Notes-Marathi Medium-Class 9-विज्ञान आणि तंत्रज्ञान-पाठ-12- ध्वनीचा अभ्यास-Maharashtra Board

अभ्यासघटक : ध्वनीतरंग ध्वनीचा वेग श्राव्य , अवश्राव्य ध्वनी व श्रव्यातीत ध्वनी ध्वनीचे परावर्तन मानवी कर्ण

ध्वनीतरंग :

• ध्वनी ही एक प्रकारची ऊर्जा असून ही ऊर्जा तरंगाच्या स्वरूपात असते. ती आपल्या कानात ऐकण्याची संवेदना निर्माण करते.
• ध्वनि-प्रसारणासाठी माध्यमाची आवश्यकता असते.
• ध्वनितरंगामुळे माध्यमात संपीडन (अधिक घनतेचे क्षेत्र) व विरलन (कमी घनतेचे क्षेत्र) यांची शृंखला निर्माण होते.
• माध्यमांच्या कणांचे दोलन आपल्या मध्य स्थितीच्या आजूबाजूस तरंगप्रसारणाच्या समांतर दिशेने होते, अशा तरंगांना अनुतरंग (Longitudinal waves) म्हणतात.
• याउलट, पाण्यात खडा टाकल्याने निर्माण होणाऱ्या तरंगात पाण्याचे कण वरखाली दोलन करतात. हे दोलन तरंगप्रसारणाच्या दिशेच्या लंबबत असतात, त्यास अवतरंग (Transverse waves) असे म्हणतात.

ध्वनीची निर्मिती : ध्वनीची निर्मिती वस्तूमधील कंपनांमुळे होते. कंपन म्हणजे कोणत्याही कणाची अथवा वस्तूची जलद गतीने मध्य स्थितीभोवती पुढे-मागे होणारी हालचाल होय.

• उदा., तंतुवाद्यातील तारेची कंपने, कंप पावणारा नादकाटा.

तरंग : तरंग हा विक्षोभ (disturbance) असून तो माध्यमातून जाताना माध्यमातील कण शेजारच्या कणांना गतिमान करतात.

• तरंगाची गती हा माध्यमातून ऊर्जा पुढे पाठवण्याचा एक प्रकार आहे. येथे माध्यमातील कणांचे माध्यमाच्या एका भागातून दुसर्या भागात स्थलांतर होत नाही.

 ध्वनीचा वेग (Speed of Sound) :

तरंगावरील संपीडन किंवा विरलनसारख्या एखाद्या बिंदूने एकक कालावधीत कापलेले अंतर म्हणजे ध्वनीचा वेग होय.

वेग v = अंतर / काल

ध्वनी तरंगावरचा कुठलाही बिंदू ‘T’ (तरंगकाल) या काळात λ (तरंगलांबी) एवढे अंतर पार करतो, म्हणून ध्वनीचा वेग, v  = तरंगलांबी / तरंगकाल = λ / T  = ν λ     (…1/T = ν)

∴ ध्वनीचा वेग = वारंवारिता x तरंगलांबी

• सारख्याच भौतिक स्थितीत असलेल्या माध्यमातील ध्वनीचा वेग सर्व वारंवारिता (frequency) करिता जवळपास सारखाच असतो.
• स्थायू माध्यमापासून वायू माध्यमांपर्यंत ध्वनीचा वेग कमी कमी होत जातो.
• जर आपण कोणत्या ही माध्यमाचे तापमान वाढवले तर ध्वनीचा वेग देखील वाढतो.

ध्वनी प्रसारण :

• ध्वनीच्या प्रसारणासाठी माध्यमाची (भौतिक वस्तूची) आवश्यकता असते, म्हणजे ध्वनी निर्वात पोकळीतून प्रवास करू शकत नाही.
• ध्वनी तरंग अनुतरंग होत. ध्वनी तरंग माध्यमातून प्रवास करताना माध्यमाची घनता व दाब यांमध्ये बदल होतो.
• संपीडने म्हणजे कणांची एकत्रित गर्दी असणारे भाग असून येथे घनता व दाब उच्चतम असतात. विरलने म्हणजे कण विखुरलेले असणारे भाग असून येथे घनता व दाब कमीत कमी असतात.

