Chapter-11 Sound
Everyday we hear sounds from various sources like humans, birds, bells, machines, vehicles, televisions, radios etc. Sound is a form of energy which produces a sensation of hearing in our ears. There are also other forms of energy like mechanical energy, light energy, etc. We have talked about mechanical energy in the previous chapters. You have been taught about conservation of energy, which states that we can neither create nor destroy energy. We can just change it from one form to another. When you clap, a sound is produced. Can you produce sound without utilising your energy? Which form of energy did you use to produce sound? In this chapter we are going to learn how sound is produced and how it is transmitted through a medium and received by our ears.
11.1 Production of Sound
Activity 11.1
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Take a tuning fork and set it vibrating by striking its prong on a rubber pad. Bring it near your ear.
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Do you hear any sound?
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Touch one of the prongs of the vibrating tuning fork with your finger and share your experience with your friends.
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Now, suspend a table tennis ball or a small plastic ball by a thread from a support [Take a big needle and a thread, put a knot at one end of the thread, and then with the help of the needle pass the thread through the ball]. Touch the ball gently with the prong of a vibrating tuning fork (Fig. 11.1).
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Observe what happens and discuss with your friends.
Fig. 11.1: Vibrating tuning fork just touching the suspended table tennis ball.
Activity 11.2
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Fill water in a beaker or a glass up to the brim. Gently touch the water surface with one of the prongs of the vibrating tuning fork, as shown in Fig. 11.2.
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Next dip the prongs of the vibrating tuning fork in water, as shown in Fig. 11.3.
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Observe what happens in both the cases.
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Discuss with your friends why this happens.
Fig. 11.2: One of the prongs of the vibrating tuning fork touching the water surface.
Fig. 11.3: Both the prongs of the vibrating tuning fork dipped in water
From the above activities what do you conclude? Can you produce sound without a vibrating object?
In the above activities we have produced sound by striking the tuning fork. We can also produce sound by plucking, scratching, rubbing, blowing or shaking different objects. As per the above activities what do we do to the objects? We set the objects vibrating and produce sound. Vibration means a kind of rapid to and fro motion of an object. The sound of the human voice is produced due to vibrations in the vocal cords. When a bird flaps its wings, do you hear any sound? Think how the buzzing sound accompanying a bee is produced. A stretched rubber band when plucked vibrates and produces sound. If you have never done this, then do it and observe the vibration of the stretched rubber band.
Activity 11.3
- Make a list of different types of musical instruments and discuss with your friends which part of the instrument vibrates to produce sound.
11.2 Propagation of Sound
Sound is produced by vibrating objects. The matter or substance through which sound is transmitted is called a medium. It can be solid, liquid or gas. Sound moves through a medium from the point of generation to the listener. When an object vibrates, it sets the particles of the medium around it vibrating. The particles do not travel all the way from the vibrating object to the ear. A particle of the medium in contact with the vibrating object is first displaced from its equilibrium position. It then exerts a force on the adjacent particle. As a result of which the adjacent particle gets displaced from its position of rest. After displacing the adjacent particle the first particle comes back to its original position. This process continues in the medium till the sound reaches your ear. The disturbance created by a source of sound in the medium travels through the medium and not the particles of the medium.
A wave is a disturbance that moves through a medium when the particles of the medium set neighbouring particles into motion. They in turn produce similar motion in others. The particles of the medium do not move forward themselves, but the disturbance is carried forward. This is what happens during propagation of sound in a medium, hence sound can be visualised as a wave. Sound waves are characterised by the motion of particles in the medium and are called mechanical waves.
Air is the most common medium through which sound travels. When a vibrating object moves forward, it pushes and compresses the air in front of it creating a region of high pressure. This region is called a compression (C), as shown in Fig. 11.4. This compression starts to move away from the vibrating object. When the vibrating object moves backwards, it creates a region of low pressure called rarefaction (R), as shown in Fig. 11.4. As the object moves back and forth rapidly, a series of compressions and rarefactions is created in the air. These make the sound wave that propagates through the medium.
Fig. 11.4: A vibrating object creating a series of compressions $(C)$ and rarefactions $(R)$ in the medium.
Compression is the region of high pressure and rarefaction is the region of low pressure. Pressure is related to the number of particles of a medium in a given volume. More density of the particles in the medium gives more pressure and vice versa. Thus, propagation of sound can be visualised as propagation of density variations or pressure variations in the medium.
Question
1. How does the sound produced by a vibrating object in a medium reach your ear?
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Answer
When an object vibrates, it necessitates the surrounding particles of the medium to vibrate. The particles that are adjacent to vibrating particles are forced to vibrate. Hence, the sound produced by a vibrating object in a medium is transferred from particle to particle till it reaches your ear.
2. Explain how sound is produced by your school bell.
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Answer
When the school bell is hit with a hammer, it moves forward and backwards, producing compression and rarefaction due to vibrations. This is how sound is produced by the school bell.
3. Why are sound waves called mechanical waves?
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Answer
Sound waves require a medium to propagate to interact with the particles present in them. Therefore, sound waves are called mechanical waves.
4. Suppose you and your friend are on the moon. Will you be able to hear any sound produced by your friend?
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Answer
No. Sound waves require a medium to propagate. Due to the absence of an atmosphere on the moon and since sound cannot travel in a vacuum, I will not be able to hear any sound produced by my friend.
11.2.1 SOUND WAVES ARE LONGITUDINAL WAVES
Activity 11.4
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Take a slinky. Ask your friend to hold one end. You hold the other end.
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Now stretch the slinky as shown in Fig. 11.5(a). Then give it a sharp push towards your friend.
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What do you notice? If you move your hand pushing and pulling the slinky alternatively, what will you observe?
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If you mark a dot on the slinky, you will observe that the dot on the slinky will move back and forth parallel to the direction of the propagation of the disturbance.
(a)
(b)
Fig. 11.5: Longitudinal wave in a slinky.
The regions where the coils become closer are called compressions (C) and the regions where the coils are further apart are called rarefactions (R). As we already know, sound propagates in the medium as a series of compressions and rarefactions. Now, we can compare the propagation of disturbance in a slinky with the sound propagation in the medium. These waves are called longitudinal waves. In these waves the individual particles of the medium move in a direction parallel to the direction of propagation of the disturbance. The particles do not move from one place to another but they simply oscillate back and forth about their position of rest. This is exactly how a sound wave propagates, hence sound waves are longitudinal waves.
There is also another type of wave, called a transverse wave. In a transverse wave particles do not oscillate along the direction of wave propagation but oscillate up and down about their mean position as the wave travels. Thus, a transverse wave is the one in which the individual particles of the medium move about their mean positions in a direction perpendicular to the direction of wave propagation. When we drop a pebble in a pond, the waves you see on the water surface is an example of transverse wave. Light is a transverse wave but for light, the oscillations are not of the medium particles or their pressure or density - it is not a mechanical wave. You will come to know more about transverse waves in higher classes.
11.2.2 CHARACTERISTICS OF A SOUND WAVE
We can describe a sound wave by its
- frequency
- amplitude and
- speed.
A sound wave in graphic form is shown in Fig. 11.6(c), which represents how density and pressure change when the sound wave moves in the medium. The density as well as the pressure of the medium at a given time varies with distance, above and below the average value of density and pressure. Fig. 11.6(a) and
Fig. 11.6(b) represent the density and pressure variations, respectively, as a sound wave propagates in the medium.
Compressions are the regions where particles are crowded together and represented by the upper portion of the curve in Fig. 11.6(c). The peak represents the region of maximum compression. Thus, compressions are regions where density as well as pressure is high. Rarefactions are the regions of low pressure where particles are spread apart and are represented by the valley, that is, the lower portion of the curve in Fig. 11.6(c). A peak is called the crest and a valley is called the trough of a wave.
The distance between two consecutive compressions (C) or two consecutive rarefactions (R) is called the wavelength, as shown in Fig. 11.6(c), The wavelength is usually represented by $\lambda$ (Greek letter lambda). Its SI unit is metre (m).
Heinrich Rudolph Hertz was born on 22 February 1857 in Hamburg, Germany and educated at the University of Berlin. He confirmed J.C. Maxwell’s electromagnetic theory by his experiments. He laid the foundation for future development of radio, telephone, telegraph and even television. He also discovered the photoelectric effect which was later explained by Albert Einstein. The SI unit of frequency was named as hertz in his honour.
Frequency tells us how frequently an event occurs. Suppose you are beating a drum. How many times you are beating the drum in unit time is called the frequency of your beating the drum. We know that when sound is propagated through a medium, the
Fig. 11.6: Sound propagates as density or pressure variations as shown in (a) and (b), (c) represents graphically the density and pressure variations.
density of the medium oscillates between a maximum value and a minimum value. The change in density from the maximum value to the minimum value, then again to the maximum value, makes one complete oscillation. The number of such oscillations per unit time is the frequency of the sound wave. If we can count the number of the compressions or rarefactions that cross us per unit time, we will get the frequency of the sound wave. It is usually represented by $v$ (Greek letter, nu). Its SI unit is hertz (symbol, Hz).
The time taken by two consecutive compressions or rarefactions to cross a fixed point is called the time period of the wave. In other words, we can say that the time taken for one complete oscillation is called the time period of the sound wave. It is represented by the symbol $T$. Its SI unit is second (s). Frequency and time period are related as follows:
$$ v=\frac{1}{T} $$
A violin and a flute may both be played at the same time in an orchestra. Both sounds travel through the same medium, that is, air and arrive at our ear at the same time. Both sounds travel at the same speed irrespective of the source. But the sounds we receive are different. This is due to the different characteristics associated with the sound. Pitch is one of the characteristics.
How the brain interprets the frequency of an emitted sound is called its pitch. The faster the vibration of the source, the higher is the frequency and the higher is the pitch, as shown in Fig. 11.7. Thus, a high pitch sound corresponds to more number of compressions and rarefactions passing a fixed point per unit time.
Objects of different sizes and conditions vibrate at different frequencies to produce sounds of different pitch.
The magnitude of the maximum disturbance in the medium on either side of the mean value is called the amplitude of the wave. It is usually represented by the letter A, as shown in Fig. 11.6(c). For sound its unit will be that of density or pressure.
Fig. 11.7: Low pitch sound has low frequency and high pitch of sound has high frequency.
The loudness or softness of a sound is determined basically by its amplitude. The amplitude of the sound wave depends upon the force with which an object is made to vibrate. If we strike a table lightly, we hear a soft sound because we produce a sound wave
Fig. 11.8: Soft sound has small amplitude and louder sound has large amplitude.
of less energy (amplitude). If we hit the table hard we hear a louder sound. Can you tell why? A sound wave spreads out from its source. As it moves away from the source its amplitude as well as its loudness decreases. Louder sound can travel a larger distance as it is associated with higher energy. Fig. 11.8 shows the wave shapes of a loud and a soft sound of the same frequency.
