वस्तूच्या कंपनांमुळे ध्वनीची निर्मिती होते आणि त्याच्या प्रसारणासाठी माध्यमाची आवश्यकता असते. दैनंदिन जीवनात आपण अनेक प्रकारचे आवाज ऐकतो. पक्षांचे चिवचिवाट, गाड्यांचे हॉर्न, मानवी आवाज, संगीताचे सूर हे सर्व ध्वनीची उदाहरणे आहेत. स्पर्धा परीक्षांच्या दृष्टीने, विशेषतः Maha TET परीक्षेमध्ये या घटकावर वैज्ञानिक नियम, गणिते आणि अध्यापनशास्त्रीय उपयोजनांवर आधारित अनेक प्रश्न विचारले जातात. हा लेख तुम्हाला ध्वनी या प्रकरणाची सखोल आणि स्पष्ट संकल्पना समजून घेण्यास मदत करेल.
ध्वनीची निर्मिती आणि कंपन
ध्वनीची निर्मिती कशी होते, हे समजून घेण्यासाठी आपल्याला 'कंपन' म्हणजे काय हे पाहावे लागेल. कोणत्याही वस्तूची वेगाने होणारी मागे-पुढे किंवा वर-खाली हालचाल म्हणजेच कंपन होय. जेव्हा आपण एखाद्या मंदिरातील घंटा वाजवतो, तेव्हा घंटेचा धातू कंप पावतो आणि त्यातून ध्वनी निर्माण होतो. आपण जर वाजणाऱ्या घंटेला हलकासा हात लावला, तर आपल्याला हाताला कंपने जाणवतात. जेव्हा ही कंपने थांबतात, तेव्हा ध्वनी देखील बंद होतो.
मानवी शरीराचा विचार केल्यास, आपल्या घशामध्ये असणाऱ्या स्वरयंत्रातील स्वरतंतूंच्या कंपनांमुळे आवाज निर्माण होतो. जेव्हा फुफ्फुसातील हवा या स्वरतंतूंमधून बाहेर पडते, तेव्हा ते कंप पावतात आणि आपला आवाज तयार होतो. थोडक्यात, कंपनांशिवाय ध्वनीची निर्मिती अशक्य आहे.
ध्वनीचे प्रसारण आणि माध्यम
ध्वनी ज्या पदार्थातून किंवा माध्यमातून प्रवास करतो, त्याला माध्यम म्हणतात. ध्वनी लहरींच्या स्वरूपात प्रवास करतो. ध्वनीच्या प्रसारणासाठी माध्यमाची अत्यंत आवश्यकता असते. जर माध्यम नसेल, तर ध्वनी एका ठिकाणाहून दुसऱ्या ठिकाणी जाऊ शकत नाही.
ध्वनीचे प्रसारण तीन प्रकारच्या माध्यमांमधून होते:
स्थायू माध्यम (उदा. लोखंडी पट्टी, लाकडी बाक, जमीन)
द्रव माध्यम (उदा. पाणी, तेल)
वायू माध्यम (उदा. हवा, विविध वायू)
जेव्हा एखादी वस्तू कंप पावत असते, तेव्हा ती तिच्या सभोवतालच्या हवेच्या कणांना देखील कंपित करते. हे कण शेजारच्या कणांना ऊर्जा देतात आणि अशा प्रकारे ध्वनी आपल्या कानापर्यंत पोहोचतो. निर्वात पोकळीत, जिथे अजिबात हवा किंवा कोणतेही माध्यम नसते, तिथे ध्वनीचे प्रसारण होऊ शकत नाही. उदाहरणार्थ, चंद्रावर हवा नसल्यामुळे तिथे दोन व्यक्ती एकमेकांशेजारी उभ्या राहून बोलल्या तरी त्यांना एकमेकांचा आवाज ऐकू येणार नाही. कारण तिथे ध्वनीच्या लहरी वाहून नेण्यासाठी माध्यम उपलब्ध नसते.