ध्वनीचा वायूमधील वेग : वायू माध्यमातून जाणाऱ्या ध्वनीतरंगाचा वेग वायूच्या भौतिक स्थितीवर अवलंबून असतो.

• भौतिक स्थिती म्हणजेच वायूचे तापमान, त्याची घनता व त्याचा रेणूभार.

तापमान (Temperature T) : ध्वनीचा वेग माध्यमाच्या तापमानाच्या (T) वर्ग मूळाच्या समानुपाती असतो म्हणजेच तापमान चौपट झाल्यास गती दुप्पट होते.

v ∝ \(\sqrt{T}\)

घनता (Density ρ ) : ध्वनीचा वेग हा माध्यमाच्या घनतेच्या वर्ग मूळाच्या व्यस्त प्रमाणात असतो. म्हणजेच घनता व चौपट झाल्यास गती अर्धी होते.

v ∝ \(\frac{1}{\sqrt{ρ}}\)

रेणूभार (Molecular Weight M ): ध्वनीचा वेग हा माध्यमाच्या रेणूभाराच्या वर्ग मूळाच्या व्यस्त प्रमाणात असतो.

v ∝ \(\frac{1}{\sqrt{M}}\)

ध्वनीचा वायूमधील वेग : (पूरक माहिती)

v = \(\sqrt{\frac{γP}{ρ}}=\sqrt{\frac{γRT}{M}}\)

येथे γ = adiabatic constant for the gas

R = universal gas constant ,

P = वायूचा दाब

श्राव्य, अवश्राव्य व श्राव्यातीत ध्वनी :

मानवाची श्रवण मर्यादा : मानवाची श्रवण मर्यादा  20 Hz - 20000 Hz श्राव्य ध्वनी अशी आहे.

अवश्राव्य ध्वनी व श्रव्यातीत ध्वनी :

• 20 Hz पेक्षा कमी वारंवारता असलेल्या ध्वनीला अवश्राव्य ध्वनी (Infrasound) म्हणतात.
• 20000 Hz पेक्षा जास्त वारंवारिता असलेल्या ध्वनीला श्रव्यातीत (Ultrasound) म्हणतात.
• आपल्याला अवश्राव्य ध्वनी व श्रव्यातीत ध्वनी ऐकू येत नाहीत.

ध्वनीचे परावर्तन (Reflection of Sound ) :

ध्वनीच्या परावर्तनाचे नियम व प्रकाशाच्या परावर्तनाचे नियम सारखे असतात. ध्वनी ज्या दिशेने जातो व परावर्तित होतो, त्या दिशा परावर्तक पृष्ठभागाच्या स्तंभिकेशी सारखेच कोन करतात आणि ते एकाच प्रतलात असतात.

ध्वनीचे चांगले परावर्तक व अयोग्य परावर्तक :

एखाद्या परावर्तकापासून ध्वनी परावर्तित होत असताना ध्वनी किती प्रमाणात परावर्तित होतो यावरून ध्वनीचे चांगले परावर्तक व अयोग्य परावर्तक असे वर्गीकरण करतात.

कठीण व सपाट पृष्ठभागावरून ध्वनीचे परावर्तन चांगल्या प्रकारे होते तर कपडे, पेपर, चटई, पडदे, फर्निचर यांपासून ध्वनीचे परावर्तन न होता ध्वनी शोषला जातो म्हणून यांना अयोग्य परावर्तक असे म्हणतात.

प्रतिध्वनी (Echo) :

प्रतिध्वनी म्हणजे मूळ ध्वनीची कोणत्याही प्रष्ठभागावरून परावर्तनामुळे होणारी पुनरावृत्ती होय.

• आपल्या मेंदूत ध्वनीचे सातत्य सुमारे1 सेकंद राहते. 22 °C तापमानाला ध्वनीचा हवेतील वेग 344 m/s असतो. त्यामुळे या तापमानाला वेगळा प्रतिध्वनी ऐकण्यासाठी ध्वनीच्या स्रोतापासून अडथळ्यापर्यंतचे अंतर कमीत कमी 17.2 मीटर असावे लागते.