The quality or timber of sound is that characteristic which enables us to distinguish one sound from another having the same pitch and loudness. The sound which is more pleasant is said to be of a rich quality. A sound of single frequency is called a tone. The sound which is produced due to a mixture of several frequencies is called a note and is pleasant to listen to. Noise is unpleasant to the ear! Music is pleasant to hear and is of rich quality.
Questions
1. Which wave property determines (a) loudness, (b) pitch?
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Answer
(a) Amplitude - The loudness of the sound and its amplitude is directly related to each other. The larger the amplitude, the louder the sound.
(b) Frequency - The pitch of the sound and its frequency is directly related to each other. If the pitch is high, then the frequency of sound is also high.
2. Guess which sound has a higher pitch: guitar or car horn?
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Answer
The pitch of a sound is directly proportional to its frequency. Therefore, the guitar has a higher pitch when compared to a car horn.
The speed of sound is defined as the distance which a point on a wave, such as a compression or a rarefaction, travels per unit time.
We know,
$$ \begin{aligned} \text { speed , $v=$ } & =\frac{\text { distance }}{\text { time }} \\ & =\frac{\lambda}{T}=\lambda \times \frac{1}{T} \end{aligned} $$
Here $\lambda$ is the wavelength of the sound wave. It is the distance travelled by the sound wave in one time period $(T)$ of the wave. Thus,
$$ \begin{aligned} v & =\lambda v(\because \frac{1}{T}=v) \\ \text{ or } \quad v & =\lambda v \end{aligned} $$
That is, speed $=$ wavelength $\times$ frequency.
The speed of sound remains almost the same for all frequencies in a given medium under the same physical conditions.
Example 11.1 A sound wave has a frequency of $2 kHz$ and wave length $35 cm$. How long will it take to travel $1.5 km$ ?
Solution:
Given,
Frequency, $v=2 kHz=2000 Hz$
Wavelength, $\lambda=35 cm=0.35 m$
We know that speed, $v$ of the wave $=$ wavelength $\times$ frequency
$v=\lambda v$
$$=0.35 m 2000 Hz=700 m / s$$
The time taken by the wave to travel a distance, $d$ of $1.5 km$ is
$t=\frac{d}{v}=\frac{1.5 \times 1000 m}{700 m s^{-1}}=\frac{15}{7} s=2.1 s$.
Thus sound will take $2.1 s$ to travel a distance of $1.5 km$.
Questions
1. What are wavelength, frequency, time period and amplitude of a sound wave?
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Answer
(a) Wavelength - Wavelength can be defined as the distance between two consecutive rarefactions or two consecutive compressions. The SI unit of wavelength is metre (m).
(b) Frequency - Frequency is defined as the number of oscillations per second. The SI unit of frequency is hertz (Hz).
(c) Amplitude - Amplitude can be defined as the maximum height reached by the trough or crest of a sound wave.
(d) Time period - The time period is defined as the time required to produce one complete cycle of a sound wave.
2. How are the wavelength and frequency of a sound wave related to its speed?
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Answer
Wavelength, speed, and frequency are related in the following way:
Speed $=$ Wavelength $x$ Frequency
$v=\lambda v$
3. Calculate the wavelength of a sound wave whose frequency is 220 Hz and speed is $440 m / s$ in a given medium.
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Answer
Given that,
Frequency of sound wave $=220 Hz$
Speed of sound wave $=440 m / s$
Calculate wavelength.
We know that
Speed $=$ Wavelength $\times$ Frequency
$v=\lambda v$
$440=$ Wavelength $\times 220$
Wavelength $=440 / 220$
Wavelength $=2$
Therefore, the wavelength of the sound wave $=2$ metres
4. A person is listening to a tone of $500 Hz$ sitting at a distance of 450 $m$ from the source of the sound. What is the time interval between successive compressions from the source?
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Answer
The time interval between successive compressions from the source is equal to the time period, and the time period is reciprocal to the frequency. Therefore, it can be calculated as follows:
$T=1 / F$
$T=1 / 500$
$T=0.002 s$
The amount of sound energy passing each second through unit area is called the intensity of sound. We sometimes use the terms “loudness” and “intensity” interchangeably, but they are not the same. Loudness is a measure of the response of the ear to the sound. Even when two sounds are of equal intensity, we may hear one as louder than the other simply because our ear detects it better.
Question
1. Distinguish between loudness and intensity of sound.
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Answer
The amount of sound energy passing through an area every second is called the intensity of a sound wave. Loudness is defined by its amplitude.
11.2.3 SPEED OF SOUND IN DIFFERENT MEDIA
Sound propagates through a medium at a finite speed. The sound of a thunder is heard a little later than the flash of light is seen. So, we can make out that sound travels with a speed which is much less than the speed of light. The speed of sound depends on the properties of the medium through which it travels. You will learn about this dependence in higher classes. The speed of sound in a medium depends on temperature of the medium. The speed of sound decreases when we go from solid to gaseous state. In any medium as we increase the temperature, the speed of sound increases. For example, the speed of sound in air is 331 $m s^{-1}$ at $0^{\circ} C$ and $344 m s^{-1}$ at $22^{\circ} C$. The speeds of sound at a particular temperature in various media are listed in Table 11.1. You need not memorise the values.
Table 11.1: Speed of sound in different media at 25 ºC
| State | Substance | Speed in $m / s$ |
|---|---|---|
| Solids | Aluminium Nickel Steel Iron Brass Glass (Flint) |
6420 6040 5960 5950 4700 3980 |
| Liquids | Water (Sea) Water (distilled) Ethanol Methanol |
1531 1498 1207 1103 |
| Gases | Hydrogen Helium Air Oxygen Sulphur dioxide |
1284 965 346 316 213 |
Question
1. In which of the three media, air, water or iron, does sound travel the fastest at a particular temperature?
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Answer
Sound travels faster in solids when compared to any other medium. Therefore, at a particular temperature, sound travels fastest in iron and slowest in gas.
11.3 Reflection of Sound
Sound bounces off a solid or a liquid like a rubber ball bounces off a wall. Like light, sound gets reflected at the surface of a solid or liquid and follows the same laws of reflection as you have studied in earlier classes. The directions in which the sound is incident and is reflected make equal angles with the normal to the reflecting surface at the point of incidence, and the three are in the same plane. An obstacle of large size which may be polished or rough is needed for the reflection of sound waves.
Activity 11.5
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Take two identical pipes, as shown in Fig. 11.9. You can make the pipes using chart paper. The length of the pipes should be sufficiently long as shown.
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Arrange them on a table near a wall. Keep a clock near the open end of one of the pipes and try to hear the sound of the clock through the other pipe.
-
Adjust the position of the pipes so that you can best hear the sound of the clock.
-
Now, measure the angles of incidence and reflection and see the relationship between the angles.
-
Lift the pipe on the right vertically to a small height and observe what happens.
(In place of a clock, a mobile phone on vibrating mode may also be used.)
Fig. 11.9: Reflection of sound
11.3.1 ЕСНО
If we shout or clap near a suitable reflecting object such as a tall building or a mountain,we will hear the same sound again a little later. This sound which we hear is called an echo. The sensation of sound persists in our brain for about 0.1 s. To hear a distinct echo the time interval between the original sound and the reflected one must be at least $0.1 s$. If we take the speed of sound to be $344 m / s$ at a given temperature, say at $22^{\circ} C$ in air, the sound must go to the obstacle and reach back the ear of the listener on reflection after $0.1 s$. Hence, the total distance covered by the sound from the point of generation to the reflecting surface and back should be at least $(344 m / s) \times 0.1 s=34.4 m$. Thus, for hearing distinct echoes, the minimum distance of the obstacle from the source of sound must be half of this distance, that is, $17.2 m$. This distance will change with the temperature of air. Echoes may be heard more than once due to successive or multiple reflections. The rolling of thunder is due to the successive reflections of the sound from a number of reflecting surfaces, such as the clouds and the land.
11.3.2 REVERBERATION
A sound created in a big hall will persist by repeated reflection from the walls until it is reduced to a value where it is no longer audible. The repeated reflection that results in this persistence of sound is called reverberation. In an auditorium or big hall excessive reverberation is highly undesirable. To reduce reverberation, the roof and walls of the auditorium are generally covered with sound-absorbent materials like compressed fibreboard, rough plaster or draperies. The seat materials are also selected on the basis of their sound absorbing properties.
Example 11.2 A person clapped his hands near a cliff and heard the echo after $2 s$. What is the distance of the cliff from the person if the speed of the sound, $v$ is taken as $346 m s^{-1}$ ?
Solution:
Given, Speed of sound, $v=346 m s^{-1}$
Time taken for hearing the echo, $t=2 s$
Distance travelled by the sound
$=v \times t=346 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \times 2 \mathrm{~s}=692 \mathrm{~m}$
In $2 s$ sound has to travel twice the distance between the cliff and the person. Hence, the distance between the cliff and the person $=692 m / 2=346 m$.
Question
1. An echo is heard in $3 s$. What is the distance of the reflecting surface from the source, given that the speed of sound is $342 m s^{-1}$ ?
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Answer
Speed of sound $(v)=342 ms^{-1}$
Echo returns in time $(t)=3 s$
Distance travelled by sound $=v \times t=342 \times 3=1026 m$
In the given interval of time, sound must travel a distance which is twice the distance between the reflecting surface and the source.
Therefore, the distance of the reflecting surface from the source $=1026 / 2=513 m$
11.3.3 USES OF MULTIPLE REFLECTION OF SOUND
1. Megaphones or loudhailers, horns, musical instruments such as trumpets and shehanais, are all designed to send sound in a particular direction without spreading it in all directions, as shown in Fig 11.10.
Megaphone
Fig 11.10: A megaphone and a horn.
In these instruments, a tube followed by a conical opening reflects sound successively to guide most of the sound waves from the source in the forward direction towards the audience.
2. Stethoscope is a medical instrument used for listening to sounds produced within the body, mainly in the heart or lungs. In stethoscopes the sound of the patient’s heartbeat reaches the doctor’s ears by multiple reflection of sound, as shown in Fig.11.11.
Fig. 11.11: Stethoscope
3. Generally the ceilings of concert halls, conference halls and cinema halls are curved so that sound after reflection reaches all corners of the hall, as shown in Fig 11.12. Sometimes a curved soundboard may be placed behind the stage so that the sound, after reflecting from the sound board, spreads evenly across the width of the hall (Fig 11.13).
Fig. 11.12: Curved ceiling of a conference hall.
Fig. 11.13: Sound board used in a big hall.
Question
1. Why are the ceilings of concert halls curved?
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Answer
The ceilings of concert halls are curved to spread sound uniformly in all directions after reflecting from the walls.
