कंपन, दोलन आणि आयाम
तंबोऱ्याची तार छेडल्यावर ती मागे-पुढे हलते आणि आवाज येतो. हात लावून तार थांबवली की आवाज थांबतो.
कोणत्याही वस्तूच्या वेगवान मागे-पुढे हालचालीमुळे ध्वनी निर्माण होतो. साधारण स्थानाच्या दोन्ही बाजूंना होणाऱ्या अशा हालचालीला दोलन (oscillation) म्हणतात. मध्यस्थानापासून जास्तीत जास्त अंतराला आयाम (amplitude) म्हणतात.
नियम 1 : कंपनाशिवाय ध्वनी नाही — घंटा, तार, तबल्याचा पडदा, स्पीकरचा पडदा कंपन पावल्यावर हवेच्या रेणूंनाही कंपन देतात आणि ध्वनी आपल्या कानांपर्यंत येतो. फटाके, टाळी, विजेचा कडकडाट यांतही कंपने होतात, पण ती दिसत नाहीत.
- सोपे : स्पीकरवर हात ठेवला तर कंपन जाणवते.
- मध्यम : कंपन पावणाऱ्या तारेला हात लावला की ध्वनी थांबतो.
- परीक्षेसाठी : फटाका फुटल्यावर वस्तू हलताना दिसत नाही, तरी हवेत वेगवान कंपने होतात म्हणून आवाज येतो.
नियम 2 : झोक्याचे दोलन आणि आयाम — झोका मध्यस्थानातून एका टोकाला जाऊन परत मध्यस्थानातून दुसऱ्या टोकाला जाऊन सुरुवातीच्या जागी आला की एक दोलन पूर्ण होते. रबर बँड जोरात ओढला तर आयाम जास्त होतो आणि आवाज मोठा येतो; हळू ओढला तर आयाम कमी आणि आवाज हळू.
- सोपे : झोका मध्यस्थानातून पुन्हा पुन्हा जातो.
- मध्यम : लंबकाचा आयाम म्हणजे मध्यस्थानापासून एका टोकापर्यंतचे अंतर.
- परीक्षेसाठी : रबर बँड जोरात ओढला तर आयाम वाढतो आणि आवाज मोठा येतो.
दोलन करणाऱ्या वस्तूला दोलक म्हणतात. सहज दिसणारे दोलक : झोका, लंबक, तंबोऱ्याची तार.
"ध्वनीला कंपन लागत नाही" हे चुकीचे आहे. प्रत्येक ध्वनी कंपनातूनच निर्माण होतो, कंपन फक्त नेहमी दिसत नाही.
आठवणीची युक्ती : "हलणारे = बोलणारे" — कंपन थांबले की ध्वनी थांबतो.
फरक ओळखा
| मुद्दा | दोलन | आयाम |
|---|---|---|
| अर्थ | एक पूर्ण मागे-पुढे हालचाल | मध्यस्थानापासून कमाल अंतर |
| कशावर परिणाम | आवर्तकाल | आवाजाचा मोठेपणा |
सरावासाठी प्रश्न
- 1ध्वनी कशामुळे निर्माण होतो?
- 2दोलक म्हणजे काय?
- 3एक दोलन कसे पूर्ण होते?
- 4आयाम म्हणजे काय?
- 5रबर बँड जोरात ओढल्यावर आवाज मोठा का येतो?
- 6कंपन पावणाऱ्या तारेला हात लावला तर काय होते?
- 7फटाका फुटताना कंपने न दिसता आवाज का येतो?
- 8तंबोऱ्याच्या तारेचे दोन टोक स्थिर असतात, तरी ती कंपन का करते?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1वस्तूच्या कंपनामुळे.
- 2दोलन करणारी वस्तू.
- 3मध्यस्थानातून एका टोकाला, दुसऱ्या टोकाला आणि परत सुरुवातीला आल्यावर.
- 4मध्यस्थानापासून जास्तीत जास्त अंतर.
- 5आयाम जास्त होतो.
- 6कंपन थांबते आणि आवाज बंद होतो.
- 7हवेत वेगवान कंपने होतात, पण ती दिसत नाहीत.
