ध्वनि तरंग एक निश्चित आवृत्ति की यांत्रिक अनुदैर्ध्य तरंग है। लेख में हम समझेंगे कि अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ तरंगें क्या हैं, प्रत्येक यांत्रिक तरंग ध्वनि क्यों नहीं होती है। तरंग की गति और ध्वनि की आवृत्तियाँ ज्ञात कीजिए। आइए जानें कि क्या ध्वनि विभिन्न वातावरणों में समान है और सूत्र का उपयोग करके इसकी गति ज्ञात करना सीखें।
लहर दिखाई देती है
आइए एक पानी की सतह की कल्पना करें, उदाहरण के लिए शांत मौसम में एक तालाब। यदि आप एक पत्थर फेंकते हैं, तो पानी की सतह पर हम केंद्र से अलग वृत्त देखेंगे। और क्या होगा यदि हम एक पत्थर नहीं, बल्कि एक गेंद लें और इसे दोलन गति में लाएं? गेंद के कंपन से लगातार वृत्त उत्पन्न होंगे। हम लगभग वैसा ही देखेंगे जैसा कंप्यूटर एनिमेशन में दिखाया गया है।
अगर हम गेंद से कुछ दूरी पर फ्लोट को नीचे करते हैं, तो यह भी दोलन करेगी। जब समय के साथ अंतरिक्ष में उतार-चढ़ाव आते हैं, तो इस प्रक्रिया को तरंग कहा जाता है।
ध्वनि (तरंग दैर्ध्य, तरंग गति, आदि) के गुणों का अध्ययन करने के लिए प्रसिद्ध इंद्रधनुष खिलौना, या हैप्पी रेनबो उपयुक्त है।
चलो वसंत को फैलाते हैं, इसे शांत होने देते हैं और तेजी से ऊपर-नीचे हिलाते हैं। हम देखेंगे कि एक लहर दिखाई दी, जो वसंत के साथ चलती थी, और फिर वापस लौट आती थी। इसका मतलब है कि यह बाधा से परिलक्षित होता है। हमने देखा कि समय के साथ वसंत के साथ लहर कैसे फैलती है। वसंत के कण अपने संतुलन के सापेक्ष ऊपर और नीचे चले गए, और लहर बाएँ और दाएँ चलती रही। ऐसी तरंग को अनुप्रस्थ तरंग कहते हैं। इसमें इसके प्रसार की दिशा कणों के दोलन की दिशा के लंबवत होती है। हमारे मामले में, तरंग प्रसार माध्यम एक स्प्रिंग था।
अब स्प्रिंग को स्ट्रेच करें, इसे शांत होने दें और आगे-पीछे करें। हम देखेंगे कि स्प्रिंग की कुण्डलियाँ इसके अनुदिश संपीडित हैं। लहर उसी दिशा में चलती है। एक स्थान पर वसंत अधिक संकुचित होता है, दूसरे स्थान पर यह अधिक फैला हुआ होता है। ऐसी तरंग अनुदैर्ध्य कहलाती है। इसके कणों के दोलन की दिशा प्रसार की दिशा से मेल खाती है।
आइए एक घने माध्यम की कल्पना करें, उदाहरण के लिए, एक कठोर शरीर। यदि हम इसे कतरनी द्वारा विकृत करते हैं, तो एक लहर उठेगी। यह केवल ठोस पदार्थों में कार्य करने वाले लोचदार बलों के कारण दिखाई देगा। ये बल एक लोचदार तरंग को बहाल करने और उत्पन्न करने की भूमिका निभाते हैं।
आप किसी द्रव को अपरूपण द्वारा विकृत नहीं कर सकते। एक अनुप्रस्थ तरंग गैसों और तरल पदार्थों में प्रचार नहीं कर सकती है। एक और चीज अनुदैर्ध्य है: यह उन सभी वातावरणों में फैलती है जहां लोचदार बल कार्य करते हैं। एक अनुदैर्ध्य तरंग में, कण एक दूसरे के पास पहुंचते हैं, फिर दूर चले जाते हैं, और माध्यम स्वयं संकुचित और विरल हो जाता है।