11.4 Range of Hearing
The audible range of sound for human beings extends from about $20 Hz$ to $20000 Hz$ (one $Hz=$ one cycle/s). Children under the age of five and some animals, such as dogs can hear up to $25 kHz(1 kHz=1000 Hz)$. As people grow older their ears become less sensitive to higher frequencies. Sounds of frequencies below $20 Hz$ are called infrasonic sound or infrasound. If we could hear infrasound we would hear the vibrations of a pendulum just as we hear the vibrations of the wings of a bee. Rhinoceroses communicate using infrasound of frequency as low as $5 Hz$. Whales and elephants produce sound in the infrasound range. It is observed that some animals get disturbed before earthquakes. Earthquakes produce low-frequency infrasound before the main shock waves begin which possibly alert the animals. Frequencies higher than $20 kHz$ are called ultrasonic sound or ultrasound. Ultrasound is produced by animals such as dolphins, bats and porpoises. Moths of certain families have very sensitive hearing equipment. These moths can hear the high frequency squeaks of the bat and know when a bat is flying nearby, and are able to escape capture. Rats also play games by producing ultrasound.
Hearing Aid: People with hearing loss may need a hearing aid. A hearing aid is an electronic, battery operated device. The hearing aid receives sound through a microphone. The microphone converts the sound waves to electrical signals. These electrical signals are amplified by an amplifier. The amplified electrical signals are given to a speaker of the hearing aid. The speaker converts the amplified electrical signal to sound and sends to the ear for clear hearing.
Questions
1. What is the audible range of the average human ear?
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Answer
$20 Hz$ to $20,000 Hz$. Any sound less than $20 Hz$ or greater than $20,000 Hz$ frequency is not audible to human ears.
2. What is the range of frequencies associated with
(a) Infrasound?
(b) Ultrasound?
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Answer
(a) $20 Hz$
(b) $20,000 Hz$
11.5 Applications of Ultrasound
Ultrasounds are high frequency waves. Ultrasounds are able to travel along well defined paths even in the presence of obstacles. Ultrasounds are used extensively in industries and for medical purposes.
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Ultrasound is generally used to clean parts located in hard-to-reach places, for example, spiral tube, odd shaped parts, electronic components, etc. Objects to be cleaned are placed in a cleaning solution and ultrasonic waves are sent into the solution. Due to the high frequency, the particles of dust, grease and dirt get detached and drop out. The objects thus get thoroughly cleaned.
-
Ultrasounds can be used to detect cracks and flaws in metal blocks. in construction of big structures like buildings, bridges, machines and also scientific equipment. The cracks or holes inside the metal blocks, which are invisible from outside reduces the strength of the structure. Ultrasonic waves are allowed to pass through the metal block and detectors are used to detect the transmitted waves. If there is even a small defect, the ultrasound gets reflected back indicating the presence of the flaw or defect, as shown in Fig. 11.14.
Fig 11.14: Ultrasound is reflected back from the defective locations inside a metal block.
Ordinary sound of longer wavelengths cannot be used for such purpose as it will bend around the corners of the defective location and enter the detector.
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Ultrasonic waves are made to reflect from various parts of the heart and form the image of the heart. This technique is called ’echocardiography'.
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Ultrasound scanner is an instrument which uses ultrasonic waves for getting images of internal organs of the human body. A doctor may image the patient’s organs, such as the liver, gall bladder, uterus, kidney, etc. It helps the doctor to detect abnormalities, such as stones in the gall bladder and kidney or tumours in different organs. In this technique the ultrasonic waves travel through the tissues of the body and get reflected from a region where there is a change of tissue density.
These waves are then converted into electrical signals that are used to generate images of the organ. These images are then displayed on a monitor or printed on a film. This technique is called ‘ultrasonography’. Ultrasonography is also used for examination of the foetus during pregnancy to detect congenial defects and growth abnormalities.
- Ultrasound may be employed to break small ‘stones’ formed in the kidneys into fine grains. These grains later get flushed out with urine.
What you have learnt
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Sound is produced due to vibration of different objects.
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Sound travels as a longitudinal wave through a material medium.
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Sound travels as successive compressions and rarefactions in the medium.
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In sound propagation, it is the energy of the sound that travels and not the particles of the medium.
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The change in density from one maximum value to the minimum value and again to the maximum value makes one complete oscillation.
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The distance between two consecutive compressions or two consecutive rarefactions is called the wavelength, $\lambda$.
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The time taken by the wave for one complete oscillation of the density or pressure of the medium is called the time period, $T$.
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The number of complete oscillations per unit time is called the frequency $(v), v=\frac{1}{T}$.
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The speed $v$, frequency $v$, and wavelength $\lambda$, of sound are related by the equation, $v=\lambda v$.
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The speed of sound depends primarily on the nature and the temperature of the transmitting medium.
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The law of reflection of sound states that the directions in which the sound is incident and reflected make equal angles with the normal to the reflecting surface at the point of incidence and the three lie in the same plane.
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For hearing a distinct sound, the time interval between the original sound and the reflected one must be at least $0.1 s$.
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The persistence of sound in an auditorium is the result of repeated reflections of sound and is called reverberation.
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Sound properties such as pitch, loudness and quality are determined by the corresponding wave properties.
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Loudness is a physiological response of the ear to the intensity of sound.
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The amount of sound energy passing each second through unit area is called the intensity of sound.
-
The audible range of hearing for average human beings is in the frequency range of $20 Hz-20 kHz$.
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Sound waves with frequencies below the audible range are termed “infrasonic” and those above the audible range are termed “ultrasonic”.
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Ultrasound has many medical and industrial applications.
Exercises
1. What is sound and how is it produced?
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Answer
Sound is produced due to vibrations. When a body vibrates, it forces the adjacent particles of the medium to vibrate. This results in a disturbance in the medium, which travels as waves and reaches the ear. Hence, the sound is produced.
2. Describe with the help of a diagram, how compressions and rarefactions are produced in air near a source of sound.
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Answer
When the school bell is hit with a hammer, it moves forward and backwards, producing compression and rarefaction due to vibrations. When it moves forward, it creates high pressure in its surrounding area. This high-pressure region is known as compression. When it moves backwards, it creates a low-pressure region in its surrounding. This region is called rarefaction.
3. Why is sound wave called a longitudinal wave?
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Answer
The vibration of the medium that travels parallel to the direction of the wave or along in the direction of the wave is called a longitudinal wave. The direction of particles of the medium vibrates parallel to the direction of the propagation of disturbance. Therefore, a sound wave is called a longitudinal wave.
4. Which characteristic of the sound helps you to identify your friend by his voice while sitting with others in a dark room?
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Answer
Quality of sound is a characteristic that helps us identify the voice of a particular person. Two people may have the same pitch and loudness, but their qualities will be different.
5. Flash and thunder are produced simultaneously. But thunder is heard a few seconds after the flash is seen, why?
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Answer
The speed of sound is $344 m / s$, whereas the speed of light is $3 \times 10^{8} m / s$. The speed of light is less when compared to that of light. Due to this reason, thunder takes more time to reach the Earth as compared to light speed, which is faster. Hence, lightning is seen before whenever we hear thunder.
6. A person has a hearing range from $20 Hz$ to $20 kHz$. What are the typical wavelengths of sound waves in air corresponding to these two frequencies? Take the speed of sound in air as $344 m s^{-1}$.
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For sound waves,
Speed $=$ Wavelength $\times$ frequency
$v=\lambda \times v$
Speed of sound wave in air $=344 m / s$
(a) For $v=20 Hz$
$\lambda_1=v / v_1=344 / 20=17.2 m$
(b) For $v_2=20,000 Hz$
$\lambda_2=v / v_2=344 / 20,000=0.0172 m$
Therefore, for human beings, the hearing wavelength is in the range of $0.0172 m$ to $17.2 m$.
7. Two children are at opposite ends of an aluminium rod. One strikes the end of the rod with a stone. Find the ratio of times taken by the sound wave in air and in aluminium to reach the second child.
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Consider the length of the aluminium rod $=d$
Speed of sound wave at $25^{\circ} C, V Al=6420 ms-1$
Time taken to reach the other end is,
$T Al=d /(V Al)=d / 6420$
Speed of sound in air, V air = $346 ms-1$
Time taken by sound to each other end is,
$T$ air $=d /(V$ air $)=d / 346$
Therefore, the ratio of time taken by sound in aluminium and air is,
$T$ air $/ t Al=6420 / 346=18.55$
8. The frequency of a source of sound is $100 Hz$. How many times does it vibrate in a minute?
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Frequency $=$ (Number of oscillations) $/$ Total time
Number of oscillations $=$ Frequency $\times$ Total time
Given,
Frequency of sound $=100 Hz$
Total time $=1 \min (1 min=60 s)$
Number of oscillations or vibrations $=100 \times 60=6000$
The source vibrates 6000 times in a minute and produces a frequency of $100 Hz$.
9. Does sound follow the same laws of reflection as light does? Explain.
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Yes. Sound follows the same laws of reflection as light. The reflected sound wave and the incident sound wave make an equal angle with the normal to the surface at the point of incidence. Also, the reflected sound wave, the normal to the point of incidence, and the incident sound wave all lie in the same plane.
10. When a sound is reflected from a distant object, an echo is produced. Let the distance between the reflecting surface and the source of sound production remains the same. Do you hear echo sound on a hotter day?
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An echo is heard when the time interval between the reflected sound and the original sound is at least 0.1 seconds. As the temperature increases, the speed of sound in a medium also increases. On a hotter day, the time interval between the
reflected and original sound will decrease, and an echo is audible only if the time interval between the reflected sound and the original sound is greater than $0.1 s$.
11. Give two practical applications of reflection of sound waves.
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(i) Reflection of sound is used to measure the speed and distance of underwater objects. This method is called SONAR.
(ii) Working of a stethoscope - The sound of a patient’s heartbeat reaches the doctor’s ear through multiple reflections of sound.
12. A stone is dropped from the top of a tower $500 m$ high into a pond of water at the base of the tower. When is the splash heard at the top? Given, $g=10 m s^{-2}$ and speed of sound $=$ $340 m s^{-1}$.
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Answer
Height (s) of tower $=500 m$
Velocity (v) of sound $=340 m s^{-1}$
Acceleration (g) due to gravity $=10 m s^{-1}$
Initial velocity (u) of the stone $=0$
Time $(t_1)$ taken by the stone to fall to the tower base:
As per the second equation of motion,
$s=ut_1+(1 / 2) g(t_1)^{2}$
$500=0 xt_1+(\frac{1}{2}) 10(t_1)^{2}$
$(t_1)^{2}=100$
$t_1=10 s$
Time $(t_2)$ taken by sound to reach the top from the tower base $=500 / 340=1.47 s$
$t=t_1+t_2$
$t=10+1.47$
$t=11.47 s$
13. A sound wave travels at a speed of $339 m s^{-1}$. If its wavelength is $1.5 cm$, what is the frequency of the wave? Will it be audible?
