धडा १२: ध्वनीचा अभ्यास

आकृतीत : आकृतीत संपीडन आणि विरलन मिळून ध्वनीतरंग बनतो.

नियम 1 : ध्वनी तरंग — ध्वनी तरंग संपीडन (जास्त घनता) आणि विरलन (कमी घनता) यांची साखळी बनवतात. माध्यमातील कण प्रसाराच्या दिशेला समांतर दोलन करतात, म्हणून हे अनुदैर्ध्य तरंग आहेत. शांत पाण्यात दगड टाकल्यावर कण वर-खाली, प्रसाराला लंब हलतात, म्हणून हे अनुप्रस्थ तरंग आहेत.

• सोपे : हवेतील ध्वनी अनुदैर्ध्य; पाण्यावरील तरंग अनुप्रस्थ.
• मध्यम : जेथे हवा दाबली जाते तेथे संपीडन; जेथे ती विरळ होते तेथे विरलन. ध्वनी तरंग म्हणजे दोन्हींची मालिका.
• परीक्षेसाठी : निर्वातात ध्वनी जाऊ शकत नाही, कारण संपीडन-विरलन होण्यासाठी कणच नसतात.

नियम 2 : तरंगाशी संबंधित संज्ञा — तरंगलांबी λ म्हणजे दोन लागोपाठच्या संपीडनांतील अंतर. वारंवारता ν म्हणजे प्रति सेकंद दोलनांची संख्या. आयाम A म्हणजे दाब किंवा घनतेतील कमाल बदल. आवर्तकाल T म्हणजे एका दोलनाचा वेळ. वारंवारता तारत्व (pitch) ठरवते; आयाम मोठेपणा (loudness) ठरवतो.

• सोपे : तीक्ष्ण शिट्टीची वारंवारता जास्त; ढोलाची कमी.
• मध्यम : आवाज वाढवल्यास आयाम वाढतो, म्हणून आवाज मोठा होतो पण तारत्व तेच राहते.
• परीक्षेसाठी : 1 सेकंदात 50 दोलने झाली तर ν = 50 Hz आणि T = 1 ÷ 50 = 0.02 s.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत वेग तरंगलांबी आणि वारंवारतेवरून मिळतो.

नियम 1 : वेग आणि माध्यम — लोखंडी नळीतून आवाज हवेतल्यापेक्षा आधी ऐकू येतो, म्हणून तो लोखंडात जास्त वेगाने जातो. वेग = तरंगलांबी × वारंवारता, v = νλ. ठरलेल्या परिस्थितीत वेगवेगळ्या वारंवारतेच्या ध्वनींचा वेग जवळपास सारखा असतो. तो घनात सर्वाधिक, वायूत सर्वांत कमी असतो आणि तापमानासोबत वाढतो. बोरेल्ली आणि व्हिव्हियानी यांनी 1660 च्या दशकात ध्वनीचा वेग प्रथम 350 m/s काढला; आज हवेत तो 346 m/s आहे.

• सोपे : ν = 500 Hz आणि λ = 0.68 m असेल तर v = 500 × 0.68 = 340 m/s.
• मध्यम : λ = 2 m आणि v = 340 m/s असेल तर ν = 340 ÷ 2 = 170 Hz.
• परीक्षेसाठी : वीज चमकल्यानंतर 3 s नंतर गडगडाट ऐकू आला. 340 m/s वेगाने अंतर 340 × 3 = 1020 m.

नियम 2 : वायूतील वेग — वायूत v हा √T (निरपेक्ष तापमान) शी समप्रमाणात आणि √घनता व √रेणुवजन यांच्याशी व्यस्त प्रमाणात असतो. तापमान चौपट केल्यास वेग दुप्पट होतो; घनता किंवा रेणुवजन चौपट केल्यास वेग निम्मा होतो. ठरलेल्या तापमानाला तो दाबावर अवलंबून नसतो.

• सोपे : तापमान नऊपट केल्यास वेग तिप्पट होतो, कारण √9 = 3.
• मध्यम : घनता सोळापट केल्यास वेग एकचतुर्थांश होतो, कारण √16 = 4.
• परीक्षेसाठी : वेग 300 m/s आहे. निरपेक्ष तापमान 4 पट झाले तर नवा वेग 300 × 2 = 600 m/s.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत ध्वनीच्या तीन वारंवारता पट्ट्या.

नियम 1 : तीन पट्टे — मानवी कान 20 Hz ते 20,000 Hz ऐकतो, तो श्राव्य ध्वनी. 20 Hz पेक्षा कमी अवश्राव्य, उदा. लंबक किंवा भूकंपापूर्वी भूकवच. 20 kHz पेक्षा जास्त पराश्राव्य. 5 वर्षांखालील मुले 25 kHz पर्यंत ऐकू शकतात. वटवाघूळ, उंदीर आणि डॉल्फिन पराश्राव्य ध्वनी निर्माण करतात. स्पॅलान्झानी यांनी शोधले की वटवाघळे अंधारात कानांनी उडतात : अडथळ्यांवरून परावर्तित पराश्राव्य ध्वनी त्यांच्या कानांना मिळतात.

• सोपे : 50 Hz श्राव्य; 10 Hz अवश्राव्य; 30 kHz पराश्राव्य.
• मध्यम : 22 kHz हा बहुतेक प्रौढांसाठी पराश्राव्य, पण 5 वर्षांखालील मूल तो ऐकू शकते, कारण त्यांची मर्यादा 25 kHz आहे.
• परीक्षेसाठी : वर्गीकरण 15 Hz, 8000 Hz, 40 kHz : 15 Hz अवश्राव्य; 8000 Hz श्राव्य; 40 kHz पराश्राव्य.