ध्वनीच्या प्रसारणादरम्यान माध्यमामध्ये दोन महत्त्वाचे भाग तयार होतात:
संपीडन: ज्या भागात हवेचे कण खूप जवळ येतात आणि हवेची घनता व दाब वाढतो, त्याला संपीडन म्हणतात.
विरलन: ज्या भागात हवेचे कण एकमेकांपासून लांब जातात आणि हवेची घनता व दाब कमी होतो, त्याला विरलन म्हणतात.
या संपीडन आणि विरलन यांच्या एकामागून एक येणाऱ्या मालिकांमुळेच ध्वनीची लहर माध्यमात पुढे पुढे सरकते.
ध्वनीची वैशिष्ट्ये
ध्वनी लहरींचे पूर्ण आकलन होण्यासाठी आपल्याला त्यांची प्रमुख वैशिष्ट्ये समजून घेणे आवश्यक आहे. परीक्षेमध्ये या वैशिष्ट्यांवर आणि त्यांच्या एककांवर वारंवार प्रश्न विचारले जातात.
1. वारंवारता
ध्वनी निर्माण करणारी वस्तू एका सेकंदात किती कंपने पूर्ण करते, त्या संख्येला त्या ध्वनीची वारंवारता म्हणतात. वारंवारता मोजण्यासाठी हर्ट्झ हे आंतरराष्ट्रीय एकक वापरले जाते. जर एका सेकंदात 1 कंपन पूर्ण होत असेल, तर त्याची वारंवारता $1 \text{ Hz}$ असते. समजा एखादी वस्तू एका सेकंदात 50 वेळा कंप पावत असेल, तर त्या ध्वनीची वारंवारता $50 \text{ Hz}$ असेल.
वारंवारतेचा थेट संबंध ध्वनीच्या आवाजाच्या पट्टीशी असतो. ज्या ध्वनीची वारंवारता जास्त असते, तो आवाज तीक्ष्ण किंवा बारीक असतो (उदा. महिलांचा आवाज, लहान मुलांचा आवाज किंवा डासांचे गुणगुणणे). ज्या ध्वनीची वारंवारता कमी असते, तो आवाज घोगरा किंवा गंभीर असतो (उदा. पुरुषांचा आवाज किंवा सिंहाची गर्जना).
2. मोठेपणा
कंपन पावणारी वस्तू तिच्या मूळ स्थितीपासून कोणत्याही एका बाजूला जास्तीत जास्त किती विस्थापित होते, त्याला त्या कंपनाचा मोठेपणा म्हणतात. मोठेपणा हा ध्वनीच्या तीव्रतेशी किंवा आवाजाच्या लहान-मोठेपणाशी संबंधित असतो. ध्वनीची तीव्रता मोजण्यासाठी डेसिबल हे एकक वापरतात.
जर वस्तू कमी दाबाने किंवा हळूच कंपित केली, तर तिचा मोठेपणा कमी असतो आणि निर्माण होणारा आवाज क्षीण किंवा बारीक असतो. याउलट, जर वस्तूवर जोराने आघात केला, तर तिचा मोठेपणा जास्त असतो आणि मोठा आवाज निर्माण होतो. उदाहरणार्थ, आपण हळू आवाजात बोललो तर मोठेपणा कमी असतो, आणि जर आपण ओरडलो तर मोठेपणा खूप जास्त असतो.
3. ध्वनीचा वेग
ध्वनी लहरीने एका सेकंदात कापलेल्या अंतराला ध्वनीचा वेग म्हणतात. ध्वनीचा वेग हा तो कोणत्या माध्यमातून प्रवास करत आहे, यावर अवलंबून असतो. वेगवेगळ्या माध्यमांमध्ये ध्वनीचा वेग भिन्न असतो.