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Speed (v) of sound $=339 m s^{-1}$
Wavelength $(\lambda)$ of sound $=1.5 cm=0.015 m$
Speed of sound $=$ Wavelength $\times$ Frequency
$v=v=\lambda X v$ $v=v / \lambda=339 / 0.015=22600 Hz$
The frequency of audible sound for human beings lies between the ranges of $20 Hz$ to $20,000 Hz$. The frequency of the given sound is more than $20,000 Hz$; therefore, it is not audible.
14. What is reverberation? How can it be reduced?
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The continuous multiple reflections of sound in a big enclosed space are reverberation. It can be reduced by covering walls and ceilings of enclosed spaces with the help of sound-absorbing materials, such as loose woollens and fibre boards.
15. What is loudness of sound? What factors does it depend on?
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Loud sounds have high energy. Loudness directly depends on the amplitude of vibrations. It is proportional to the square of the amplitude of vibrations of sound.
16. How is ultrasound used for cleaning?
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Objects that need to be cleansed are put in a cleaning solution, and ultrasonic sound waves are passed through the solution. The high frequency of ultrasound waves helps in detaching the dirt from the objects. In this way, ultrasound is used for cleaning purposes.
17. Explain how defects in a metal block can be detected using ultrasound.
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Defective metal blocks will not allow ultrasound to pass through them and reflect it back. This technique is used in detecting defects in metal blocks. Make a set-up as shown in the figure, with ultrasound being passed through one end and detectors placed on the other end of a metal block. Since the defective part of the metal block does not allow ultrasound to pass through it, it will not be detected by the detector. In this way, defects in metal blocks can be detected with the help of ultrasound.
हम प्रतिदिन विभिन्न स्रोतों; जैसे मानवों, पक्षियों, घंटियों, मशीनों, वाहनों, टेलिविज़न, रेडियो आदि की ध्वनि सुनते हैं। ध्वनि ऊर्जा का एक रूप है जो हमारे कानों में श्रवण का संवेदन उत्पन्न करती है। ऊर्जा के अन्य रूप भी हैं; जैसे यांत्रिक ऊर्जा, प्रकाश ऊर्जा, आदि। पिछले अध्यायों में आप यांत्रिक ऊर्जा का अध्ययन कर चुके हैं। आपको ऊर्जा संरक्षण के बारे में ज्ञात है। इसके अनुसार आप ऊर्जा को न तो उत्पन्न कर सकते हैं और न ही उसका विनाश कर सकते हैं। आप इसे केवल एक से दूसरे रूप में रूपांतरित कर सकते हैं। जब आप ताली बजाते हैं तो ध्वनि उत्पन्न होती है। क्या आप अपनी ऊर्जा का उपयोग किए बिना ध्वनि उत्पन्न कर सकत हैं? ध्वनि उत्पन्न करने के लिए आपने ऊर्जा के किस रूप का उपयोग किया? इस अध्याय में हम सीखेंगे कि ध्वनि कैसे उत्पन्न होती है और किसी माध्यम में यह किस प्रकार संचरित होकर हमारे कानों द्वारा ग्रहण की जाती है।
11.1 ध्वनि का उत्पादन
क्रियाकलाप 11.1
-
एक स्वरित्र द्विभुज लीजिए और इसकी किसी भुजा को एक रबड़ के पैड पर मार कर इसे कंपित कराइए।
-
इसे अपने कान के समीप लाइए।
-
क्या आप कोई ध्वनि सुन पाते हैं? कंपमान स्वरित्र द्विभुज की एक भुजा को अपनी अंगुली से स्पर्श कीजिए और अपने अनुभव को अपने मित्रों के साथ बाँटिए।
-
अब एक टेबल टेनिस या एक छोटी प्लास्टिक की गेंद को एक धागे की सहायता से किसी आधार से लटकाइए (एक लंबी सूई और धागा लीजिए। धागे के एक सिरे पर एक गाँठ लगाइए और सूई की सहायता से धागे को गेंद में पिरोइए)। पहले कंपन न करते हुए स्वरित्र द्विभुज की एक भुजा से गेंद को स्पर्श कीजिए। फिर कंपन करते हुए स्वरित्र द्विभुज की एक भुजा से गेंद को स्पर्श कीजिए (चित्र 11.1)।
-
देखिए क्या होता है? अपने मित्रों के साथ विचार-विमर्श कीजिए और दोनों अवस्थाओं में अंतर की व्याख्या करने का प्रयत्न कीजिए।
चित्र 11.1: कंपमान स्वरित्र द्विभुज लटकी हुई टेबल टेनिस की गेंद को स्पर्श करते हुए
क्रियाकलाप 11.2
-
एक बीकर या गिलास को ऊपर तक पानी से भरिए। कंपमान स्वरित्र द्विभुज की एक भुजा को चित्र 11.2 में दर्शाए अनुसार पानी की सतह से स्पर्श कराइए।
-
अब चित्र 11.3 में दर्शाए अनुसार कंपमान स्वरित्र द्विभुज की दोनों भुजाओं को पानी में डुबोइए।
-
देखिए कि दोनों अवस्थाओं में क्या होता है?
-
अपने साथियों के साथ विचार-विमर्श कीजिए कि ऐसा क्यों होता है?
चित्र 11.2: कंपमान स्वरित्र द्विभुज की एक भुजा पानी की सतह को स्पर्श करते हुए
चित्र 11.3: कंपमान स्वरित्र द्विभुज की दोनों भुजाएँ पानी में डूबी हुई
उपरोक्त क्रियाकलापों से आप क्या निष्कर्ष निकालते हैं? क्या आप किसी कंपमान वस्तु के बिना ध्वनि उत्पन्न कर सकते हैं?
अब तक वर्णित क्रियाकलापों में हमने स्वरित्र द्विभुज से आघात द्वारा ध्वनि उत्पन्न की। हम विभिन्न वस्तुओं में घर्षण द्वारा, खुरच कर, रगड़ कर, वायु फूँक कर या उनको हिलाकर ध्वनि उत्पन्न कर सकते हैं। इन क्रियाकलापों में हम क्या करते हैं? हम वस्तु को कंपमान करते हैं और ध्वनि उत्पन्न करते हैं। कंपन का अर्थ होता है किसी वस्तु का तेज़ी से बार-बार इधर-उधर गति करना। मनुष्यों में वाकध्वनि उनके वाक-तंतुओं के कंपित होने के कारण उत्पन्न होती है। जब कोई पक्षी अपने पंख को फड़फड़ाता है तो क्या आप कोई ध्वनि सुनते हैं? क्या आप जानते हैं कि मक्खी भिनभिनाने की ध्वनि कैसे उत्पन्न करती है? एक खींचे हुए रबड़ के छल्ले को बीच में से खींच कर छोड़ने पर यह कंपन करता है और ध्वनि उत्पन्न करता है। यदि आपने कभी ऐसा नहीं किया है तो इसे कीजिए और तनी हुई रबड़ के छल्ले के कंपनों को देखिए।
क्रियाकलाप 11.3
- विभिन्न वाद्य यंत्रों की सूची बनाइए और अपने मित्रों के साथ विचार-विमर्श कीजिए कि ध्वनि उत्पन्न करने के लिए इन वाद्य यंत्रों का कौन-सा भाग कंपन करता है।
11.2 ध्वनि का संचरण
हम जानते हैं कि ध्वनि कंपन करती हुई वस्तुओं द्वारा उत्पन्न होती है। द्रव्य या पदार्थ जिससे होकर ध्वनि संचरित होती है, माध्यम कहलाता है। यह ठोस, द्रव या गैस हो सकता है। स्रोत से उत्पन्न होकर ध्वनि सुनने वाले तक किसी माध्यम से होकर पहुँचती है। जब कोई वस्तु कंपन करती है तो यह अपने चारों ओर विद्यमान माध्यम के कणों को कंपमान कर देती है। ये कण कंपमान वस्तु से हमारे कानों तक स्वयं गति कर नहीं पहुँचते। सबसे पहले कंपमान वस्तु के संपर्क में रहने वाले माध्यम के कण अपनी संतुलित अवस्था से विस्थापित होते हैं। ये अपने समीप के कणों पर एक बल लगाते हैं। जिसके फलस्वरूप निकटवर्ती कण अपनी विरामावस्था से विस्थापित हो जाते हैं। निकटवर्ती कणों को विस्थापित करने के पश्चात् प्रारंभिक कण अपनी मूल अवस्थाओं में वापस लौट आते हैं। माध्यम में यह प्रक्रिया तब तक चलती रहती है जब तक कि ध्वनि आपके कानों तक नहीं पहुँच जाती है। माध्यम में ध्वनि द्वारा उत्पन्न विक्षोभ (माध्यम के कण नहीं) माध्यम से होता हुआ संचरित होता है।
तरंग एक विक्षोभ है जो किसी माध्यम से होकर गति करता है और माध्यम के कण निकटवर्ती कणों में गति उत्पन्न कर देते हैं। ये कण इसी प्रकार की गति अन्य कणों में उत्पन्न करते हैं। माध्यम के कण स्वयं आगे नहीं बढ़ते, लेकिन विक्षोभ आगे बढ़ जाता है। किसी माध्यम में ध्वनि के संचरण के समय ठीक ऐसा ही होता है। इसलिए ध्वनि को तरंग के रूप में जाना जा सकता है। ध्वनि तरंगें माध्यम के कणों की गति द्वारा अभिलक्षित की जाती हैं और यांत्रिक तरंगें कहलाती हैं।
ध्वनि के संचरण के लिए वायु सबसे अधिक सामान्य माध्यम है। जब कोई कंपमान वस्तु आगे की ओर कंपन करती है तो अपने सामने की वायु को धक्का देकर संपीडित करती है और इस प्रकार एक उच्च दाब का क्षेत्र उत्पन्न होता है। इस क्षेत्र को संपीडन (C) कहते हैं (चित्र 11.4)। यह संपीडन कंपमान वस्तु से दूर आगे की ओर गति करता है। जब कंपमान वस्तु पीछे की ओर कंपन करती है तो एक निम्न दाब का क्षेत्र उत्पन्न होता है जिसे विरलन $(\mathrm{R})$ कहते हैं (चित्र 11.4)। जब वस्तु कंपन करती है अर्थात आगे और पीछे तेज़ी से गति करती है तो वायु में संपीडन और विरलन की एक श्रेणी बन जाती है। यही संपीडन और विरलन ध्वनि तरंग बनाते हैं जो माध्यम से होकर संचरित होती है।
चित्र 11.4: कंपमान वस्तु किसी माध्यम में संपीडन (C) तथा विरलन $(R)$ की श्रेणी उत्पन्न करते हुए
संपीडन उच्च दाब का क्षेत्र है और विरलन निम्न दाब का क्षेत्र है। दाब किसी माध्यम के दिए हुए आयतन में कणों की संख्या से संबंधित है। किसी माध्यम में कणों का अधि क घनत्व अधिक दाब को और कम घनत्व कम दाब को दर्शाता है। इस प्रकार ध्वनि का संचरण घनत्व परिवर्तन के संचरण के रूप में भी देखा जा सकता है।
प्रशन
1. किसी माध्यम में ध्वनि द्वारा उत्पन्न विक्षोभ आपके कानों तक कैसे पहुँचता है?