- 8मधला भाग मध्यस्थानाच्या दोन्ही बाजूंना हलतो.
आवर्तकाल आणि वारंवारता
बाळाचा झोका जितक्या वेळात एक खेप पूर्ण करतो ती वेळ आणि एका सेकंदात किती खेपा होतात ती संख्या, यांतून झोक्याचा वेग कळतो.
एक दोलन पूर्ण होण्यास लागणारा वेळ म्हणजे आवर्तकाल (time period, T). एका सेकंदात होणाऱ्या दोलनांची संख्या म्हणजे वारंवारता (frequency, n). वारंवारतेचे एकक हर्ट्झ (Hz).
नियम 1 : वारंवारता = 1 ÷ आवर्तकाल — n = 1 ÷ T. आवर्तकाल सेकंदांत घेतला तर वारंवारता हर्ट्झमध्ये मिळते. 20 दोलनांचा वेळ t सेकंद असेल तर T = t ÷ 20.
- सोपे : 0.5 s आवर्तकाल असेल तर n = 1 ÷ 0.5 = 2 Hz.
- मध्यम : 20 दोलनांना 40 s लागले तर T = 40 ÷ 20 = 2 s आणि n = 0.5 Hz.
- परीक्षेसाठी : 500 Hz च्या ध्वनीचा आवर्तकाल 1 ÷ 500 = 0.002 s.
आवर्तकाल आणि वारंवारता
ॲपमध्ये ही आकृती हाताने हलवून बघता येते.
ॲपमध्ये उघडानियम 2 : लंबक: लांबी बदलली तर आवर्तकाल बदलतो, आयाम बदलला तर नाही — दोरी लांब केली तर लंबकाचा आवर्तकाल वाढतो आणि वारंवारता कमी होते. मात्र आयाम कमी-जास्त केला तरी वारंवारता तीच राहते.
- सोपे : लहान लंबक जास्त वेगाने दोलन करतो.
- मध्यम : लंबकाला थोडे किंवा खूप ओढून सोडले तरी वारंवारता तीच राहते.
- परीक्षेसाठी : एका लंबकाची लांबी वाढवल्यावर T वाढतो, म्हणून n कमी होतो.
लंबकाचा आवर्तकाल त्याच्या लांबीवर अवलंबून असतो, आयामावर नाही. 20 दोलने मोजल्याने T अचूक मिळतो.
"मोठा आयाम म्हणजे जास्त वारंवारता" हे चुकीचे आहे. लंबकासाठी आयाम बदलला तरी वारंवारता तीच.
आठवणीची युक्ती : "n = 1 ÷ T, उलटे T = 1 ÷ n" — एक मोठा तर दुसरा लहान.
फरक ओळखा
| मुद्दा | आवर्तकाल (T) | वारंवारता (n) |
|---|---|---|
| अर्थ | एका दोलनाचा वेळ | एका सेकंदातील दोलने |
| एकक | सेकंद (s) | हर्ट्झ (Hz) |
| लांबी वाढवल्यास | वाढतो | कमी होते |
सरावासाठी प्रश्न
- 1वारंवारतेचे एकक कोणते?
- 2आवर्तकाल म्हणजे काय?
- 3वारंवारता आणि आवर्तकाल यांचा संबंध लिहा.
- 4T = 0.25 s असेल तर वारंवारता किती?
- 5लंबकाची लांबी वाढवली तर आवर्तकाल कसा बदलतो?
- 620 दोलनांना 30 s लागले तर T किती?
- 750 Hz च्या ध्वनीचा आवर्तकाल किती?
- 8आयाम वाढवल्यावर लंबकाची वारंवारता का बदलत नाही?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1हर्ट्झ (Hz).
- 2एक दोलन पूर्ण होण्यास लागणारा वेळ.
- 3n = 1 ÷ T.
- 41 ÷ 0.25 = 4 Hz.
- 5तो वाढतो.
- 630 ÷ 20 = 1.5 s.
- 71 ÷ 50 = 0.02 s.
- 8लंबकासाठी आवर्तकाल फक्त लांबीवर अवलंबून असतो.
