Sound and Communication

(क) ध्वनि का उत्पादन (Production of Sound)

ध्वनि विभिन्न वस्तुओं के कंपन (Vibration - किसी वस्तु की अपनी माध्य स्थिति के इधर-उधर त्वरित गति) द्वारा उत्पन्न होती है। जब हम बोलते हैं, तो हमारे गले के वाक्-तंतुओं (Vocal Cords) में कंपन होता है; गिटार या सितार में तानित तार कंपित होते हैं; तबले में तानित झिल्ली और बाँसुरी में वायु स्तंभ के कंपन से ध्वनि उत्पन्न होती है।

(ख) ध्वनि संचरण हेतु माध्यम की अनिवार्यता (विद्युत घंटी प्रयोग)

ध्वनि एक यांत्रिक तरंग है। इसके संचरण के लिए ठोस, द्रव अथवा गैस जैसे भौतिक माध्यम की आवश्यकता अनिवार्य होती है। ध्वनि निर्वात (Vacuum) में गमन नहीं कर सकती।

प्रायोगिक सत्यापन (Bell Jar Experiment): एक कांच के बेलजार में एक विद्युत घंटी लटकाते हैं और बेलजार को वैक्यूम पंप (वायु निष्कासन पंप) से जोड़ते हैं। जब बेलजार में हवा भरी होती है और स्विच दबाया जाता है, तो घंटी की स्पष्ट और तेज आवाज बाहर सुनाई देती है। अब वैक्यूम पंप चलाकर बेलजार से हवा को धीरे-धीरे बाहर निकालना प्रारंभ करते हैं। जैसे-जैसे हवा कम होती जाती है, घंटी की आवाज धीमी होती चली जाती है, यद्यपि घंटी का हथौड़ा पहले की तरह ही घंटी पर बजता हुआ स्पष्ट दिखाई देता है। जब बेलजार के भीतर पूर्ण निर्वात (Vacuum) उत्पन्न हो जाता है, तो घंटी की आवाज पूर्णतः बंद हो जाती है। यह सिद्ध करता है कि ध्वनि संचरण के लिए माध्यम अनिवार्य है। (यही कारण है कि चंद्रमा पर वायुमंडल न होने के कारण अंतरिक्ष यात्री सीधे एक-दूसरे की आवाज नहीं सुन सकते और रेडियो तरंगों का उपयोग करते हैं)।

(ग) अनुदैर्ध्य तरंग के रूप में संचरण: संपीडन एवं विरलन

वायु में ध्वनि अनुदैर्ध्य तरंगों (Longitudinal Waves) के रूप में गमन करती है, जिसमें माध्यम के कण तरंग संचरण की दिशा के समानांतर आगे-पीछे दोलन करते हैं:

• संपीडन (Compression - C): जब कंपित वस्तु आगे बढ़ती है, तो वह अपने सामने की वायु को धक्का देकर संपीड़ित करती है। इस उच्च घनत्व तथा उच्च दाब वाले क्षेत्र को संपीडन कहते हैं।
• विरलन (Rarefaction - R): जब कंपित वस्तु पीछे हटती है, तो सामने एक निम्न दाब और निम्न घनत्व का क्षेत्र बन जाता है, जिसे विरलन कहते हैं।

किसी ध्वनि तरंग का पूर्ण वैज्ञानिक विवरण निम्नलिखित 5 अभिलक्षणों द्वारा दिया जाता है:

1. तरंगदैर्घ्य (Wavelength - $\lambda$): दो क्रमागत संपीडनों (C) अथवा दो क्रमागत विरलनों (R) के बीच की दूरी को तरंगदैर्घ्य कहते हैं। इसका SI मात्रक मीटर (m) है।
2. आवृत्ति (Frequency - $ u$ या $f$): एकांक समय (1 सेकंड) में उत्पन्न होने वाले कुल दोलनों या संपीडन-विरलन के जोड़ों की संख्या को आवृत्ति कहते हैं। इसका SI मात्रक हर्ट्ज़ (Hertz - Hz) है (1 Hz = 1 कंपन प्रति सेकंड)। हेनरिक हर्ट्ज़ के सम्मान में यह नाम रखा गया।
3. आवर्तकाल (Time Period - $T$): माध्यम के किसी बिंदु द्वारा एक पूर्ण दोलन पूरा करने में लिए गए समय को आवर्तकाल कहते हैं। इसका SI मात्रक सेकंड (s) है।
   $$\mathbf{ u = rac{1}{T} \quad ext{अर्थात} \quad T = rac{1}{ u}}$$
4. आयाम (Amplitude - $A$): माध्यम के कणों का उनकी मूल संतुलित (माध्य) स्थिति से दोनों ओर होने वाले अधिकतम विस्थापन को तरंग का आयाम कहते हैं। ध्वनि की प्रबलता (Loudness) आयाम के वर्ग के समानुपाती होती है ($L \propto A^2$)।
5. तरंग वेग (Wave Velocity - $v$): तरंग द्वारा एकांक समय में तय की गई दूरी को तरंग वेग कहते हैं ($v = ext{दूरी} / ext{समय} = ext{m/s}$)।

तरंग चाल, आवृत्ति तथा तरंगदैर्घ्य में संबंध ($v = u \lambda$) का निगमन:

(क) प्रतिध्वनि (Echo) एवं स्पष्ट प्रतिध्वनि की न्यूनतम दूरी

जब कोई ध्वनि किसी बड़े अवरोधक (जैसे ऊँची दीवार, पहाड़ या इमारत) से टकराकर परावर्तित होकर पुनः सुनाई देती है, तो इस परावर्तित ध्वनि को प्रतिध्वनि (Echo) कहते हैं।

स्पष्ट प्रतिध्वनि सुनने के लिए न्यूनतम दूरी ($17.2 ext{ m}$) की गणना:
हमारे मस्तिष्क में किसी भी ध्वनि की संवेदना लगभग $0.1 ext{ सेकंड} \ (rac{1}{10} ext{ s})$ तक बनी रहती है (इसे श्रवण का निर्बंध / Persistence of Hearing कहते हैं)। अतः मूल ध्वनि और परावर्तित प्रतिध्वनि के बीच कम से कम $0.1 ext{ s}$ का समय अंतराल होना अनिवार्य है।
22°C पर वायु में ध्वनि की चाल $v = 344 ext{ m/s}$।
$0.1 ext{ s}$ में ध्वनि द्वारा तय की गई कुल दूरी (जाने और आने की दूरी = $2d$):
$$2d = ext{चाल } (v) imes ext{समय } (t) = 344 ext{ m/s} imes 0.1 ext{ s} = 34.4 ext{ m}$$ अतः श्रोता से परावर्तक सतह की न्यूनतम एकतरफा दूरी ($d$):
$$d = rac{34.4 ext{ m}}{2} = \mathbf{17.2 ext{ मीटर}}$$ अतः 22°C पर स्पष्ट प्रतिध्वनि सुनने के लिए परावर्तक तल की न्यूनतम दूरी कम से कम 17.2 मीटर होनी चाहिए।

(ख) अनुरणन (Reverberation) एवं इसका निवारण

किसी बड़े हॉल या सभागार में ध्वनि स्रोत के बंद हो जाने के बाद भी दीवारों, छत और फर्श से बार-बार होने वाले बहुल परावर्तनों के कारण ध्वनि का कुछ समय तक गूँजते रहना अनुरणन (Reverberation) कहलाता है। अत्यधिक अनुरणन के कारण वक्ता की आवाज अस्पष्ट और धुंधली हो जाती है।

अनुरणन को कम करने के व्यावहारिक उपाय:

• सभागारों की छतों एवं दीवारों पर ध्वनि अवशोषक सामग्री (जैसे संपीड़ित फाइबर बोर्ड, थर्मोकोल, खुरदरा प्लास्टर) लगाना।
• खिड़कियों और दरवाजों पर भारी पर्दे (Heavy Drapes) लटकाना।
• फर्श पर मोटे कालीन (Carpets) बिछाना।
• सीटों की गद्दियों को ध्वनि-अवशोषक पदार्थों से बनाना।

(क) श्रव्यता का परिसर (Range of Hearing)

• श्रव्य ध्वनि (Audible Sound): सामान्य स्वस्थ मानव कान द्वारा सुनी जा सकने वाली ध्वनियों की आवृत्ति सीमा $20 ext{ Hz}$ से $20,000 ext{ Hz}$ ($20 ext{ kHz}$) तक होती है।
• अवश्रव्य ध्वनि (Infrasonic Sound): $20 ext{ Hz}$ से कम आवृत्ति की ध्वनि। (उदा: राइनोसेरोस/गैंडा $5 ext{ Hz}$ की अवश्रव्य ध्वनि से संवाद करता है; व्हेल तथा हाथी अवश्रव्य तरंगें उत्पन्न करते हैं; भूकंप के मुख्य झटकों से पूर्व अवश्रव्य तरंगें निकलती हैं)।
• पराध्वनि / पराश्रव्य (Ultrasonic Sound): $20,000 ext{ Hz}$ ($20 ext{ kHz}$) से अधिक आवृत्ति की ध्वनि। (उदा: चमगादड़, डॉल्फिन, चूहे और पोरपोइस पराध्वनि उत्पन्न व सुन सकते हैं)।

(ख) पराध्वनि (Ultrasound) के औद्योगिक व चिकित्सीय अनुप्रयोग

1. धातु के ब्लॉकों में दरारों एवं दोषों का पता लगाना: भारी मशीनों और पुलों में धातु के भीतर छिपी अदृश्य दरारों की पहचान पराध्वनि के परावर्तन द्वारा बिना तोड़े की जाती है।
2. इकोकार्डियोग्राफी (Echocardiography - ECG): हृदय के विभिन्न भागों से पराध्वनि तरंगों को परावर्तित कराकर हृदय का सजीव प्रतिबिंब प्राप्त किया जाता है।
3. अल्ट्रासोनोग्राफी (USG): शरीर के आंतरिक अंगों (यकृत, पित्ताशय, गर्भाशय, वृक्क) में पथरी, ट्यूमर या भ्रूण की वृद्धि की जांच हेतु।
4. गुर्दे की पथरी तोड़ना: पराध्वनि की उच्च ऊर्जा तरंगों द्वारा गुर्दे की पथरी को बारीक कणों में तोड़ दिया जाता है जो मूत्र के साथ बाहर निकल जाती है।

(ग) सोनार (SONAR - Sound Navigation and Ranging)

सोनार एक ऐसी तकनीक है जिसमें जल में स्थित पिंडों (जैसे पनडुब्बी, डूबे हुए जहाज, हिमखंड, समुद्र की गहराई) की दूरी, दिशा तथा चाल मापने के लिए पराध्वनि तरंगों का उपयोग किया जाता है।

इसमें जहाज की पेंदी में दो प्रमुख उपकरण लगे होते हैं: (1) प्रेषित्र (Transmitter): पराध्वनि तरंगें उत्पन्न करके समुद्र के तल की ओर भेजता है। (2) संसूचक (Detector): तल से टकराकर लौटने वाली परावर्तित तरंगों को ग्रहण करके उन्हें विद्युत संकेतों में बदलता है।

समुद्र की गहराई ($d$) का सूत्र:
यदि जल में पराध्वनि की चाल $v$ हो तथा प्रेषण से संसूचन तक लगा कुल समय $t$ हो:
$$ ext{कुल तय की गई दूरी} = 2d = v imes t \implies \mathbf{d = rac{v imes t}{2}}$$ (इस विधि को 'इको-रेंजिंग' / प्रतिध्वनि परासन कहते हैं)।