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11.2.1 ध्वनि तरंगें अनुदैर्घ्य तरंगें हैं
क्रियाकलाप 11.4
-
एक स्लिंकी लीजिए। अब स्लिंकी को चित्र 11.5 (a) में दर्शाए अनुसार खींचिए।
-
अपने मित्र की ओर स्लिंकी को एक तीव्र झटका दें।
-
आप क्या देखते हैं? यदि आप अपने हाथ से स्लिंकी को लगातार आगे-पीछे बारी-बारी से धक्का देते और खींचते रहें, तो आप क्या देखेंगे?
-
यदि आप स्लिकी पर एक चिहन लगा दें, तो आप देखेंगे कि स्लिंकी पर लगा चिहन विक्षोभ के संचरण की दिशा के समांतर आगे-पीछे गति करता है।
(a)
(b)
चित्र 11.5: स्लिंकी में अनुदैर्घ्य तरंग
उन क्षेत्रों को जहाँ स्लिंकी की कुंडलियाँ पास-पास आ जाती हैं संपीडन $(\mathrm{C})$ और उन क्षेत्रों को जहाँ कुंडलियाँ दूर-दूर हो जाती हैं विरलन $(\mathrm{R})$ कहते हैं। आप जानते हैं कि किसी माध्यम में ध्वनि संपीडनों तथा विरलनों के रूप में संचरित होती है। अब आप किसी स्लिंकी में विक्षोभ के संचरण तथा किसी माध्यम में विक्षोभ की तुलना कर सकते हैं। ये तरंगें अनुदैर्घ्य तरंगें कहलाती हैं। इन तरंगों में माध्यम के कणों का विस्थापन विक्षोभ के संचरण की दिशा के समांतर होता है। कण एक स्थान से दूसरे स्थान तक गति नहीं करते लेकिन अपनी विराम अवस्था से आगे-पीछे दोलन करते हैं। ठीक इसी प्रकार ध्वनि तरंगें संचरित होती हैं, अतएव ध्वनि तरंगें अनुदैर्घ्य तरंगें हैं।
यदि आप स्लिंकी के अपने हाथ में पकड़े सिरे को आगे-पीछे धक्का न देकर दाएँ-बाएँ हिलाएँ तब भी आपको स्लिंकी में तरंग उत्पन्न होती दिखाई देगी। इस तरंग में कण तरंग संचरण की दिशा में कंपन नहीं करते लेकिन तरंग के चलने की दिशा के लंबवत् अपनी विराम अवस्था के ऊपर-नीचे कंपन करते हैं। इस प्रकार की तरंग को अनुपस्थ तरंग कहते हैं। इस प्रकार अनुपस्थ तरंग वह तरंग है जिसमें माध्यम के कण अपनी माध्य स्थितियों पर तरंग के संचरण की दिशा के लंबवत् गति करते हैं। किसी तालाब में पत्थर का टुकड़ा फेंकने पर जल की सतह पर दिखाई देने वाली तरंगें अनुप्रस्थ तरंग का एक उदाहरण है। प्रकाश भी अनुपस्थ तरंग है। किंतु प्रकाश में दोलन माध्यम के कणों या उनके दाब या घनत्व के नहीं होते। प्रकाश तरंगें यांत्रिक तरंगें नहीं हैं। आप अनुप्रस्थ तरंगों के बारे में अधिक जानकारी उच्च कक्षाओं में प्राप्त करेंगे।
11.2.2 ध्वनि तरंग के अभिलक्षण
किसी ध्वनि तरंग के निम्नलिखित अभिलक्षण होते हैं :
- आवृत्ति
- आयाम
- वेग
ध्वनि तरंग को ग्राफीय रूप में चित्र 11.6(c) में दिखाया गया है, जो प्रदर्शित करता है कि जब ध्वनि तरंग किसी माध्यम में गति करती है तो घनत्व तथा दाब में कैसे परिवर्तन होता है। किसी निश्चित समय पर माध्यम का घनत्व तथा दाब दोनों ही उनके औसत मान से ऊपर और नीचे दूरी के साथ परिवर्तित होते हैं। चित्र 11.6(a) तथा
चित्र $11.6(\mathrm{~b})$ प्रदर्शित करते हैं कि जब ध्वनि तरंग माध्यम में संचरित होती है तो घनत्व तथा दाब में क्या उतार-चढ़ाव होते हैं।
संपीडन वह क्षेत्र है जहाँ कण पास-पास आ जाते हैं, इन्हें वक्र के ऊपरी भाग में दिखाया गया है [चित्र 11.6 (c)]। शिखर अधिकतम संपीडन के क्षेत्र को प्रदर्शित करता है। इस प्रकार संपीडन वह क्षेत्र है जहाँ घनत्व तथा दाब दोनों ही अधिक होते है। विरलन निम्न दाब के क्षेत्र हैं जहाँ कण दूर-दूर हो जाते हैं और उन्हें घाटी से प्रदर्शित करते हैं। इन्हें वक्र के निम्न भाग से दिखाया गया है [चित्र 11.6(c)]। शिखर को तरंग का शृंग तथा घाटी को गर्त कहा जाता है।
दो क्रमागत संपीडनों $(\mathrm{C})$ अथवा दो क्रमागत विरलनों (R) के बीच की दूरी तरंगदैर्घ्य कहलाती है। तरंगदैर्घ्य को साधारणतः $\lambda$ (ग्रीक अक्षर लैम्डा) से निरूपित किया जाता है। इसका SI मात्रक मीटर $(\mathrm{m})$ है।
हैनरिच रुडोल्फ हर्ट्ज़ का जन्म 22 फरवरी 1857 को हैमबर्ग, जर्मनी में हुआ और उनकी शिक्षा बर्लिन विश्वविद्यालय में हुई। उन्होंने जे.सी. मैक्सवेल के हैनरिच रुडोल्फ हर्ट्ज विद्युतचुंबकीय सिद्धांत की प्रयोगों द्वारा पुष्टि की। उन्होंने रेडियो, टेलिफ़ोन, टेलिग्राफ तथा टेलिविज़न के भी भविष्य में विकास की नींव रखी। उन्होंने प्रकाश-विद्युत प्रभाव की भी खोज की जिसकी बाद में अल्बर्ट आइन्सटाइन ने व्याख्या की। आवृत्ति के SI मात्रक का नाम उनके सम्मान में रखा गया।
आवृत्ति से हमें ज्ञात होता है कि कोई घटना कितनी जल्दी-जल्दी घटित होती है। मान लीजिए आप किसी ढोल को पीट-पीट कर बजा रहे हैं। आप ढोल को एक सेकंड में जितनी बार पीटते हैं वह आपके द्वारा ढोल को पीटने की आवृत्ति है। हम जानते हैं कि जब ध्वनि किसी माध्यम में संचरित होती है तो माध्यम का घनत्व किसी अधि
चित्र 11.6: चित्र 11.6 (a) तथा 11.6 (b) में दिखाया गया है कि ध्वनि घनत्व या दाब के उतार-चढ़ाव के रूप में संचरित होती है। चित्र 11.6 (c) में घनत्व तथा दाब के उतार-चढ़ाव को ग्राफीय रूप में प्रदर्शित किया गया है।
कतम तथा न्यूनतम मान के बीच बदलता है। घनत्व के अधिकतम मान से न्यूनतम मान तक परिवर्तन में और पुन: अधिकतम मान तक आने पर एक दोलन पूरा होता है। एकांक समय में इन दोलनों की कुल संख्या ध्वनि तरंग की आवृत्ति कहलाती है। यदि हम प्रति एकांक समय में अपने पास से गुजरने वाले संपीडनों तथा विरलनों की संख्या की गणना करें तो हमको ध्वनि तरंग की आवृत्ति ज्ञात हो जाएगी। इसे सामान्यतया $v$ (ग्रीक अक्षर, न्यू) से प्रदर्शित किया जाता है। इसका SI मात्रक हर्ट्ज़ (hertz, प्रतीक $\mathrm{Hz}$ ) है।
दो क्रमागत संपीडनों या दो क्रमागत विरलनों को किसी निश्चित बिंदु से गुजरने में लगे समय को तरंग का आवर्त काल कहते हैं। आप कह सकते हैं कि एक संपूर्ण दोलन में लिया गया समय ध्वनि तरंग का आवर्त काल कहलाता है। इसे $T$ अक्षर से निरूपित करते हैं। इसका SI मात्रक सेकंड $(\mathrm{s})$ है। आवृत्ति तथा आवर्त काल के बीच संबंध को निम्न प्रकार व्यक्त किया जा सकता है :
$$ \nu=\frac{1}{T} $$
इस प्रकार एक उच्च तारत्व की ध्वनि से हमें ज्ञात होता है कि किसी बिंदु से एकांक समय में संपीडन तथा विरलन की अधिक संख्या गुजरती है। किसी आरकेस्ट्रा (वाद्यवृंद) में वायलिन तथा बाँसुरी एक ही समय बजाई जा सकती हैं। दोनों ध्वनियाँ एक ही माध्यम (वायु) में चलती हैं और हमारे कानों तक एक ही समय पर पहुँचती हैं। दोनों ही स्रोतों की ध्वनियाँ एक ही चाल से चलती हैं। लेकिन जो ध्वनियाँ हम ग्रहण करते हैं वे भिन्न-भिन्न हैं। ऐसा ध्वनि से जुड़े विभिन्न अभिलक्षणों के कारण है। तारत्व इनमें से एक अभिलक्षण है।
किसी उत्सर्जित ध्वनि की आवृत्ति को मस्तिष्क किस प्रकार अनुभव करता है, उसे तारत्व कहते हैं। किसी स्रोत का कंपन जितनी शीघ्रता से होता है, आवृत्ति उतनी ही अधिक होती है और उसका तारत्व भी अधिक होता है। इसी प्रकार जिस ध्वनि का तारत्व कम होता है उसकी आवृत्ति भी कम होती है जैसा कि चित्र 11.7 में दर्शाया गया है।
विभिन्न आकार तथा आकृति की वस्तुएँ विभिन्न आवृत्तियों के साथ कंपन करती हैं और विभिन्न तारत्व की ध्वनियाँ उत्पन्न करती हैं।
किसी माध्यम में मूल स्थिति के दोनों ओर अधिकतम विक्षोभ को तरंग का आयाम कहते हैं। इसे साधारणतः अक्षर $\mathrm{A}$ से निरूपित किया जाता है। जैसा कि चित्र 11.6(c) में दिखाया गया है। ध्वनि के लिए इसका मात्रक दाब या घनत्व का मात्रक होगा। ध्वनि की प्रबलता अथवा मृदुता मूलतः इसके आयाम से ज्ञात की जाती है।
चित्र 11.7: निम्न तारत्व की ध्वनि की आवृत्ति कम तथा उच्च तारत्व की ध्वनि की आवृत्ति अधिक होती है
ध्वनि की प्रबलता अथवा मृदुता मूलतः इसके आयाम से ज्ञात की जाती है। यदि हम किसी मेज़ पर धीरे से चोट मारें, तो हमें एक मृदु ध्वनि सुनाई देगी क्योंकि हम कम ऊर्जा की ध्वनि तरंग उत्पन्न करते हैं।
