ध्वनी (SOUND)

ध्वनी (SOUND)

या प्रकरणात आपल्याला ध्वनी म्हणजे काय, ध्वनीचे स्वरूप तसेच मानवी कर्णाविषयी अभ्यास करायचा आहे

ध्वनी म्हणजे ऐकण्याची संवेदना

ध्वनी ही एकप्रकारची ऊर्जा आहे. जी आपल्या कानात ऐकण्याची संवेदना निर्माण करते.

ध्वनीची निर्मिती (Production of sound)

जी भौतिक संकल्पना ध्वनीच्या निर्मितीस कारणीभूत असते, त्यास ‘कंपन’ (vibration) असे म्हणतात.

कंपन म्हणजे वस्तूची जलद गतीने पुढे मागे होणारी हालचाल.

कंपने ही दिसूही शकतात किंवा ती जाणवतात.

ध्वनीचे प्रसारण (Propagation of sound)

ध्वनीचे प्रसारण होण्यासाठी माध्यमाची आवश्यकता असते.

माध्यम म्हणजे काय

ध्वनी ज्या पदार्थातून प्रसारित होतो त्या पदार्थाला ध्वनीचे माध्यम (Medium) म्हणतात.

परत ध्वनी प्रसारित होण्यासाठी माध्यम हे कणरहीत असावे. (Particle medium)

ध्वनीच्या प्रसारणाची संकल्पना

ज्या वेळी ध्वनी एखाद्या माध्यमातून प्रसारित होतो तेव्हा, ज्या जागी कंपने तयार होतात. तेथून ध्वनीचे प्रसारण होते.

मर्वप्रथम जिथे कंपन झाले आहे तेथील कण कंपनामुळे विचलीत होतात. (हालचाल होते).

हे विचलीत कण त्यांच्या शेजारच्या कणावर बल प्रयुक्त करतात व पुन्हा आपल्या मूळ जागेवर येतात. पुन्हा समोरचा विचलीत कण त्याच्या पुढच्या कणावर बल प्रयुक्त करून मूळ स्थितीत येतो.

अशा प्रकारे प्रत्येक कण आपल्या शेजारील कणावर बल प्रयुक्त करून पुन्हा आप-आपल्या जागेवर येतो.

म्हणजेच असे म्हणता येईल की ध्वनीचे प्रसारण हे स्वत: कण करतात. परंतु ते त्यांच्या मूळ जागेवर राहूनच.

ध्वनीचे प्रसारण हे तरंगाच्या (waves) स्वरुपात होते.

म्हणजेच ज्या माध्यमात कण हे जितके जवळ असतात. तितक्या जलद गतीने ध्वनीचे प्रसारण होते.

• आपणास माहिती आहे स्थायू मधील कण अगदीच जवळ-जवळ असतात, म्हणून स्थायूमध्ये ध्वनीचा वेग सर्वाधिक असतो.

ध्वनी लहरी अनुतरंग (Longitudinal waves) आहेत.

आपण आताच पाहिले की ध्वनीचे वहन हे लहरीच्या स्वरूपात होते.

लहरी दोन प्रकारच्या असतात.

i) अवतरंग (Transverse waves)

• ज्या तरंगात कणाचे दोलन मध्य स्थितीच्या वर आणि खाली होते आणि हे दोलन (oscillation) तरंग प्रसरणाच्या रेषेला लंब असते.
• थोडक्यात सांगायचे तर, जे तरंग वर-खाली व रेषेला लंब प्रकारे प्रसारित होतात त्याला अवतरंग म्हणतात

ii) अनुतरंग (Longitudinal waves)

• ज्या तरंगात कणाचे दोलन (Oscillation) पुढे आणि मागे होते आणि त्यांचे दोलन तरंग प्रसारणाच्या रेषेनुसार होते त्यांना “अनुतरंग” म्हणतात.
• म्हणजेच पुढे-मागे होणारे आणि प्रसरण रेषेच्या दिशेने होणारे दोलन म्हणता येईल.

ध्वनी हे अनुतरंगाचे उदाहरण आहे तर प्रकाश हे अवतरंगाचे उदाहरण आहे.