सूत्र :

अंतर = वेग ×  काल

= 344 मीटर / सेकंद × 0.1 सेकंद

= 34.4 मीटर

त्यामुळे सुस्पष्ट प्रतिध्वनी ऐकण्यासाठी ध्वनीच्या स्रोतापासून अडथळ्यापर्यंतचे कमीत कमी अंतर वरील अंतराच्या निम्मे म्हणजे 17.2 मीटर असावे लागते. वेगवेगळ्या तापमानाला ही अंतरे वेगवेगळी असतात.

• वटवाघळे जो श्रव्यातीत ध्वनी तोंडाने काढतात, तो समोरच्या पदार्थावर आपटून परावर्तित ध्वनी त्यांच्या कानांना ऐकू येतो. अशा रितीने समोरच्या पदार्थाचे अस्तित्व आणि अंतर याबद्दल वटवाघळांना अंधारातही अचूक ज्ञान होत असते.
• कुत्रा उंदीर, वटवाघूळ, डॉल्फिन हे मानवास ऐकू न येणारे ध्वनी (श्रव्यातीत ध्वनी) ऐकू शकतात.

निनाद (Reverberation) :

• ध्वनी तरंगांचे पुन:पुन्हा परावर्तन झाल्यास ध्वनी तरंग एकत्र येऊन सतत जाणवेल असा ध्वनी तयार होतो. याचा परिणाम ध्वनीचे सातत्य राहण्यात होतो. याला निनाद (Reverberation) म्हणतात.
• सतत किंवा बऱ्याचदा होणाऱ्या परावर्तनामुळे प्रतिध्वनी अनेक वेळा ऐकू येऊ शकतात याचे उत्तम उदाहरण म्हणजे कर्नाटकातील विजयपूर येथील गोलघुमट होय.
• काही सार्वजनिक सभागृह किंवा श्रोत्यांच्या बसण्याच्या जागा ध्वनीविषयक निकृष्ट ठरण्याचे कारण निनाद असते.सार्वजनिक सभागृहाची रचना योग्य नसल्यास सभागृहातीत परावर्तित ध्वनी एकमेकांच्या आड येतात. परिणामी, गोंधळात टाकणारा व वाढत जाणारा ध्वनी निर्माण होतो. त्यामुळे श्रोत्यांना वक्त्याचे भाषण अथवा गायकाचे गायन /वाद्यांचे संगीत नीट ऐकू येत नाही. अशा वेळी ध्वनीचे परावर्तन अनिष्ट असते.

सोनार (SONAR) :

यात पाण्याखालील वस्तूचे (उदाहरणार्थ, पाणबुडी, बुडालेले जहाज) अंतर, दिशा व वेग ठरवण्यासाठी श्रव्यातीत ध्वनी तरंगांचा उपयोग करतात. याचा उपयोग समुद्राची खोली काढण्यासाठी होतो. यात जहाजावर अथवा बोटीवर प्रक्षेपक व शोधक बसवलेले असतात.

प्रक्षेपक श्रव्यातीत ध्वनी तरंग निर्माण करून त्यांचे समुद्राच्या तळाच्या दिशेने प्रसारण करतो. हे तरंग समुद्राच्या तळाशी असणाऱ्या वस्तूवर/समुद्रतळावर आदळून परावर्तित होतात. ग्राहक हे तरंग ग्रहण करून त्यांचे रूपांतर विद्युत लहरीत करतो व त्यातून त्यांचा सुयोग्य अर्थ काढला जातो. ध्वनीचे प्रक्षेपण व स्वीकृती यांमधील कालावधी t असल्यास, ध्वनीला जहाजापासून समुद्रतळापर्यंत जाण्यास लागलेला कालावधी t/2 होय. ध्वनीचा समुद्राच्या पाण्यातील वेग v असल्यास जहाजापासून समुद्रतळाचे अंतर d = vt/2. यावरून समुद्राची खोली (d) समजते.