ध्वनीचे तारत्व
सा रे ग म प ध नि मध्ये आवाज हळूहळू बारीक (तीक्ष्ण) होत जातो; मच्छराचा आवाज बारीक आणि सिंहाची गर्जना घोगरी असते.
ध्वनी किती बारीक किंवा जाड आहे हे सांगणाऱ्या गुणाला तारत्व (pitch) म्हणतात. तारत्व वारंवारतेवर अवलंबून असते : वारंवारता जास्त तर तारत्व जास्त, कमी तर कमी.
नियम 1 : ताण जास्त तर तारत्व जास्त — ताणलेल्या तारेचा ताण वाढवला तर तिची वारंवारता वाढते आणि आवाज बारीक होतो. ताण कमी केला तर आवाज जाड होतो. वाद्य "लावणे" म्हणजे तार किंवा पडदा यांचा ताण बदलून हवे तारत्व मिळवणे.
- सोपे : तंबोरा लावताना तारांचा ताण बदलतात.
- मध्यम : तबल्याच्या पडद्याचा ताण खुंट्या ठोकून बदलतात.
- परीक्षेसाठी : तार घट्ट केली तर वारंवारता वाढल्याने आवाज बारीक होतो.
नियम 2 : लांबी कमी तर तारत्व जास्त — फूटपट्टीचे टोक टेबलावर दाबून मोकळा भाग कमी केला तर ती जास्त वेगाने कंपन करते आणि आवाज बारीक येतो. मोकळा भाग खूप कमी झाला की कंपने इतकी वेगवान होतात की आवाज ऐकू येत नाही.
- सोपे : लहान सळई लवकर कंपन करते.
- मध्यम : सतारीच्या मोकळ्या तारेची लांबी बोटाने कमी केली की तारत्व वाढते.
- परीक्षेसाठी : फूटपट्टीचा मोकळा भाग 25 cm वरून 10 cm केला तर कंपन जलद होते आणि आवाज बारीक होतो.
सिंहाची गर्जना कमी तारत्वाची आणि मच्छराचा गुणगुण जास्त तारत्वाचा असतो. तारत्वाचा आवाजाच्या मोठेपणाशी संबंध नाही.
"मोठा आवाज म्हणजे जास्त तारत्व" हा गैरसमज आहे. मोठेपणा आयामावर, तारत्व वारंवारतेवर अवलंबून असते.
आठवणीची युक्ती : "जास्त n = बारीक आवाज" — वारंवारता वाढली की आवाज बारीक.
फरक ओळखा
| मुद्दा | तारत्व | मोठेपणा |
|---|---|---|
| अवलंबून | वारंवारता | आयाम |
| उदाहरण | सिंह (कमी), मच्छर (जास्त) | हळू गाणे, जोरात ओरडणे |
सरावासाठी प्रश्न
- 1तारत्व म्हणजे काय?
- 2तारत्व कशावर अवलंबून असते?
- 3सिंहाची गर्जना आणि मच्छराचा गुणगुण यांपैकी जास्त तारत्वाचा कोणता?
- 4तारेचा ताण वाढवला तर आवाज कसा बदलतो?
- 5वाद्य लावणे म्हणजे काय?
- 6फूटपट्टीचा मोकळा भाग कमी केल्यावर काय बदल होतो?
- 7मोठा आवाज म्हणजे जास्त तारत्व नव्हे, का?
- 8सतारीतून जास्त तारत्वाचा सूर कसा काढता येतो?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1ध्वनी किती बारीक किंवा जाड आहे हे सांगणारा गुण.
- 2वारंवारतेवर.
- 3मच्छराचा गुणगुण.
- 4तो बारीक होतो.
- 5हवे तारत्व मिळवण्यासाठी तार/पडद्याचा ताण बदलणे.
- 6कंपन जलद होते आणि तारत्व वाढते.
- 7मोठेपणा आयामावर तर तारत्व वारंवारतेवर अवलंबून.
- 8तारेचा मोकळा भाग कमी करून किंवा ताण वाढवून.
ध्वनीची तीव्रता आणि पातळी (डेसिबल)
हळू बोलणे आणि जोरात ओरडणे यांतील फरक, किंवा शांत खोली आणि वाहतुकीचा आवाज यांतील फरक ध्वनीच्या मोठेपणामुळे जाणवतो.