ध्वनी तरंगाची वैशिष्ट्ये

ध्वनी तरंग निर्माण होताना, म्हणजेच पुढे-मागे दोलन होताना,

i) संपीडन (compressions) तयार होतात.

म्हणजे कणांची एकत्रित गर्दी असणारे भाग, येथे घनता व दाब उच्च असतो.

ii) विरलन (Rarefraction) तयार होतात

– ज्या भागात कण दूर-दूर विखुरलेले असतात त्याला विरलन म्हणतात.
येथे घनता व दाब कमी असतो.

ध्वनी तरंगाविषयी काही महत्वाच्या संज्ञा

1) तरंगलांबी (wavelength)

• अगदी लगतच्या दोन संपीडनातील किंवा लगतच्या दोन विरलनातील अंतरास “तरंगलांबी”(wavelength) म्हणतात.
• तरंगलांबी ग्रीक भाषा लॅम्डा (2) ने दर्शवतात.

2) वारंवारता (Frequency)

एकक कालावधीत होणारी आंदोलनाची संख्या म्हणजेच तरंगाची वारंवारता होय.

आंदोलन (oscillation) म्हणजे?

1. तरंगामध्ये जास्तीत जास्त घनतेपासून कमीतकमी घनतेपर्यंत आणि पुन्हा जास्तीत जास्त घनतेपर्यंत होणारा बदल म्हणजे एक आंदोलन होय.

वारंवारतेचे SI पद्धतीत हर्टझ एकक असून Hz दर्शवतात.

वारंवारता अक्षर न्यू दर्शवितात.

3) तरंग काल (Time Period of wave)

+लगतची दोन सपीडने किंवा विरलने यांना ठराविक बिंदू पार करून जाण्यास लागणारा वेळ म्हणजे “तरंगकाल होय.

याला आपण संपूर्ण एक आंदोलन होण्यासाठी लागणारा वेळ असेही म्हणू शकतो.

म्हणूनच तरंगकाल T = 1/ वारंवारता

T= 1/v

4) तीव्रता (Pitch)

‘ध्वनी स्त्रोताच्या कंपनांची वारंवारता म्हणजेच तीव्रता होय’

• जेवढी जास्त तीव्रता तेवढा ध्वनी कर्कश असतो व तीव्रता जेवढी कमी तेवढाच ध्वनी स्पष्ट ऐकू येतो.
• साधारणतः स्त्रीयांच्या आवाजाची तीव्रता पुरुषापेक्षा जास्त असते.

• सिंहाती गाना – Low pitch
• पक्ष्यांची किलबील = high pitch
• शिट्टी वाजवणे = high pitch
• ध्वनीची तीव्रता जेव्हा दहा पटीने वाढते तेव्हा ध्वनी पातळी 10dB ने वाढते.

5) आयाम (Amplitude)

माध्यमातील कणाचे मध्यस्थितीपासून कोणत्याही एका बाजूला होणारे जास्तीत जास्त विस्थापन म्हणजे “आयाम’ होय. (आयाम कमी जास्त झाला तरी वारंवारता कायम राहते)

• आवाजाची उच्चता किंवा सौम्यता मूलतः त्याच्या आयामावर अवलंबून असते.
• आयाम ‘A’ या अक्षराने दर्शवतात.

6) स्वर आणि सूर

स्वर (Tone)

• एकच वारंवारता असणाऱ्या ध्वनीला ‘स्वर’ म्हणतात.

सूर (Note)

• विविध प्रकारच्या मिश्रणाने ‘सूर’ तयार होतात.

7) ध्वनीची उच्चता (Loudness)

म्हणजे ध्वनीला कानाने दिलेल्या प्रतिसादाचे मोजमाप होय.

8) ध्वनीची प्रखरता (Intensity)

• ध्वनीची प्रखरता म्हणजे एकक कालावधीत एकक क्षेत्रफळातून जाणारी एकूण ध्वनी ऊर्जा होय.

ध्वनीचा वेग (Speed Sound)

आपण पाहिले आहे की ध्वनीचा वेग कणांच्या अंतरावर अवलंबून आहे.

ज्या माध्यमात कण अतिशय जवळ जवळ असतात. त्या माध्यमात ध्वनीचा वेग जास्त असतो.