स्थायू माध्यमामध्ये माध्यमाचे कण अत्यंत जवळ असतात, त्यामुळे ते ऊर्जा वेगाने पुढे पाठवतात. म्हणूनच स्थायू माध्यमात ध्वनीचा वेग सर्वाधिक असतो. द्रव माध्यमात कणांमधील अंतर थोडे जास्त असल्याने वेग मध्यम असतो, आणि वायू माध्यमात कण खूप विखुरलेले असल्यामुळे ध्वनीचा वेग सर्वात कमी असतो.
माध्यमांचा क्रम पुढीलप्रमाणे लावता येतो:
तापमानाचाही ध्वनीच्या वेगावर परिणाम होतो. हवेचे तापमान वाढल्यास ध्वनीचा वेग वाढतो, तर तापमान कमी झाल्यास ध्वनीचा वेग कमी होतो. $0^\circ\text{C}$ तापमानाला हवेमध्ये ध्वनीचा वेग सुमारे $331 \text{ m/s}$ असतो, तर सामान्य खोलीच्या तापमानाला ($22^\circ\text{C}$) तो सुमारे $344 \text{ m/s}$ इतका असतो.
ध्वनीचे प्रकार
सर्वच प्रकारचे ध्वनी मानवी कान ऐकू शकत नाहीत. वारंवारतेच्या मर्यादेनुसार ध्वनीचे प्रामुख्याने तीन प्रकार पडतात:
1. श्राव्य ध्वनी
ज्या ध्वनीची वारंवारता $20 \text{ Hz}$ ते $20000 \text{ Hz}$ दरम्यान असते, तो ध्वनी मानवी कान सहज ऐकू शकतो. या मर्यादेला मानवी कानाची श्राव्य मर्यादा म्हणतात. आपण रोजच्या जीवनात ऐकत असलेले सर्व आवाज, गाणी, संवाद या प्रकारात येतात.
2. अवश्राव्य ध्वनी
ज्या ध्वनीची वारंवारता $20 \text{ Hz}$ पेक्षा कमी असते, त्याला अवश्राव्य ध्वनी म्हणतात. हा ध्वनी मानवी कानाला ऐकू येत नाही. निसर्गात भूकंप होण्यापूर्वी पृथ्वीच्या पोटातून निर्माण होणाऱ्या लहरी, ज्वालामुखीचा उद्रेक किंवा हत्ती, व्हेल मासे आणि गेंडा यांसारखे प्राणी एकमेकांशी संवाद साधताना अवश्राव्य ध्वनीचा वापर करतात. भूकंप होण्यापूर्वी कुत्री किंवा इतर प्राणी अस्वस्थ होतात, कारण ते हा अवश्राव्य ध्वनी ऐकू शकतात.
3. श्राव्यातीत ध्वनी
ज्या ध्वनीची वारंवारता $20000 \text{ Hz}$ पेक्षा जास्त असते, त्याला श्राव्यातीत ध्वनी म्हणतात. हा उच्च वारंवारतेचा ध्वनी देखील माणसाला ऐकू येत नाही. परंतु, काही प्राणी जसे की कुत्रे, वटवाघूळ, डॉल्फिन हे हा आवाज ऐकू शकतात आणि निर्माणही करू शकतात.
Fact Box: वटवाघूळ अंधारात दिशा शोधण्यासाठी आणि भक्ष्य पकडण्यासाठी स्वतः 'श्राव्यातीत' ध्वनी निर्माण करते. हे आवाज जेव्हा समोरच्या अडथळ्यावर किंवा कीटकावर आदळून परत येतात, तेव्हा वटवाघूळ ते प्रतिध्वनी ऐकून अडथळ्याचे अंतर आणि दिशा अचूक ओळखते. या पद्धतीला प्रतिध्वनी स्थाननिश्चिती म्हणतात.
श्राव्यातीत ध्वनीचे अनेक औद्योगिक आणि वैद्यकीय उपयोग आहेत:
सोनोग्राफी: मानवी शरीराच्या अंतर्गत अवयवांचे (उदा. गर्भातील बाळ, यकृत, किडनी) चित्रण करण्यासाठी याचा वापर केला जातो.