कई लोग सोचते हैं कि तरल पदार्थअसम्पीडित, लेकिन ऐसा नहीं है। यदि आप सिरिंज के प्लंजर को पानी से दबाते हैं, तो यह थोड़ा सिकुड़ जाएगा। गैसों में, संपीड़न-तन्यता विरूपण भी संभव है। खाली सिरिंज के प्लंजर को दबाने से हवा संकुचित हो जाती है।
गति और तरंग दैर्ध्य
आइए उस एनिमेशन पर लौटते हैं जिस पर हमने लेख की शुरुआत में विचार किया था। हम सशर्त गेंद से अलग होने वाले मंडलियों में से एक पर एक मनमाना बिंदु चुनते हैं और इसका पालन करते हैं। बिंदु केंद्र से दूर चला जाता है। जिस गति से यह चलता है वह तरंग शिखा की गति है। हम निष्कर्ष निकाल सकते हैं: लहर की विशेषताओं में से एक लहर की गति है।
एनीमेशन से पता चलता है कि लहर के शिखर समान दूरी पर स्थित हैं। यह तरंग दैर्ध्य है - इसकी विशेषताओं में से एक। लहरें जितनी अधिक बार आती हैं, उनकी लंबाई उतनी ही कम होती है।
हर यांत्रिक तरंग ध्वनि क्यों नहीं होती
एल्यूमीनियम का शासक लें।
यह उछालभरी है, इसलिए यह अनुभव के लिए अच्छा है। हम शासक को मेज के किनारे पर रखते हैं और इसे अपने हाथ से दबाते हैं ताकि यह दृढ़ता से फैल जाए। हम इसके किनारे पर दबाते हैं और इसे तेजी से छोड़ते हैं - मुक्त भाग कंपन करना शुरू कर देगा, लेकिन कोई आवाज नहीं होगी। यदि आप रूलर को थोड़ा सा बढ़ा देते हैं, तो छोटे किनारे का कंपन ध्वनि उत्पन्न करेगा।
यह अनुभव क्या दर्शाता है? यह प्रदर्शित करता है कि ध्वनि केवल तब होती है जब कोई पिंड पर्याप्त तेजी से आगे बढ़ रहा हो, जब माध्यम में तरंग की गति अधिक हो। आइए हम तरंग की एक और विशेषता - आवृत्ति का परिचय दें। यह मान दर्शाता है कि शरीर प्रति सेकंड कितने कंपन करता है। जब हम हवा में एक लहर बनाते हैं, तो कुछ शर्तों के तहत ध्वनि उत्पन्न होती है - जब पर्याप्त होउच्च आवृत्ति।
यह समझना महत्वपूर्ण है कि ध्वनि तरंग नहीं है, हालांकि यह यांत्रिक तरंगों से संबंधित है। ध्वनि वह अनुभूति है जो तब होती है जब ध्वनि (ध्वनिक) तरंगें कान में प्रवेश करती हैं।
चलिए वापस शासक के पास। जब बड़े हिस्से को बढ़ाया जाता है, तो रूलर दोलन करता है और कोई आवाज नहीं करता है। क्या यह लहर पैदा करता है? ज़रूर, लेकिन यह एक यांत्रिक तरंग है, ध्वनि तरंग नहीं। अब हम ध्वनि तरंग को परिभाषित कर सकते हैं। यह एक यांत्रिक अनुदैर्ध्य तरंग है, जिसकी आवृत्ति 20 हर्ट्ज से 20 हजार हर्ट्ज तक होती है। यदि आवृत्ति 20 हर्ट्ज से कम या 20 किलोहर्ट्ज़ से अधिक है, तो हम इसे नहीं सुनेंगे, हालांकि कंपन होगा।
ध्वनि स्रोत
कोई भी दोलनशील पिंड ध्वनिक तरंगों का स्रोत हो सकता है, उसे केवल एक लोचदार माध्यम की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, हवा। न केवल एक ठोस शरीर कंपन कर सकता है, बल्कि एक तरल और एक गैस भी कंपन कर सकता है। कई गैसों के मिश्रण के रूप में वायु न केवल एक प्रसार माध्यम हो सकती है - यह स्वयं एक ध्वनिक तरंग उत्पन्न करने में सक्षम है। यह उनका कंपन है जो वायु वाद्ययंत्रों की ध्वनि के अंतर्गत आता है। बांसुरी या तुरही कंपन नहीं करता है। यह हवा है जो दुर्लभ और संकुचित होती है, तरंग को एक निश्चित गति देती है, जिसके परिणामस्वरूप हम ध्वनि सुनते हैं।