ध्वनी सर्वात जलद स्थायू मधून वाहतो.

म्हणूनच ध्वनीच्या गतीचा माध्यमानुसार क्रम सर्वात जास्त पासून कमी पर्यंत

स्थायू >द्रव> वायू
Solid> liquid >gas

• निर्वात पोकळी (vacuum) मध्ये ध्वनीचा वेग शून्य असतो. म्हणजेच निर्वातात प्रवास करु शकत नाहीत.

आपण असे ऐकले असेल की थंड हवेच्या ठिकाणी ध्वनी अधिक स्पष्ट ऐकू येतो, असे का?

कारण ज्या माध्यमात कण जवळ-जवळ असतात त्या माध्यमात ध्वनीचा वेग जास्त असतो. थंड हवेच्या धुके पडते. ज्यामुळे हवेतील कण जवळ-जवळ येतात.

• वातावरणाची आर्द्रता (Humidity) वाढली की ध्वनीचा वेगही वाढतो.

ध्वनीच्या वेग ची व्याख्या

‘तरंगावरील संपीडन किंवा विरलनासारख्या एखाद्या बिंदूने एकक कालावधीत कापलेले अंतर म्हणजे ध्वनीचा वेग होय.’

साधारणत:

वेग = अंतर / काल

ध्वनीचा वेग = तरंगलांबी/ तरंग काल

म्हणूनच सारख्याच भौतिक स्थितीत दिलेल्या माध्यमातील सर्व वारंवारतांकरिता ध्वनीचा वेग जवळपास सारखाच असतो.

जर एखाद्या माध्यमाचे तापमान वाढविले तर त्या माध्यमात ध्वनीचा वेग ही वाढतो.

सारणी : विविध माध्यमात 25°C तापमानाला ध्वनीचा वेग

मानवाची श्रवण मर्यादा

तसे पाहता ध्वनीच्या वारवरतेवर ध्वनीचे तीन प्रकार पडतात.

1) अवश्रव्य ध्वनि (Infrasonic)

ज्या ध्वनीची वारंवारता 20 Hz पेक्षाही कमी असते त्या ध्वनीला अवश्रव्य ध्वनी म्हणतात.

उदा. व्हेल मासे, हत्ती, गेंडा (5Hz). या प्राण्यामार्फत हे आवाज काढले जातात.

उदा.:

• भूकंप होण्याआधी पृथ्वीच्या पृष्ठभागाची कंपने होऊन निर्माण झालेला ध्वनी.
• दोलकाच्या कंपनाने तयार झालेला ध्वनी

2) मानवी श्रवण मर्यादा (Audiable range)

• मानवी कानाची ध्वनी ऐकण्याची मर्यादा सुमारे 20 हर्टझ् ते 20 हजार हर्टझ आहे.
• परंत पाच वर्षाच्या आतील मुले व कुत्र्यासारखे काही प्राणी 25000 हाटेझ् पर्यंत ध्वनी ऐकू शकतात.

3)श्रव्यातील ध्वनी (Ultrasonic)

20,000 Hz पेक्षा अधिक वारवारता असणाऱ्या ध्वनीला श्रव्यातील ध्वनी म्हणतात.

उदा.: डॉल्फिन्स, वटवाघूळ, उंदीर हे प्राणी हा ध्वनी निर्माण करतात.

• तसेच कुत्रा श्रव्यातील ध्वनी ऐकू शकतो.
• हा ध्वनी श्राव्यातील मार्गात अडथळे असूनही तो विशिष्ट मार्गाने पुढे जाऊ शकतो. म्हणून या प्रकारच्या ध्वनाचा उपयोग विविध ठिकाणी केला जातो.

प्रतिध्वनी (Echo)

• ज्याप्रमाणे प्रकाशाचे परावर्तन होते. तसेच ध्वनीचेही परावर्तन (Reflection) होऊ शकते.
• ध्वनीचे परावर्तन हे नियमाप्रमाणेच होते.
• Echo बद्दल आपणास माहिती आहेच, थंड हवेच्या ठिकाणी ध्वनी पुन्हा पुन्हा ऐकू येतात.
• ‘प्रतिध्वनी म्हणजे मूळ ध्वनीची कोणत्याही पृष्ठभागावरून परावर्तनामुळे होणारी पुनरावृत्ती होय.’