ध्वनी किती मोठा आहे हे दर्शवणारे दोन शब्द : तीव्रता (intensity) आणि ध्वनिपातळी (sound level). ध्वनिपातळीचे एकक डेसिबल (dB). ध्वनीची तीव्रता आयामाच्या वर्गाच्या प्रमाणात असते.
नियम 1 : आयाम दुप्पट केला तर तीव्रता चौपट — तीव्रता ∝ आयामाचा वर्ग. म्हणून आयाम 2 पट केला तर तीव्रता 4 पट, आयाम 3 पट केला तर तीव्रता 9 पट होते.
- सोपे : आयाम 2 पट → तीव्रता 2 × 2 = 4 पट.
- मध्यम : आयाम 3 पट → तीव्रता 3 × 3 = 9 पट.
- परीक्षेसाठी : आयाम निम्मा केला तर तीव्रता 1/4 होते.
ध्वनीची तीव्रता आणि पातळी (डेसिबल)
ॲपमध्ये ही आकृती हाताने हलवून बघता येते.
ॲपमध्ये उघडानियम 2 : तीव्रता 10 पट तर पातळी 10 dB ने वाढते — तीव्रता 10 पट झाली की ध्वनिपातळी 10 dB ने वाढते. सामान्य बोलणे सुमारे 60 dB, जोरदार वाहतूक सुमारे 70 dB. खूप मोठ्या आवाजामुळे कानाला त्रास किंवा तात्पुरता बहिरेपणा येऊ शकतो.
- सोपे : सामान्य संभाषण सुमारे 60 dB.
- मध्यम : 40 dB च्या आवाजाची तीव्रता 10 पट केली तर पातळी 50 dB.
- परीक्षेसाठी : तीव्रता 100 पट (म्हणजे दोनदा 10 पट) झाली तर पातळी 20 dB ने वाढते.
डेसिबल हे नाव अलेक्झांडर ग्रॅहम बेल यांच्या कार्याच्या सन्मानार्थ आहे. 0 dB हा ऐकू येण्याची सुरुवात.
"आयाम दुप्पट म्हणजे तीव्रता दुप्पट" हे चुकीचे आहे. तीव्रता चौपट होते.
आठवणीची युक्ती : "आयाम × k → तीव्रता × k × k" — आयामाचा वर्ग करा.
फरक ओळखा
| आयाम | तीव्रता |
|---|---|
| 2 पट | 4 पट |
| 3 पट | 9 पट |
| निम्मा | 1/4 |
सरावासाठी प्रश्न
- 1ध्वनिपातळीचे एकक कोणते?
- 2आवाज मोठा कशामुळे येतो?
- 3सामान्य संभाषणाची ध्वनिपातळी सुमारे किती?
- 4आयाम 2 पट केल्यास तीव्रता किती पट?
- 5तीव्रता 10 पट झाल्यास पातळी किती वाढते?
- 6आयाम निम्मा केल्यास तीव्रता किती होते?
- 7आयाम 3 पट केला तर तीव्रता किती पट?
- 870 dB च्या आवाजाची तीव्रता 100 पट केली तर पातळी किती?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1डेसिबल (dB).
- 2जास्त आयामामुळे.
- 3सुमारे 60 dB.
- 44 पट.
- 510 dB ने.
- 61/4 होते.
- 79 पट.
- 890 dB (दोन टप्पे × 10 dB).
श्राव्य, अवश्राव्य आणि पराश्राव्य ध्वनी
कुत्र्याला न ऐकू येणारे आवाज आपल्याला येत नाहीत, पण कुत्र्याला येतात; हत्ती आपल्याला न ऐकू येणाऱ्या आवाजात एकमेकांशी बोलतात.
मानवाला फक्त 20 Hz ते 20,000 Hz वारंवारतेचे ध्वनी ऐकू येतात, त्यांना श्राव्य ध्वनी म्हणतात. 20 Hz पेक्षा कमी वारंवारता = अवश्राव्य (infrasonic); 20,000 Hz पेक्षा जास्त = पराश्राव्य (ultrasonic).