विभिन्न वातावरणों में ध्वनि फैलाना
हमने पाया कि विभिन्न पदार्थ ध्वनि करते हैं: तरल, ठोस, गैसीय। वही ध्वनिक तरंग का संचालन करने की क्षमता के लिए जाता है। ध्वनि निर्वात को छोड़कर किसी भी लोचदार माध्यम (तरल, ठोस, गैसीय) में फैलती है। खाली जगह में, चांद पर कहो, हम एक हिलते हुए शरीर की आवाज नहीं सुनेंगे।
मनुष्यों द्वारा ग्रहण की जाने वाली अधिकांश ध्वनियाँ वायुवाहित होती हैं। मछली, जेलिफ़िश पानी के माध्यम से एक ध्वनिक तरंग को मोड़ते हुए सुनते हैं। हम, अगर हम पानी के नीचे गोता लगाते हैं, तो हमें एक मोटर बोट की आवाज़ भी सुनाई देगी। इसके अलावा, तरंग दैर्ध्य और तरंग की गति हवा की तुलना में अधिक होगी। इसका मतलब यह है कि पानी के भीतर गोता लगाने वाले व्यक्ति द्वारा सबसे पहले मोटर की आवाज सुनी जाएगी। मछुआरा, जो अपनी नाव में उसी जगह बैठा है, बाद में शोर सुनेगा।
ठोस में, ध्वनि और भी बेहतर चलती है, और तरंग की गति अधिक होती है। यदि आप अपने कान में कोई कठोर वस्तु, विशेष रूप से धातु, डालते हैं और उस पर टैप करते हैं, तो आप बहुत अच्छी तरह से सुनेंगे। एक और उदाहरण आपकी अपनी आवाज है। जब हम पहली बार अपना भाषण सुनते हैं, जो पहले वॉयस रिकॉर्डर या वीडियो से रिकॉर्ड किया गया था, तो आवाज विदेशी लगती है। ऐसा क्यों हो रहा है? क्योंकि जीवन में हम अपने मुंह से उतने ध्वनि कंपन नहीं सुनते जितना कि हमारी खोपड़ी की हड्डियों से गुजरने वाली तरंगों के कंपन। इन बाधाओं से परावर्तित ध्वनि कुछ हद तक बदल जाती है।
ध्वनि की गति
ध्वनि तरंग की गति, यदि हम एक ही ध्वनि पर विचार करें, तो विभिन्न वातावरणों में भिन्न होगी। माध्यम जितना सघन होगा, ध्वनि उतनी ही तेजी से हमारे कानों तक पहुंचती है। ट्रेन हमसे इतनी दूर जा सकती है कि पहियों की आवाज अभी सुनाई नहीं देगी। हालाँकि, यदि आप रेल की पटरियों पर अपना कान लगाते हैं, तो हम स्पष्ट रूप से गड़गड़ाहट सुन सकते हैं।
इससे पता चलता है कि ध्वनि तरंगें हवा की तुलना में ठोस पदार्थों में तेजी से यात्रा करती हैं। आकृति विभिन्न वातावरणों में ध्वनि की गति को दर्शाती है।
तरंग समीकरण
गति, आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य आपस में जुड़े हुए हैं। उच्च आवृत्ति पर कंपन करने वाले निकायों के लिए, तरंग कम होती है। कम आवृत्ति की ध्वनियाँ अधिक दूरी पर सुनी जा सकती हैं क्योंकि उनकी तरंगदैर्घ्य लंबी होती है। दो तरंग समीकरण हैं। वे एक दूसरे से तरंग विशेषताओं की अन्योन्याश्रयता का वर्णन करते हैं। समीकरणों से किन्हीं दो राशियों को जानकर आप तीसरी की गणना कर सकते हैं:
с=×, जहाँ c गति है, आवृत्ति है, तरंग दैर्ध्य है।
दूसरा ध्वनिक तरंग समीकरण:
s=/ टी, जहां टी अवधि है, यानी वह समय जिसके लिए शरीर एक दोलन करता है।