निनाद (Reverberation)

भिंतीवरुन ध्वनी तरंगाचे पुन्हा-पुन्हा परावर्तन होऊन ध्वनीतरंग एकत्र येऊन सतत जाणवेल असा ध्वनी तयार होतो. त्याचा परिणाम ध्वनीचे सातत्य राहण्यात होतो यालाच “निनाद” म्हणतात.

म्हणूनच निनाद कमी करण्यासाठी सभागृहांचे छत भिंती सामान्यतः क्रॉम्प्रेस्ड फायबर बोर्ड, खडबडीत गिलावा किंवा पडदे यासारख्या ध्वनी शोषक साहित्याने आच्छादित असतात.

सोनार (SONAR)

• SONAR Sound Navigation And Ranging.
• उपयोग – याचा उपयोग पाण्याखालील वस्तूंचे अंतर, दिशा आणी वेग काढण्यासाठी होतो.
• यामध्ये श्रव्यातील ध्वनी (Ultrasonic waves) वापरतात.

कार्य

SONAR मध्ये प्रक्षेपक व शोधक असतात, जहाजावर किंवा बोटीवर बसवले जातात.

1)प्रक्षेपक ( Transmitter)

• याचे कार्य म्हणजे श्रव्यातील ध्वनी निर्माण करणे आणि त्याचे प्रसरण करणे.
• पाण्यात प्रवास करतात समुद्रतळाशी असलेल्या वस्तूवर आदळून तरंग परावर्तित (Reflect) होतात.

2) शोधक (Detector)

• याद्वारे श्रव्यातील ध्वनी तरंगाचे रूपांतर अशा विद्युतलहरीत होते की ज्यांचा सुयोग्य अर्थ व्यक्त केला जातो.
• या प्रक्रियेद्वारे एकूण काळ व वेग यावर अवलंबून आपणास समुद्राची खोली काढता येते, पाण्याखालच्या टेकड्या, दर्या पाणबुड्या, हिमगिरी, बुडलेली जहाजे शोधण्यासाठी याचा उपयोग होतो.

मानवी कर्ण (Human Ear)

मानवी कर्णाचे मुख्य तीन भाग आहेत.

1) बाह्य कर्ण (External Ear)

2) मध्य कर्ण (Middle Ear)

3) आंतर कर्ण (Inner Ear)

बाह्य भाग ज्याला बाह्यकर्ण (Pinna) म्हणतात. याचे काम म्हणजे ध्वनी गोळा करणे व तो कानाच्या छिद्राद्वारे आत पाठवणे होय.

मध्य कर्णाच्या सुरुवातीला पोकळीमध्ये एक पातळ पडदा असतो. (Tympanic membrane) यावर ध्वनी आदळतात आणि कंप पावतात.

i) ध्वनीच्या तरंगातील संपीडन (compression) हा जास्त दाब व घनता असलेला भाग पडद्यावर पोहचतो व पदड्यावर दाब निर्माण होऊन पडदा आत ढकलल्या जातो.

ii) याउलट तरंगातील विरलन (Rarefraction) हा कमी दाब व घनता असलेल्या भागामुळे तो पडद्यावर पोहचताच पडदा बाहेर ढकलल्या जातो.

अशा प्रकारे ध्वनीच्या तरंगाचे वहन पडदा पुढे-मागे होऊन आंतरकर्णात ध्वनी पोहचतात.

नंतर आंतरकर्णात ध्वनी पोहचल्यावर त्याचे वजन चेताद्वारे केले जाते.

आंतरकर्णात गोगलगायीच्या शंखाप्रमाणेच चक्राकार पोकळी असते तिला कर्णावर्त (cochlea) म्हणतात. तिच्यामुळे ध्वनीचा दर्जा व तीव्रता ओळखू येते.

मध्य कर्णाच्या पडदयाद्वारे आलेले सर्व कंपने कर्णावर्त स्वीकारतो व याचे रूपांतर विद्युत लहरीत करतो. या विद्युत लहरीचे बहन ध्वनी विषयक मज्जातंतूवर मेंदूकडे होते.