नियम 1 : तीन वारंवारता-क्षेत्रे — अवश्राव्य ध्वनी व्हेल, हत्ती आणि गेंडा निर्माण करतात. पराश्राव्य ध्वनी कुत्रा आणि वटवाघूळ ऐकू शकतात आणि वटवाघूळ अंधारात दिशा शोधण्यासाठी तो वापरते. एका सेकंदात 3-4 दोलने करणारा दोलक ऐकू येत नाही, कारण ती वारंवारता 20 Hz पेक्षा कमी आहे.
- सोपे : 15 Hz चा आवाज मानवाला ऐकू येत नाही.
- मध्यम : 25,000 Hz चा आवाज पराश्राव्य आहे; कुत्रा तो ऐकू शकतो.
- परीक्षेसाठी : 100 दोलने 20 s मध्ये होतात म्हणजे n = 100 ÷ 20 = 5 Hz; हा ध्वनी अवश्राव्य आहे.
नियम 2 : पराश्राव्य ध्वनीचे उपयोग — घड्याळाचे नाजूक भाग आणि दागिने स्वच्छ करणे, शरीरातील अवयवांची प्रतिमा घेणे, मेंदूतील गाठी शोधणे, धातूतील दोष शोधणे, काही सूक्ष्मजीव मारणे आणि सोनार (SONAR) ने समुद्रतळ किंवा जहाजाचे स्थान शोधणे.
- सोपे : घड्याळाचे लहान भाग पराश्राव्य ध्वनीने स्वच्छ करतात.
- मध्यम : सोनारमध्ये पराश्राव्य ध्वनी समुद्रतळाचे अंतर मोजण्यास मदत करतो.
- परीक्षेसाठी : धातूतील तडा शोधण्यासाठी पराश्राव्य लहरी वापरता येतात.
कुत्रे आणि काही प्राणी भूकंपापूर्वी येणारे पराश्राव्य संकेत ओळखू शकतात, असे मानले जाते; यावर अधिक शोध सुरू आहे.
"वटवाघूळ डोळ्यांनी दिशा शोधते" असे नाही; ती पराश्राव्य ध्वनीचा वापर करते.
आठवणीची युक्ती : "अव = खाली (20 Hz पेक्षा कमी), परा = वर (20,000 Hz पेक्षा जास्त)" — मधले 20–20,000 आपल्याला ऐकू येते.
फरक ओळखा
| प्रकार | वारंवारता | कोण ऐकतो/निर्माण करतो |
|---|---|---|
| अवश्राव्य | 20 Hz पेक्षा कमी | हत्ती, व्हेल, गेंडा |
| श्राव्य | 20–20,000 Hz | मानव |
| पराश्राव्य | 20,000 Hz पेक्षा जास्त | कुत्रा, वटवाघूळ |
सरावासाठी प्रश्न
- 1मानवाला कोणत्या वारंवारतेचे ध्वनी ऐकू येतात?
- 2अवश्राव्य ध्वनी म्हणजे काय?
- 3पराश्राव्य ध्वनी म्हणजे काय?
- 4अवश्राव्य ध्वनी निर्माण करणारे दोन प्राणी सांगा.
- 5पराश्राव्य ध्वनीचे दोन उपयोग सांगा.
- 6सोनार कशासाठी वापरतात?
- 73 Hz चा आवाज आपल्याला का ऐकू येत नाही?
- 8वटवाघूळ अंधारात कसे उडते?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 120 Hz ते 20,000 Hz.
- 220 Hz पेक्षा कमी वारंवारतेचा ध्वनी.
- 320,000 Hz पेक्षा जास्त वारंवारतेचा ध्वनी.
- 4हत्ती आणि व्हेल.
- 5नाजूक भाग स्वच्छ करणे; धातूतील दोष शोधणे.
- 6समुद्रतळ किंवा जहाजाचे स्थान शोधण्यासाठी.
- 7तो 20 Hz पेक्षा कमी असल्याने अवश्राव्य आहे.
- 8ती पराश्राव्य ध्वनी निर्माण करून परतलेल्या ध्वनीवरून दिशा ओळखते.