ध्वनि और तरंगें: गुण, चाल और परीक्षा प्रश्न

तरंग वह विक्षोभ है जो ऊर्जा को एक स्थान से दूसरे स्थान तक ले जाता है, पर अपने साथ पदार्थ नहीं ले जाता। माध्यम के कण केवल अपनी जगह के आसपास कंपन करते हैं; आगे ऊर्जा बढ़ती है, पदार्थ नहीं। ध्वनि इसका सबसे अधिक पूछा जाने वाला उदाहरण है, और इस अध्याय के लगभग सभी प्रश्न तीन में से किसी एक बात पर लौटते हैं: तरंग की प्रकृति, चाल तथा आवृत्ति और तरंगदैर्घ्य का संबंध, या परावर्तन के समय ध्वनि का व्यवहार।

तरंगों के प्रकार

तरंगें पहले यांत्रिक तरंगों और विद्युत चुंबकीय तरंगों में बँटती हैं। यांत्रिक तरंगों को भौतिक माध्यम चाहिए, जबकि प्रकाश और रेडियो तरंगों जैसी विद्युत चुंबकीय तरंगें निर्वात से भी गुजर जाती हैं। दूसरा विभाजन कंपन की दिशा से होता है। अनुप्रस्थ तरंग में कण गति की दिशा के लंबवत कंपन करते हैं और शीर्ष तथा गर्त बनते हैं, जैसे जल की सतह पर या तनी हुई डोरी में। अनुदैर्ध्य तरंग में कण गति की दिशा के अनुदिश कंपन करते हैं और वहाँ संपीडन बनता है जहाँ कण पास-पास आ जाते हैं तथा विरलन बनता है जहाँ वे दूर हट जाते हैं। ध्वनि अनुदैर्ध्य यांत्रिक तरंग है, इसीलिए वह निर्वात से नहीं गुजर सकती। प्रसिद्ध घंटी-जार प्रयोग में जार के भीतर बजती विद्युत घंटी हवा निकाल देने पर सुनाई देनी बंद हो जाती है, यद्यपि उसे बजते हुए देखा जा सकता है।

तरंग का वर्णन

दो क्रमागत संपीडनों या दो क्रमागत शीर्षों के बीच की दूरी तरंगदैर्घ्य कहलाती है। एक सेकंड में किसी बिंदु से गुजरने वाली पूरी तरंगों की संख्या आवृत्ति है, जिसका मात्रक हर्ट्ज है, और एक पूरी तरंग में लगा समय आवर्तकाल है, जो आवृत्ति का व्युत्क्रम होता है। कण का अपनी विराम स्थिति से अधिकतम विस्थापन आयाम कहलाता है। इन तीनों को एक ही सूत्र जोड़ता है, जिसे पेपर बार-बार प्रयोग करते हैं: चाल बराबर आवृत्ति गुणा तरंगदैर्घ्य। चूँकि किसी माध्यम में निश्चित ताप पर ध्वनि की चाल नियत रहती है, अधिक आवृत्ति का अर्थ है कम तरंगदैर्घ्य।

ध्वनि की चाल

ध्वनि ठोस में सबसे तेज, द्रव में उससे धीमी और गैस में सबसे धीमी चलती है, क्योंकि ठोस के कण पास-पास होते हैं और विक्षोभ को शीघ्र आगे पहुँचा देते हैं। कमरे के ताप पर वायु में यह लगभग तीन सौ चालीस मीटर प्रति सेकंड, जल में लगभग पंद्रह सौ और इस्पात में लगभग पाँच हजार मीटर प्रति सेकंड चलती है। वायु का ताप बढ़ने पर चाल बढ़ती है और आर्द्रता बढ़ने पर भी कुछ बढ़ जाती है, क्योंकि नम हवा शुष्क हवा से हल्की होती है। केवल दाब बदलने से यह नहीं बदलती, और न ही यह ध्वनि की प्रबलता या तारत्व पर निर्भर करती है। इसके विपरीत प्रकाश तीन लाख किलोमीटर प्रति सेकंड चलता है, इसीलिए बिजली की चमक गर्जन से बहुत पहले दिख जाती है।