मध्य कर्णामध्ये ध्वनीचे वहन व्यवस्थित व्हावे यासाठी तीन एकमेकांना जोडलेल्या अस्थी (Bone) असतात. बाहेरून भात मध्ये त्यांचा क्रम

-. Mallus- Incus – Stapes

(Hammer – Anvil – Stirrup)

Important Points

ध्वनीचा हवेतील वेग हा 344 मीटर/सेकंद असतो तर प्रकाशाचा वेग हा 3×108 मीटर/सेकंद असतो. म्हणजे जवळपास 10 6 पट जास्त प्रकाशाचा वेग असतो. म्हणूनच जेव्हा आकाशात वीज चमकते. तेव्हा सर्वप्रथम वीज प्रकाशित व त्यानंतर 10 6 पट वेळाने ध्वनी ऐकू येतो.

2) ध्वनीची उच्चता डेसिबल या एककात मोजतात. (अलेक्झांडर ग्रॅहम बेल यांच्या स्मरणार्थ)

• i) साधारण श्वासोच्छ्वास = 10 dB
• i) कुजबुजणे चा आवाज = 30 dB
• ii) साधारण संभाषण = 60 dB
• iv) रस्त्यावरील गाडयांची गर्दी = 70 dB
• v) सरासरी औद्योगिक क्षेत्रात = 80 dB
• vi) रॉकेट, मिसाइल = 160 to 190dB
• vi) ऐकु येण्याची सुरुवात = OdB
• vii)जेट इंजिन = 130 dB
• ix) कानठळ्या = 120 dB

80 dB पेक्षा जास्तीच्या ध्वनीमुळे त्रास होते.

150 dB पेक्षा जास्त उच्चतेला माणूस बहिरा होऊ शकतो.

1000 Hz वारंवारता व 100 dB पेक्षा अधिक पातळीचा ध्वनीमुळे ऐकण्याच्या क्षमतेत तात्पुरता फरक पडतो.

Ultrasonography (USG) सोनोग्राफी

याचा उपयोग वैद्यकीय क्षेत्रात निदानासाठी केला जातो.

यामध्ये जास्त वारंवारता (High frequency) असलेले ध्वनी लहरीचा वापर करतात.

ज्या ध्वनीलहरी शरीरातील भागात पाठवल्या जातात त्या ऊती आणि हाडे किंवा ऊती आणि द्रव याच्या संपर्कस्थानाला आदळून परत येतात.

या ध्वनीलहरीचा वेग आपणास माहिती असतो, त्यावरून द्विमीतीय चित्र (2dimensional Image) तयार होण्यास मदत होते.

सोनोग्राफी या तंत्रात पायझोइलेक्ट्रीक इफेक्ट चा वापर केला जातो.

• Piezoelectric effect म्हणजे काय ?

पीजोइलेक्ट्रिक इफेक्ट हा Crystals द्वारे दाखवला जातो.

ज्यावेळी quartz crystals वर दोन्हीही बाजूनी दाब दिला जातो त्यावेळी ते dipoles ची निर्मिती करतात.

या dipoles मुळे electric effect निर्माण होते यालाच Piezoelectric effect म्हणतात.

याचा वापर विविध उपकरणात केला जातो.

उदा. gas lighter, Sonography

हर्टझ विषयी (1857- 1894)

जर्मन भौतिकशास्त्रज्ञ. त्यांनी सर्वप्रथम बिनतारी संदेशवहनाचे प्रसारण व तरंगांची स्वीकृती केली.

त्यांनी विद्युत चुंबकीय लहरी निर्माण करुन त्यांना अवकाशात पाठविले आणि त्यांचा वेग व तरंगलांबी मोजली.

त्यांनी आकाशवाणी, दूरध्वनी, दूर संदेशवहन यंत्र आणि दूरदर्शनच्या भविष्यातील विकासाचा पाया घातला त्यांनी फोटो इलेक्ट्रिक परिणामाचा देखील शोध लावला. SI पद्धतीत वारंवारतेच्या एककास त्यांच्या सन्मानार्थ नाव देण्यात आले.

अवश्रव्य ध्वनीद्वारे हत्ती 10km अंतरादरम्यान संवाद साधतात.