलिन) द्वारा उत्पन्न एक ही पिच और तीव्रता की ध्वनियों को अलग करता है, जो ध्वनि तरंग के आकार और ओवरटोन/हार्मोनिक्स की उपस्थिति द्वारा नियंत्रित होती है।

बी. फ़्रिक्वेंसी स्पेक्ट्रम:

• इन्फ्रासोनिक ध्वनि ($< 20\text{ Hz}$): मानव श्रवण से नीचे; भूकंप, ज्वालामुखी, हाथियों और व्हेल द्वारा उत्सर्जित।
• श्रव्य ध्वनि ($20\text{ Hz} - 20,000\text{ Hz}$): मानव ध्वनि स्पेक्ट्रम.
• अल्ट्रासोनिक ध्वनि ($> 20,000\text{ Hz}$ या $20\text{ kHz}$): मानव श्रवण से ऊपर; इकोलोकेशन, डॉल्फ़िन, सोनार (साउंड नेविगेशन एंड रेंजिंग), और मेडिकल अल्ट्रासोनोग्राफी के लिए चमगादड़ द्वारा उपयोग किया जाता है।