सोनार यंत्रणा: समुद्राची खोली मोजण्यासाठी आणि पाण्याच्या खाली असणाऱ्या पाणबुड्या किंवा हिमनगांचा शोध घेण्यासाठी जहाजांवर सोनार यंत्रणा वापरली जाते.
स्वच्छता: घड्याळाचे नाजूक भाग किंवा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचे कठीण भाग स्वच्छ करण्यासाठी या लहरींचा वापर करतात.
उपयोजनात्मक विश्लेषण
पावसाळ्याच्या दिवसांत आपण नेहमी पाहतो की, आकाशात वीज चमकताना आधी प्रकाशाचा चमचमाट दिसतो आणि त्यानंतर काही सेकंदांनी विजांचा कडकडाट ऐकू येतो. असे का होते? याचे कारण प्रकाश आणि ध्वनी यांच्या वेगातील प्रचंड फरक आहे.
हवेमध्ये प्रकाशाचा वेग अतिशय प्रचंड म्हणजे सुमारे $3 \times 10^8 \text{ m/s}$ ($300000 \text{ km/s}$) इतका असतो, तर हवेमध्ये ध्वनीचा वेग अवघा $344 \text{ m/s}$ असतो. वीज चमकणे आणि आवाज होणे या दोन्ही गोष्टी ढगांमध्ये एकाच वेळी घडतात. परंतु प्रकाशाचा वेग जास्त असल्यामुळे तो पृथ्वीवर क्षणात पोहोचतो, तर ध्वनीला तेच अंतर कापण्यासाठी काही वेळ लागतो. म्हणूनच आपल्याला प्रकाश आधी दिसतो आणि आवाज नंतर येतो.
त्याचप्रमाणे, प्रतिध्वनी म्हणजे काय हे समजणेही गरजेचे आहे. जेव्हा मूळ ध्वनी एखाद्या मोठ्या आणि कठीण अडथळ्यावर (उदा. डोंगर, मोठी भिंत) आदळून पुन्हा परावर्तित होतो आणि आपल्याला पुन्हा ऐकू येतो, त्याला प्रतिध्वनी म्हणतात. मानवी मेंदूमध्ये कोणत्याही ध्वनीचे अस्तित्व सुमारे $0.1 \text{ s}$ पर्यंत राहते. त्यामुळे मूळ आवाज आणि परावर्तित आवाज स्वतंत्रपणे ऐकू येण्यासाठी त्यांच्यात किमान $0.1 \text{ s}$ चा फरक असणे आवश्यक आहे.
जर हवेतील ध्वनीचा वेग $344 \text{ m/s}$ धरला, तर $0.1 \text{ s}$ मध्ये ध्वनीने कापलेले एकूण अंतर:
हा ध्वनी अडथळ्यापर्यंत जाऊन परत येण्याचे एकूण अंतर आहे. त्यामुळे स्पष्ट प्रतिध्वनी ऐकण्यासाठी श्रोता आणि परावर्तक पृष्ठभाग यांमधील किमान अंतर या अंतराच्या निम्मे म्हणजेच किमान $17.2 \text{ m}$ असणे गरजेचे आहे.
प्रमुख परीक्षा कल
Maha TET आणि इतर शिक्षक भरती परीक्षांमध्ये या घटकावर खालील मुद्द्यांवर आधारित प्रश्न विचारण्याचा कल दिसून येतो:
एकके: वारंवारतेचे एकक (हर्ट्झ) आणि ध्वनी तीव्रतेचे एकक (डेसिबल) यावर थेट प्रश्न येतात.
माध्यमातील वेग: ध्वनीचा वेग कोणत्या माध्यमात सर्वात जास्त किंवा कमी असतो, यावर विधानात्मक प्रश्न विचारले जातात. स्थायू पदार्थांमधील वेगाची तुलना विचारली जाते.