नियम 2 : पराश्राव्य ध्वनीचे उपयोग — जहाजांमधील संपर्क, प्लास्टिकचे पृष्ठभाग जोडणे, जीवाणू मारून दूध निर्जंतुक करणे, इकोकार्डिओग्राफी आणि अंतर्गत अवयवांच्या प्रतिमा, यंत्रांचे बारीक भाग स्वच्छ करणे आणि धातूच्या ठोकळ्यातील भेगा शोधणे.

• सोपे : पराश्राव्य ध्वनी घड्याळे व यंत्रांचे लहान भाग स्वच्छ करतो.
• मध्यम : धातूच्या ठोकळ्यातील भेगेवरून परावर्तित पराश्राव्य ध्वनी ठोकळा न कापता भेग कोठे आहे ते दाखवतो.
• परीक्षेसाठी : हृदयतज्ज्ञ पराश्राव्य ध्वनीने हृदयाचे कार्य पाहतात : याला इकोकार्डिओग्राफी म्हणतात.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत प्रतिध्वनीसाठी भिंत किमान 17.2 m दूर हवी.

नियम 1 : ध्वनीचे परावर्तन आणि प्रतिध्वनी — ध्वनी घन आणि द्रव पृष्ठभागांवरून परावर्तित होतो आणि परावर्तनाचे नियम पाळतो. कठीण, सपाट पृष्ठभाग चांगला परावर्तक; कपडे, कागद, पडदे, गालिचे आणि फर्निचर ध्वनी शोषतात, म्हणून वाईट परावर्तक. मेंदू ध्वनी 0.1 s टिकवतो. 22 °C ला ध्वनीचा वेग 344 m/s, म्हणून परावर्तक पृष्ठभागाचे किमान अंतर 17.2 m. अनेक परावर्तनांमुळे अनुरणन (reverberation) होते : सतत, मोठा, अस्पष्ट आवाज. विजापूरचा गोलघुमट अनेक प्रतिध्वनी देतो.

• सोपे : पडदे आणि गालिचे असलेल्या सभागृहात प्रतिध्वनी कमकुवत, कारण ते ध्वनी शोषतात.
• मध्यम : प्रतिध्वनीसाठी किमान अंतर = v × t ÷ 2 = 344 × 0.1 ÷ 2 = 17.2 m.
• परीक्षेसाठी : तुम्ही टाळी वाजवता आणि 0.5 s नंतर प्रतिध्वनी ऐकता. 344 m/s वेगाने अंतर = 344 × 0.5 ÷ 2 = 86 m.

नियम 2 : SONAR आणि सोनोग्राफी — SONAR (Sound Navigation and Ranging) पाण्याखालील वस्तूंची दिशा, अंतर आणि वेग तसेच समुद्राची खोली शोधण्यासाठी पराश्राव्य ध्वनी वापरते. सोनोग्राफी प्रोब आणि जेलसह पराश्राव्य ध्वनीने अंतर्गत अवयवांच्या प्रतिमा काढते. स्त्रीभ्रूणहत्येसाठी तिचा गैरवापर PNDT कायद्याखाली गुन्हा आहे.

आकृतीत : आकृतीत SONAR समुद्राची खोली शोधते.

• सोपे : समुद्राच्या पाण्यात 1550 m/s वेगाने 4 s चा प्रतिध्वनी असेल तर खोली = 1550 × 4 ÷ 2 = 3100 m.
• मध्यम : जहाजाला 2 s नंतर प्रतिध्वनी मिळतो. खोली = 1550 × 2 ÷ 2 = 1550 m.
• परीक्षेसाठी : 2 ने भागायचे का? ध्वनी खाली जातो आणि परत येतो, म्हणून एकूण मार्ग खोलीच्या दुप्पट असतो.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत ध्वनी कानातून कसा जातो.

नियम 1 : कानाचे भाग — बाह्यकर्ण (पिना) आपल्या नरसाळ्याच्या आकाराने ध्वनी गोळा करतो. मध्यकर्णात संपीडनाने कर्णपटल आत ढकलले जाते आणि विरलनाने बाहेर ओढले जाते, म्हणून ते कंप पावते. अंतर्कर्णात गोगलगायीच्या आकाराची शंखिका (cochlea) असते; ती कंपनांचे विद्युत संकेतांत रूपांतर करते आणि श्रवण-चेता ते मेंदूकडे नेते.

• सोपे : पिना नरसाळ्याप्रमाणे ध्वनी गोळा करतो.
• मध्यम : क्रम : पिना → कर्णपटल → शंखिका → श्रवण-चेता → मेंदू.
• परीक्षेसाठी : संपीडन कर्णपटलाला आत ढकलते; पुढचे विरलन ते बाहेर ओढते. म्हणून कर्णपटल ध्वनीच्या वारंवारतेने कंप पावते.

नियम 2 : कानांची काळजी — कानात कधीही काड्या किंवा टोकदार वस्तू घालू नका आणि इअरफोनवर खूप मोठे संगीत ऐकणे टाळा.

• सोपे : पिनेने कान साफ करणे कर्णपटल फाडू शकते.
• मध्यम : इअरफोनवर तासन्तास मोठे संगीत ऐकल्याने ऐकू येणे बिघडू शकते.
• परीक्षेसाठी : आवाज कमी ठेवा, मधे विश्रांती घ्या आणि दुखत असेल किंवा ऐकू कमी येत असेल तर डॉक्टरांना दाखवा.

फरक ओळखा