चित्र 11.8: मृदु ध्वनि का आयाम कम होता है तथा प्रबल ध्वनि का आयाम अधिक होता है
यदि हम किसी मेज़ पर धीरे से चोट मारें, तो हमें एक मृदु ध्वनि सुनाई देगी क्योंकि हम कम ऊर्जा की ध्वनि तरंग उत्पन्न करते हैं। यदि हम मेज़ पर जोर से चोट मारें तो हमें प्रबल ध्वनि सुनाई देगी। क्या आप इसका कारण बता सकते हैं? उत्पादक स्रोत से निकलने के पश्चात् ध्वनि तरंग फैल जाती है। स्रोत से दूर जाने पर इसका आयाम तथा प्रबलता दोनों ही कम होते जाते हैं। प्रबल ध्वनि अधिक दूरी तक चल सकती है क्योंकि यह अधिक ऊर्जा से संबद्ध है। चित्र 11.8 में समान आवृत्ति की प्रबल तथा मृदु ध्वनि की तरंग आकृतियाँ प्रदर्शित की गई हैं।
ध्वनि की यह गुणता (timbre) वह अभिलक्षण है जो हमें समान तारत्व तथा प्रबलता की दो ध्वनियों में अंतर करने में सहायता करता है। एकल आवृत्ति की ध्वनि को टोन कहते हैं। अनेक आवृत्तियों के मिश्रण से उत्पन्न ध्वनि को स्वर (note) कहते हैं और यह सुनने में सुखद होती है। शोर (noise) कर्णप्रिय नहीं होता जबकि संगीत सुनने मे सुखद होता है ।
प्रशन
1. तरंग का कौन-सा गुण निम्नलिखित को निर्धारित करता है? (a) प्रबलता, (b) तारत्व।
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missing2. अनुमान लगाइए कि निम्न में से किस ध्वनि का तारत्व अधिक है? (a) गिटार (b) कार का हॉर्न।
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missingतरंग के किसी बिंदु जैसे एक संपीडन या एक विरलन द्वारा एकांक समय में तय की गई दूरी तरंग वेग कहलाती है।
हम जानते हैं
$$ \begin{aligned} \text { वेग } & =\frac{\text { दूरी }}{\text { समय }} \\ & =\frac{\lambda}{T}=\lambda \times \frac{1}{T} \end{aligned} $$
यहाँ $\lambda$ ध्वनि की तरंगदैर्घ्य है। यह तरंग द्वारा एक आवर्त काल $(T)$ में चली गई दूरी है। अतः
$$ \begin{aligned} v & =\lambda v(\because \frac{1}{T}=v) \\ \text{ or } \quad v & =\lambda v \end{aligned} $$
वेग $=$ तरंगदैर्ध्य $\times$ आवृत्ति
किसी माध्यम के लिए समान भौतिक परिस्थितियों में ध्वनि का वेग सभी आवृत्तियों के लिए लगभग स्थिर रहता है।
उदाहरण 11.1 किसी ध्वनि तरंग की आवृत्ति $2 \mathrm{kHz}$ और उसकी तरंगदैर्घ्य $35 \mathrm{~cm}$ है। यह $1.5 \mathrm{~km}$ दूरी चलने में कितना समय लेगी?
हल:
दिया हुआ है,
आवृत्ति, $v=2 \mathrm{kHz}=2000 \mathrm{~Hz}$
तरंगदैर्घ्य, $\lambda=35 \mathrm{~cm}=0.35 \mathrm{~m}$
हम जानते हैं, तरंग वेग $v=$ तरंगदैर्घ्य $\times$ आवृत्ति
$v=\lambda v$
$$ =0.35 \mathrm{~m} \times 2000 \mathrm{~Hz}=700 \mathrm{~m} / \mathrm{s} $$
तरंग को $1.5 \mathrm{~km}$ दूरी तय करने में लगने वाला समय
$t=\frac{\text { दूरी }}{\text { वेग }}=\frac{1.5 \quad 1000 \mathrm{~m}}{700 \mathrm{~ms}^{-1}}=2.1 \mathrm{~s}$
ध्वनि $1.5 \mathrm{~km}$ तय करने में $2.1 \mathrm{~s}$ समय लेगी।
प्रशन
1. किसी ध्विन तरंग की तरंगदैर्घ्य, आवृत्ति, आवर्त काल तथा आयाम से क्या अभिप्राय है
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missing2. किसी ध्वनि तरंग की तरंगदैर्घ्य तथा आवृत्ति उसके वेग से किस प्रकार संबंधित है?
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missing3. किसी दिए हुए माध्यम में एक ध्वनि तरंग की आवृत्ति $220 \mathrm{~Hz}$ तथा वेग $440 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ है। इस तरंग की तरंगदैर्घ्य की गणना कीजिए।
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missing4. किसी ध्वनिस्रोत से $450 \mathrm{~m}$ दूरी पर बैठा हुआ कोई मनुष्य $500 \mathrm{~Hz}$ की ध्वनि सुनता है। स्रोत से मनुष्य के पास तक पहुँचने वाले दो क्रमागत संपीडनों में कितना समय अंतराल होगा?
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missingकिसी एकांक क्षेत्रफल से एक सेकंड में गुजरने वाली ध्वनि ऊर्जा को ध्वनि की तीव्रता कहते हैं। यद्यपि हम कभी-कभी ‘प्रबलता’ तथा ‘तीव्रता’ शब्दों का पर्याय के रूप में उपयोग करते हैं लेकिन इनका अर्थ एक ही नहीं है। प्रबलता ध्वनि के लिए कानों की संवेदनशीलता की माप है। यद्यपि दो ध्वनियाँ समान तीव्रता की हो सकती हैं फिर भी हम एक को दूसरे की अपेक्षा अधिक प्रबल ध्वनि के रूप में सुन सकते हैं क्योंकि हमारे कान इसके लिए अधिक संवेदनशील हैं।
प्रशन
1. ध्वनि की प्रबलता तथा तीव्रता में अंतर बताइए।
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missing11.2.3 विभिन्न माध्यमों में ध्वनि की चाल
किसी माध्यम में ध्वनि एक निश्चित चाल से संचरित होती है। किसी पटाखे या तड़ित के गर्जन की ध्वनि प्रकाश की चमक दिखाई देने के कुछ देर बाद सुनाई देती है। इसलिए हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि ध्वनि की चाल प्रकाश की चाल से बहुत कम है। ध्वनि की चाल उस माध्यम के गुणों पर निर्भर करती है जिसमें ये संचरित होती है। आप इस संबंध को अपनी उच्च कक्षाओं में सीखेंगे। किसी माध्यम में ध्वनि की चाल माध्यम के ताप पर निर्भर करती है। जब हम ठोस से गैसीय अवस्था की ओर जाते हैं तो ध्वनि की चाल कम होती जाती है। किसी भी माध्यम में ताप बढ़ाने पर ध्वनि की चाल भी बढ़ती है। उदाहरण वे लिए वायु में ध्वनि की चाल $0^{\circ} \mathrm{C}$ पर $331 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ तथा $22 \mathrm{C}$ पर $344 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ है। सारणी 11.1 में विभिन्न माध्यमों में एक विशेष ताप पर ध्वनि की चाल को दर्शाया गया है। (इसे आपको याद रखने की आवश्यकता नहीं है।)
सारणी 11.1 : विभिन्न माध्यमों में 25 $\mathrm{C}$ पर ध्वनि की चाल
| अवस्था | पदार्थ | चाल $ $m / s में |
|---|---|---|
| ठोस | ऐलुमिनियम निकैल स्टील लोहा पीतल काँच (फ्लिंट) |
6420 6040 5960 5950 4700 3980 |
| द्रव | जल ( समुद्री) जल ( आसुत) इथेनॉल मीथेनॉल |
1531 1498 1207 1103 |
| गैस | हाइड्रोजन हीलियम वायु ऑक्सीजन सल्फर डाइऑक्साइड |
1284 965 346 316 213 |
प्रशन
1. वायु, जल या लोहे में से किस माध्यम में ध्वनि सबसे तेज़ चलती है?
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missing11.3 ध्वनि का परावर्तन
किसी ठोस या द्रव से टकराकर ध्वनि उसी प्रकार वापस लौटती है जैसे कोई रबड़ की गेंद किसी दीवार से टकराकर वापस आती है। प्रकाश की भाँति ध्वनि भी किसी ठोस या द्रव की सतह से परावर्तित होती है तथा परावर्तन के उन्हीं नियमों का पालन करती है जिनका अध्ययन आप अपनी पिछली कक्षाओं में कर चुके हैं। परावर्तक सतह पर खींचे गए अभिलंब तथा ध्वनि के आपतन होने की दिशा तथा परावर्तन होने की दिशा के बीच बने कोण आपस में बराबर होते हैं और ये तीनों दिशाएँ एक ही तल में होती हैं। ध्वनि तरंगों के परावर्तन के लिए बड़े आकार के अवरोधक की आवश्यकता होती है जो चाहे पालिश किए हुए हों या खुरदरे।
क्रियाकलाप 11.5
-
चित्र 11.9 की भाँति दो एक जैसे पाइप लीजिए। आप चार्ट पेपर की सहायता से ऐसे पाइप बना सकते हैं।
-
पाइपों की लंबाई पर्याप्त होनी चाहिए (चार्ट पेपर की लंबाई के बराबर)।
-
इन्हें दीवार के समीप किसी मेज़ पर व्यवस्थित कीजिए। एक पाइप के खुले सिरे के पास एक घड़ी रखिए तथा दूसरे पाइप की ओर से घड़ी की ध्वनि सुनने की कोशिश कीजिए।
-
दोनों पाइपों की स्थिति को इस प्रकार समायोजित कीजिए जिससे कि आपको घड़ी की ध्वनि अच्छी प्रकार स्पष्ट रूप से सुनाई देने लगे।
-
इन पाइपों तथा अभिलंब के बीच के कोणों को मापिए तथा इनके बीच के संबंध को देखिए।
-
दाईं ओर के पाइप को ऊर्ध्वाधर दिशा में थोड़ी सी ऊँचाई तक उठाइए और देखिए क्या होता है?