सोनोग्राफी (Sonography) :

या तंत्रज्ञानामध्ये परीक्षण करावयाच्या भागावरील त्वचेवर एक शोधनी व विशिष्ट द्रव वापरतात. परीक्षण करावयाच्या भागावरील त्वचेवर द्रव लावून शोधनीच्या साहाय्याने उच्च वारंवारितेचा ध्वनी त्या द्रवामधुन शरीरात सोडतात. हा ध्वनी शरीराच्या अंतर्गत भागावर पडून त्याचे परावर्तन होते. परावर्तित ध्वनी पुन्हा शोधनीच्या साहाय्याने एकत्रित करून संगणक वापरून शरीराच्या त्या अंतर्गत भागाचे चित्र तयार करतात. हे तंत्रज्ञान वेदनाविरहित असते. अचूक निदानासाठी या तंत्राचा उपयोग वेदनांची कारणे शोधणे, जंतुसंसर्ग शोधणे, हृदयाची स्थिती बघणे, गरोदर स्त्रीच्या गर्भाशयामध्ये गर्भाची होणारी वाढ पाहणे इत्यादींसाठी केला जातो.

लक्षात ठेवा : ·      विज्ञानाच्या माध्यमातून तंत्रज्ञानाचा झालेला विकास हा मानवाच्या प्रगतीसाठी कारणीभूत ठरला असला तरी तंत्रज्ञानाच्या गैरवापराचे अनेक दुष्परिणामही मानवी जीवनावर झालेले आहेत. ·       सोनोग्राफी तंत्राच्या आधारे आपल्याला जन्मास येणारे अर्भक कसे आहे, त्याची वाढ कशी होत आहे याचा उलगडा होतो. परंतु मुलगा मुलगी असा भेद करत स्त्री भ्रूणहत्या होण्याचे वाढते प्रमाण हा या तंत्राचा गैरवापरच आहे. असे करणे कायद्याने शिक्षा पात्र गुन्हा असून त्यासाठीच PNDT Act तयार केला गेला आहे.

 मानवी कर्ण (Human Ear) :

• मानवी कानाचे बाह्यकर्ण, मध्यकर्ण व अंतर्कर्ण असे तीन मुख्य भाग आहेत. (आकृती )

• बाह्य भाग (बाह्यकर्ण) त्यावरील आपाती ध्वनी गोळा करतो व ध्वनीविषयक नलिकेतून कर्णमध्याच्या पोकळीत वाहून नेतो.
• मध्यकर्ण (Middle Ear) : कर्णमध्याच्या पोकळीतील पातळ पडद्यावर ध्वनी पडल्यावर पडदा कंप पावू लागतो. माध्यमातील (हवेतील) संपीडन कर्णमध्याच्या पोकळीत गेल्यावर पडद्याच्या बाहेरील दाब वाढल्याने पडदा आत ढकलला जातो. तसेच विरलन कर्णमध्याच्या पोकळीत गेल्यावर पडद्याच्या बाहेरील दाब कमी झाल्याने पडदा बाहेर ढकलला जातो. अशा प्रकारे तयार होणारी कंपने विस्तारित होऊन कानाच्या आतील भागात वाहून नेली जातात.
• आंतरकर्ण (Inner Ear) : ध्वनीविषयक मज्जातंतूचा भाग अंतर्कर्णाला मेंदूशी जोडतो. अंतर्कर्णातील गोगलगायीच्या शंखाप्रमाणे चक्राकार पोकळीमुळे (कर्णावर्त) ध्वनीचा दर्जा व उच्चता/तीव्रता ओळखू येते.
• कर्णावर्तामध्ये कंपनांचे रूपांतर मज्जातंतूंना उत्तेजित करणाऱ्या विद्युत लहरींत होऊन त्या लहरी मज्जातंतूंदवारे मेंदूकडे पाठवल्या जातात. मेंदू त्यांचा ध्वनिरूपात अर्थ व्यक्त करतो, म्हणजेच आपल्याला आवाजाचे ज्ञान होते. पडद्याच्या कंपनांच्या आयामामुळे ध्वनीच्या उच्चतेचे ज्ञान होते.