संगीत ध्वनि के अभिलक्षण

श्रव्य परास, अवश्रव्य और पराश्रव्य ध्वनि

मनुष्य का कान सामान्यतः लगभग बीस हर्ट्ज से बीस हजार हर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर प्रतिक्रिया करता है। बीस हर्ट्ज से नीचे की ध्वनि अवश्रव्य कहलाती है; हाथी, ह्वेल और गैंडे इसका उपयोग करते हैं और भूकंप से पहले तथा ज्वालामुखीय हलचल से यह उत्पन्न होती है। बीस हजार हर्ट्ज से ऊपर की ध्वनि पराश्रव्य कहलाती है; चमगादड़, डॉल्फिन और पॉरपॉइज इसे उत्पन्न भी करते हैं और सुन भी लेते हैं, तथा कुत्ते मनुष्य की सीमा से कहीं ऊपर तक सुन सकते हैं। पराध्वनि के अनेक उपयोग हैं, जैसे उदर और गर्भस्थ शिशु की सोनोग्राफी, हृदय की इकोकार्डियोग्राफी, मशीनों के उन भागों की सफाई जहाँ पहुँचा नहीं जा सकता, धातु की ढलाई में भीतरी दरारें पकड़ना और गुर्दे की पथरी तोड़ना।

ध्वनि का परावर्तन

ध्वनि भी प्रकाश की तरह परावर्तन के नियमों का पालन करती है। किसी दूर की सतह से परावर्तित होकर ध्वनि का दोहराया जाना प्रतिध्वनि कहलाता है। मनुष्य के मस्तिष्क में ध्वनि की संवेदना लगभग एक सेकंड के दसवें भाग तक बनी रहती है, इसलिए परावर्तित ध्वनि को अलग सुनाई देने के लिए कम से कम इतनी देर बाद पहुँचना चाहिए। वायु में ध्वनि की चाल लगभग तीन सौ चवालीस मीटर प्रति सेकंड मानने पर परावर्तक सतह कम से कम लगभग सत्रह मीटर दूर होनी चाहिए। बंद हॉल में बार-बार परावर्तन से ध्वनि देर तक बनी रहती है, जिसे अनुरणन कहते हैं; इसे कम करने के लिए छत और दीवारों पर फाइबर बोर्ड, परदे और कालीन जैसे अवशोषक पदार्थ लगाए जाते हैं। बहु परावर्तन का उपयोग मेगाफोन, भोंपू, तुरही और स्टेथोस्कोप में होता है, और सभागारों की घुमावदार छत इस तरह बनाई जाती है कि परावर्तित ध्वनि समान रूप से फैले।

सोनार और मानव कान

सोनार का पूरा नाम साउंड नेविगेशन एंड रेंजिंग है। जहाज पर लगा प्रेषित्र पराश्रव्य स्पंद भेजता है, ये स्पंद समुद्र तल, पनडुब्बी या मछलियों के झुंड से टकराते हैं और संसूचक लौटती प्रतिध्वनि पकड़ लेता है। चूँकि स्पंद दूरी दो बार तय करता है, गहराई निकालने के लिए जल में ध्वनि की चाल को लगे समय से गुणा करके दो से भाग दिया जाता है। मानव कान में बाहरी कान ध्वनि एकत्र करके कर्णपटह तक पहुँचाता है, हथौड़ी, निहाई और रकाब नामक तीन छोटी हड्डियाँ कंपन को बढ़ाती हैं, और कुंडलित कर्णावर्त उन्हें विद्युत संकेतों में बदल देता है जिन्हें श्रवण तंत्रिका मस्तिष्क तक ले जाती है।