श्राव्य मर्यादा: मानवी कानाची श्राव्य मर्यादा ($20 \text{ Hz}$ ते $20000 \text{ Hz}$) यावर वारंवार प्रश्न विचारले जातात.
उपयोजन: सोनार आणि सोनोग्राफी तंत्रज्ञानात कोणत्या प्रकारच्या लहरी वापरल्या जातात, तसेच प्रतिध्वनीसाठी आवश्यक असणारे किमान अंतर ($17.2 \text{ m}$) यावर गणितीय आणि उपयोजनात्मक प्रश्न हमखास येतात.
अध्यापनशास्त्रीय दृष्टीकोन
प्राथमिक आणि उच्च प्राथमिक वर्गातील विद्यार्थ्यांना 'ध्वनी' हा अमूर्त वाटणारा घटक शिकवताना शिक्षकांनी प्रत्यक्ष कृती आणि प्रयोगांवर भर देणे आवश्यक आहे.
वर्गात ध्वनीची निर्मिती समजावून सांगण्यासाठी 'ट्युनिंग फोर्क' (ध्वनी द्विभुज) चा वापर करावा. ट्युनिंग फोर्क रबरी पॅडवर आपटून तो पाण्याच्या ग्लासमध्ये टेकवला असता पाण्यात लहरी निर्माण होतात. यावरून विद्यार्थ्यांना हे स्पष्टपणे समजते की कंपनांमुळेच ध्वनी निर्माण होतो आणि तो माध्यमात लहरींच्या स्वरूपात प्रवास करतो.
ध्वनीच्या प्रसारणासाठी माध्यमाची गरज असते हे शिकवण्यासाठी विद्यार्थ्यांना 'स्ट्रिंग टेलिफोन' (दोन रिकामे डबे आणि दोरा) तयार करायला सांगावा. दोन विद्यार्थ्यांनी दोरा ताणून धरून एकमेकांशी डब्यातून संवाद साधल्यास त्यांना आवाज ऐकू येतो. या साध्या आणि रंजक प्रयोगातून ध्वनीचे स्थायू माध्यमातून (दोऱ्यातून) वहन कसे होते, हे विद्यार्थी आनंदाने आणि सोप्या पद्धतीने शिकतात. अशा प्रकारे शिकवल्यास विद्यार्थ्यांच्या मनात संकल्पना कायमस्वरूपी स्पष्ट राहतात.
रिव्हिजन नोट्स
ध्वनीची निर्मिती: वस्तूच्या कंपनांमुळे होते.
प्रसारण: ध्वनीच्या वहनासाठी माध्यमाची (स्थायू, द्रव, वायू) गरज असते. निर्वात पोकळीत वहन होत नाही.
वेग: स्थायू > द्रव > वायू. हवेत वेग सुमारे $344 \text{ m/s}$ ($22^\circ\text{C}$ ला).
वारंवारता एकक: हर्ट्झ ($\text{Hz}$), आवाजाचा तीक्ष्णपणा ठरवते.
तीव्रता एकक: डेसिबल ($\text{dB}$), आवाजाचा लहान-मोठेपणा ठरवते.
श्राव्य ध्वनी: $20 \text{ Hz}$ ते $20000 \text{ Hz}$ (मानवाला ऐकू येणारा).
अवश्राव्य ध्वनी: $< 20 \text{ Hz}$ (भूकंप लहरी, हत्तींचा आवाज).
श्राव्यातीत ध्वनी: $> 20000 \text{ Hz}$ (वटवाघूळ, सोनार, सोनोग्राफी).
स्पष्ट प्रतिध्वनी: अडथळ्याचे किमान अंतर $17.2 \text{ m}$ असणे आवश्यक.
ध्वनी: वैशिष्ट्ये आणि प्रसारण
Mock Test: 20 Questions | 20 Minutes