(इस क्रियाकलाप में घड़ी के स्थान पर किसी कम्पन्न मोड पर रखे मोबाइल फोन का उपयोग किया जा सकता है।)
चित्र 11.9: ध्वनि का परावर्तन
11.3.1 प्रतिध्वनि
किसी उचित परावर्तक वस्तु जैसे किसी इमारत अथवा पहाड़ के निकट यदि आप जोर से चिल्लाएँ या ताली बजाएँ तो आपको कुछ समय पश्चात् वही ध्वनि फिर से सुनाई देती है। आपको सुनाई देने वाली इस ध्वनि को प्रतिध्वनि कहते हैं। हमारे मस्तिष्क में ध्वनि की संवेदना लगभग $0.1 \mathrm{~s}$ तक बनी रहती है। स्पष्ट प्रतिध्वनि सुनने के लिए मूल ध्वनि तथा परावर्तित ध्वनि के बीच कम से कम $0.1 \mathrm{~s}$ का समय अंतराल अवश्य होना चाहिए। यदि हम किसी दिए हुए ताप, जैसे $22 \mathrm{C}$ पर ध्वनि की चाल $344 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ मान लें तो ध्वनि को अवरोधक तक जाने तथा परावर्तन के पश्चात् वापस श्रोता तक $0.1 \mathrm{~s}$ के पश्चात् पहुँचना चाहिए। अतः श्रोता से परावर्तक सतह तक जाने तथा वापस आने में ध्वनि द्वारा तय की गई कुल दूरी कम से कम (344 $\mathrm{m} / \mathrm{s}) \times 0.1 \mathrm{~s}=34.4 \mathrm{~m}$ होनी चाहिए। अतः स्पष्ट प्रतिध्वनि सुनने के लिए अवरोधक की ध्वनि स्रोत से न्यूनतम दूरी ध्वनि द्वारा तय की गई कुल दूरी की आधी अर्थात् $17.2 \mathrm{~m}$ अवश्य होनी चाहिए। यह दूरी वायु के ताप के साथ बदल जाती है क्योंकि ताप के साथ ध्वनि के वेग में भी परिवर्तन हो जाता है। ध्वनि के बारंबार परावर्तन के कारण हमें एक से अधिक प्रतिध्वनियाँ भी सुनाई दे सकती हैं। बादलों के गड़गड़ाहट की ध्वनि कई परावर्तक पृष्ठों जैसे बादलों तथा भूमि से बारंबार परावर्तन के फलस्वरूप उत्पन्न होती है।
11.3.2 अनुरणन
किसी बड़े हॉल में उत्पन्न होने वाली ध्वनि दीवारों से बारंबार परावर्तन के कारण काफी समय तक बनी रहती है जब तक कि यह इतनी कम न हो जाए कि यह सुनाई ही न पड़े। यह बारंबार परावर्तन जिसके कारण ध्वनि-निर्बंध होता है, अनुरणन कहलाता है। किसी सभा भवन या बड़े हॉल में अत्यधिक अनुरणन अत्यंत अवांछनीय है। अनुरणन को कम करने के लिए सभा भवन की छतों तथा दीवारों पर ध्वनि अवशोषक पदार्थों जैसे संपीडित फाइबर बोर्ड, खुरदरे प्लास्टर अथवा पर्दे लगे होते हैं। सीटों के पदार्थों का चुनाव इनके ध्वनि अवशोषक गुणों के आधार पर भी किया जाता है।
उदाहरण 11.2 एक मनुष्य किसी खड़ी चट्टान के पास ताली बजाता है और उसकी प्रतिध्वनि $2 \mathrm{~s}$ के पश्चात् सुनाई देती है। यदि ध्वनि की चाल $346 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ ली जाए, तो चट्टान तथा मनुष्य के बीच की दूरी कितनी होगी?
हल:
ध्वनि की चाल, $v=346 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$
प्रतिध्वनि सुनने में लिया गया समय $t=2 \mathrm{~s}$
ध्वनि द्वारा चली गई दूरी
$=v \times t=346 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \times 2 \mathrm{~s}=692 \mathrm{~m}$
$2 \mathrm{~s}$ में ध्वनि ने चट्टान तथा मनुष्य के बीच की दोगनी दूरी तय की। अतएव चट्टान तथा मनुष्य के बीच की दूरी $=692 \mathrm{~m} / 2=342 \mathrm{~m}$.
प्रशन
1. कोई प्रतिध्वनि $3 \mathrm{~s}$ पश्चात् सुनाई देती है। यदि ध्वनि की चाल $342 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ हो तो स्रोत तथा परावर्तक सतह के बीच कितनी दूरी होगी?
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missing11.3.3 ध्वनि के बहुल परावर्तन के उपयोग
1. मेगाफ़ोन या लाउडस्पीकर, हॉर्न, तूर्य तथा शहनाई जैसे वाद्य यंत्र, सभी इस प्रकार बनाए जाते हैं कि ध्वनि सभी दिशाओं में फैले बिना केवल एक विशेष दिशा में ही जाती है, जैसा कि चित्र 11.10 में दर्शाया गया है।
मेगाफोन
चित्र 11.10: मेगाफ़ोन हॉर्न
इन यंत्रों में एक नली का आगे का खुला भाग शंक्वाकार होता है। यह स्रोत से उत्पन्न होने वाली ध्वनि तरंगों को बार-बार परावर्तित करके श्रोताओं की ओर आगे की दिशा में भेज देता है।
2. स्टेथोस्कोप एक चिकित्सा यंत्र है जो शरीर के अंदर, मुख्यतः हद्य तथा फेफड़ों में, उत्पन्न होने वाली ध्वनि को सुनने में काम आता है। स्टेथोस्कोप में रोगी वे हृदय की धड़कन की ध्वनि, बार-बार परावर्तन के कारण डॉक्टर के कानों तक पहुँचती है (चित्र 11.11)।
चित्र 11.11: स्टेथोस्कोप
3. कंसर्ट हॉल, सम्मेलन कक्षों तथा सिनेमा हॉल की छतें वक्राकार बनाई जाती हैं जिससे कि परावर्तन के पश्चात् ध्वनि हॉल के सभी भागों में पहुँच जाए, जैसा कि चित्र 11.12 में दर्शाया गया है। कभी-कभी वक्राकार ध्वनि-पट्टों को मंच के पीछे रख दिया जाता है जिससे कि ध्वनि, ध्वनि-पट्ट से परावर्तन के पश्चात् समान रूप से पूरे हॉल में फैल जाए (चित्र 11.13)।
चित्र 11.12: सम्मेलन कक्ष की वक्राकार छत
चित्र 11.13: बड़े हॉल में उपयोग किए जाने वाला ध्वनि-पट्ट
प्रशन
1. कंसर्ट हॉल की छतें वक्राकार क्यों होती हैं?
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missing11.4 श्रव्यता का परिसर
हम सभी आवृत्ति की ध्वनियों को नहीं सुन सकते। मनुष्यों में ध्वनि की श्रव्यता का परिसर लगभग $20 \mathrm{~Hz}$ से $20,000 \mathrm{~Hz}$ (one $\mathrm{Hz}=$ one cycle/s) तक होता है। पाँच वर्ष से कम आयु के बच्चे तथा कुछ जंतु जैसे कुत्ते $25 \mathrm{kHz}$ तक की ध्वनि सुन सकते हैं। ज्यों-ज्यों व्यक्तियों की आयु बढ़ती जाती है उनके कान उच्च-आवृत्तियों के लिए कम सुग्राही होते जाते हैं। $20 \mathrm{~Hz}$ से कम आवृत्ति की ध्वनियों को अवश्रव्य ध्वनि कहते हैं। यदि हम अवश्रव्य ध्वनि को सुन पाते तो हम किसी लोलक के कंपनों को उसी प्रकार सुन पाते जैसे कि हम किसी मक्खी पंखों के कंपनों को सुन पाते हैं। राइनोसिरस (गैंडा) $5 \mathrm{~Hz}$ तक की आवृत्ति की अवश्रव्य ध्वनि का उपयोग करके संपर्क स्थापित करता है। ह्वेल तथा हाथी अवश्रव्य ध्वनि परिसर की ध्वनियाँ उत्पन्न करते हैं। यह देखा गया है कि कुछ जंतु भूकंप से पहले परेशान हो जाते हैं। भूकंप मुख्य प्रघाती तरंगों से पहले निम्न आवृत्ति की अवश्रव्य ध्वनि उत्पन्न करते हैं, जो संभवतः जंतुओं को सावधान कर देती है। $20 \mathrm{kHz}$ से अधिक आवृत्ति की ध्वनियों को पराश्रव्य ध्वनि या पराध्वनि कहते हैं। डॉलफ़िन, चमगादड़ और पॉरपॉइज जैसे जंतु पराध्वनि उत्पन्न करते हैं। कुछ प्रजाति के शलभों (moths) के श्रवण यंत्र अत्यंत सुग्राही होते हैं। ये शलभ चमगादड़ों द्वारा उत्पन्न उच्च आवृत्ति की चींचीं की ध्वनि को सुन सकते हैं। उन्हें अपने आस-पास उड़ते हुए चमगादड़ के बारे में जानकारी मिल जाती है और इस प्रकार स्वयं को पकड़े जाने से बचा पाते हैं। चूहे भी पराध्वनि उत्पन्न करके कुछ खेल खेलते हैं।
श्रवण सहायक युक्ति: जिन लोगों को कम सुनाई देता है, उन्हें इस यंत्र की आवश्यकता होती है। यह बैट्री से चलने वाली एक इलेक्ट्रॉनिक युक्ति है। इसमें एक छोटा-सा माइक्रोफ़ोन, एक एंप्लीफायर व स्पीकर होता है। जब ध्वनि माइक्रोफ़ोन पर पड़ती है तो वह ध्वनि तरंगों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित कर देता है। एंप्लीफायर इन विद्युत संकेतों को प्रवर्धित कर देता है। ये संकेत स्पीकर द्वारा ध्वनि की तरंगों में परिवर्तित कर दिए जाते हैं। ये ध्वनि तरंगें कान के डायफ्राम पर आपतित होती हैं तथा व्यक्ति को ध्वनि साफ़ सुनाई देती है।
प्रशन
1. सामान्य मनुष्य के कानों के लिए श्रव्यता परास क्या है?
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missing2. निम्न से संबंधित आवृत्तियों का परास क्या है?
(a) अवश्रव्य ध्वनि
(b) पराध्वनि
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missing11.5 पराध्वनि के अनुप्रयोग
पराध्वनियाँ उच्च आवृत्ति की तरंगें हैं। पराध्वनियाँ अवरोधों की उपस्थिति में भी एक निश्चित पथ पर गमन कर सकती हैं। उद्योगों तथा चिकित्सा के क्षेत्र में पराध्वनियों का विस्तृत रूप से उपयोग किया जाता है।
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पराध्वनि प्रायः उन भागों को साफ़ करने में उपयोग की जाती है जिन तक पहुँचना कठिन होता है; जैसे सर्पिलाकार नली, विषम आकार के पुर्जे, इलेक्ट्रॉनिक अवयव आदि। जिन वस्तुओं को साफ़ करना होता है उन्हें साफ़ करने वाले मार्जन विलयन में रखते हैं और इस विलयन में पराध्वनि तरंगें भेजी जाती हैं। उच्च आवृत्ति के कारण, धूल, चिकनाई तथा गंदगी के कण अलग होकर नीचे गिर जाते हैं। इस प्रकार वस्तु पूर्णतया साफ़ हो जाती है।
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पराध्वनि का उपयोग धातु के ब्लॉकों (पिंडों) में दरारों तथा अन्य दोषों का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। धात्विक घटकों को प्रायः बड़े-बड़े भवनों, पुलों, मशीनों तथा वैज्ञानिक उपकरणों को बनाने के लिए उपयोग में लाया जाता है। धातु के ब्लॉकों में विद्यमान दरार या छिद्र जो बाहर से दिखाई नहीं देते, भवन या पुल की संरचना की मज़बूती को कम कर देते हैं। पराध्वनि तरंगें धातु के ब्लॉक से गुज़ारी (प्रेषित की) जाती हैं और प्रेषित तरंगों का पता लगाने के लिए संसूचकों का उपयोग किया जाता है। यदि थोड़ा-सा भी दोष होता है, तो पराध्वनि तरंगें परावर्तित हो जाती हैं जो दोष की उपस्थिति को दर्शाती है (चित्र 11.14)।
चित्र 11.14: पराध्वनि धातु के ब्लॉक में दोषयुक्त स्थान से परावर्तित हो जाती है
साधारण ध्वनि जिसकी तरंगदैर्घ्य अधिक होती है, दोषयुक्त स्थान के कोणों से मुड़कर संसूचक तक पहुँच जाती है, इसलिए इस ध्वनि का उपयोग इस कार्य के लिए नहीं किया जा सकता।
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पराध्वनि तरंगों को हृदय के विभिन्न भागों से परावर्तित करा कर हृदय का प्रतिबिंब बनाया जाता है। इस तकनीक को “इकोकार्डियोग्राफ़ी” (ECG)कहा जाता है।
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पराध्वनि संसूचक एक ऐसा यंत्र है जो पराध्वनि तरंगों का उपयोग करके मानव शरीर के आंतरिक अंगों का प्रतिबिंब प्राप्त करने के लिए काम में लाया जाता है। इस संसूचक से रोगी के अंगों; जैसे यकृत, पित्ताशय, गर्भाशय, गुर्दे आदि का प्रतिबिंब प्राप्त किया जा सकता है। यह संसूचक को शरीर की असमान्यताएँ, जैसे पित्ताशय तथा गुर्दे में पथरी तथा विभिन्न में अर्बुद (ट्यूमर) का पता लगाने में सहायता करता है। इस तकनीक में पराध्वनि तरंगें शरीर के ऊतकों में गमन करती हैं तथा उस स्थान से परावर्तित हो जाती हैं जहाँ ऊतक के घनत्व में परिवर्तन होता है।
इसके पश्चात् इन तरंगों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित किया जाता है जिससे कि उस अंग का प्रतिबिंब बना लिया जाए। इन प्रतिबिंबों को मॉनीटर पर प्रदर्शित किया जाता है या फिल्म पर मुद्रित कर लिया जाता है। इस तकनीक को अल्ट्रासोनोग्राफी कहते हैं। अल्ट्रासोनोग्राफी का उपयोग गर्भ काल में भूण की जाँच तथा उसके जन्मजात दोषों तथा उसकी वृद्धि की अनियमितताओं का पता लगाने में किया जाता है।
- पराध्वनि का उपयोग गुर्दे की छोटी पथरी को बारीक कणों में तोड़ने के लिए भी किया जा सकता है। ये कण बाद में मूत्र के साथ बाहर निकल जाते हैं।
आपने क्या सीखा
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ध्वनि विभिन्न वस्तुओं के कंपन करने के कारण उत्पन्न होती है।
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ध्वनि किसी द्रव्यात्मक माध्यम में अनुदैर्घ्य तरंगों के रूप में संचरित होती है। - ध्वनि माध्यम में क्रमागत संपीडनों तथा विरलनों के रूप में संचरित होती है।
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ध्वनि संचरण में, माध्यम के कण आगे नहीं बढ़ते, केवल विक्षोभ ही संचरित होता है।
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घनत्व के अधिकतम मान से न्यूनतम मान और पुनः अधिकतम मान के परिवर्तन से एक दोलन पूरा होता है।
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वह न्यूनतम दूरी जिस पर किसी माध्यम का घनत्व या दाब आवर्ती रूप में अपने मान की पुनरावृत्ति करता है, ध्वनि की तरंगदैर्घ्य $(\lambda)$ कहलाती है।
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तरंग द्वारा माध्यम के घनत्व के एक संपूर्ण दोलन में लिए गए समय को आवर्त काल $(T)$ कहते हैं।
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एकांक समय में होने वाले दोलनों की कुल संख्या को आवृत्ति $(v)$ कहते हैं
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ध्वनि का वेग $(v)$, आवृत्ति $(v)$ तथा तरंगदैर्घ्य $(\lambda)$ में संबंध है, $v=\lambda v$
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ध्वनि की चाल मुख्यतः संचरित होने वाले माध्यम की प्रकृति तथा ताप पर निर्भर होती है।
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ध्वनि के परावर्तन के नियम के अनुसार, ध्वनि के आपतन होने की दिशा तथा परावर्तन होने की दिशा, परावर्तक सतह पर खींचे गए अभिलंब से समान कोण बनाते हैं और ये तीनों एक ही तल में होते हैं।
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स्पष्ट प्रतिध्वनि सुनने के लिए मूल ध्वनि तथा परावर्तित ध्वनि के बीच कम से कम $0.1 \mathrm{~s}$ का समय अंतराल अवश्य होना चाहिए।
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किसी सभागार में ध्वनि-निर्धंध बारंबार परावर्तनों के कारण होता है और इसे अनुरणन कहते हैं।
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ध्वनि के अभिलक्षण जैसे तारत्व, प्रबलता तथा गुणता; संगत तरंगों के गुणों द्वारा निर्धारित होते हैं।
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प्रबलता ध्वनि की तीव्रता के लिए कानों की शारीरिक अनुक्रिया है।
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किसी एकांक क्षेत्रफल से एक सेकंड में गुजरने वाली ध्वनि ऊर्जा को ध्वनि की तीव्रता कहते हैं।
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मानवों में ध्वनि की श्रव्यता की आवृत्तियों का औसत परास $20 \mathrm{~Hz}$ से $20 \mathrm{kHz}$ तक है।
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श्रव्यता के परास से कम आवृत्तियों की ध्वनि को ‘अवश्रव्य’ ध्वनि तथा श्रव्यता के परास से अधिक आवृत्ति की ध्वनियों को ‘पराध्वनि’ कहते हैं।
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पराध्वनि के चिकित्सा तथा प्रौद्योगिक क्षेत्रों में अनेक उपयोग हैं।
अभ्यास
1. ध्वनि क्या है और यह कैसे उत्पन्न होती है?
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missing2. एक चित्र की सहायता से वर्णन कीजिए कि ध्वनि के स्रोत के निकट वायु में संपीडन तथा विरलन कैसे उत्पन्न होते हैं।
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missing3. ध्वनि तरंगों की प्रकृति अनुदैर्घ्य क्यों है?
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missing4. ध्वनि का कौन-सा अभिलक्षण किसी अन्य अंधेरे कमरे में बैठे आपके मित्र की आवाज पहचानने में आपकी सहायता करता है?
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missing5. तड़ित की चमक तथा गर्जन साथ-साथ उत्पन्न होते हैं। लेकिन चमक दिखाई देने के कुछ सेकंड पश्चात् गर्जन सुनाई देती है। ऐसा क्यों होता है?
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missing6. किसी व्यक्ति का औसत श्रव्य परास $20 \mathrm{~Hz}$ से $20 \mathrm{kHz}$ है। इन दो आवृत्तियों के लिए ध्वनि तरंगों की तरंगदैर्घ्य ज्ञात कीजिए। वायु में ध्वनि का वेग $344 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ लीजिए।
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missing7. दो बालक किसी ऐलुमिनियम पाइप के दो सिरों पर हैं। एक बालक पाइप के एक सिरे पर पत्थर से आघात करता है। दूसरे सिरे पर स्थित बालक तक वायु तथा ऐलुमिनियम से होकर जाने वाली ध्वनि तरंगों द्वारा लिए गए समय का अनुपात ज्ञात कीजिए।
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missing8. किसी ध्वनि स्रोत की आवृत्ति $100 \mathrm{~Hz}$ है। एक मिनट में यह कितनी बार कंपन करेगा?
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missing9. क्या ध्वनि परावर्तन के उन्हीं नियमों का पालन करती है जिनका कि प्रकाश की तंरगें करती हैं? इन नियमों को बताइए।
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missing10. ध्वनि का एक स्रोत किसी परावर्तक सतह के सामने रखने पर उसके द्वारा प्रदत्त ध्वनि तरंग की प्रतिध्वनि सुनाई देती है। यदि स्रोत तथा परावर्तक सतह की दूरी स्थिर रहे तो किस दिन प्रतिध्वनि अधिक शीघ्र सुनाई देगी - (i) जिस दिन तापमान अधिक हो? (ii) जिस दिन तापमान कम हो?
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missing11. ध्वनि तरंगों के परावर्तन के दो व्यावहारिक उपयोग लिखिए।
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missing12. 500 मीटर ऊँची किसी मीनार की चोटी से एक पत्थर मीनार के आधार पर स्थित एक पानी के तालाब में गिराया जाता है। पानी में इसके गिरने की ध्वनि चोटी पर कब सुनाई देगी? $\left(g=10 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-2}\right.$ तथा ध्वनि की चाल $=340 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ )
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missing13. एक ध्वनि तरंग $339 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ की चाल से चलती है। यदि इसकी तरंगदैर्घ्य $1.5 \mathrm{~cm}$ हो, तो तरंग की आवृत्ति कितनी होगी? क्या ये श्रव्य होंगी?
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missing14. अनुरणन क्या है? इसे कैसे कम किया जा सकता है?
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missing15. ध्वनि की प्रबलता से क्या अभिप्राय है? यह किन कारकों पर निर्भर करती है?
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missing16. वस्तुओं को साफ़ करने के लिए पराध्वनि का उपयोग कैसे करते हैं?
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missing17. किसी धातु के ब्लॉक में दोषों का पता लगाने के लिए पराध्वनि का उपयोग कैसे किया जाता है वर्णन कीजिए।
