धवनीचा अभयास

ध्वनी ही एक प्रकारची ऊर्जा आहे जी आपल्या कानात ऐकण्याची संवेदना निर्माण करते. ही ऊर्जा तरंगांच्या स्वरूपात प्रवास करते.

ध्वनी प्रसारणासाठी माध्यम आवश्यक

• ध्वनीच्या प्रसारणासाठी माध्यमाची आवश्यकता असते (उदा. स्थायू, द्रव, वायू).
• ध्वनी निर्वात पोकळीतून प्रवास करू शकत नाही.

ध्वनी तरंगांचे प्रकार

1. अनुतरंग (Longitudinal Waves):

• माध्यमातील कणांचे दोलन हे तरंग प्रसारणाच्या समांतर दिशेने होते.
• यामुळे माध्यमात संपीडन (Compression) (अधिक घनतेचे/दाबाचे क्षेत्र) आणि विरलन (Rarefaction) (कमी घनतेचे/दाबाचे क्षेत्र) यांची शृंखला निर्माण होते.
• उदा. हवेतून प्रवास करणारे ध्वनीतरंग.

1. अवतरंग (Transverse Waves):

• माध्यमातील कणांचे दोलन हे तरंग प्रसारणाच्या दिशेच्या लंबवत होते.
• उदा. पाण्यात खडा टाकल्यावर निर्माण होणारे तरंग, प्रकाश तरंग.

ध्वनी तरंगाचे आलेखीय सादरीकरण

• ध्वनीतरंगाचे प्रसारण होताना हवेमध्ये घनतेतील किंवा दाबातील बदल आलेखाद्वारे दर्शवता येतात.
• संपीडन म्हणजे उच्च घनता/उच्च दाब क्षेत्र.
• विरलन म्हणजे कमी घनता/कमी दाब क्षेत्र.

ध्वनी तरंगाचे महत्त्वाचे गुणधर्म

• तरंगलांबी (Wavelength, \(\lambda\)):
• दोन सलग संपीडन किंवा दोन सलग विरलन यांच्यातील अंतर.
• याचे SI एकक मीटर (m) आहे.
• वारंवारिता (Frequency, \(\nu\)):
• एकक वेळेत पूर्ण होणाऱ्या दोलनांची संख्या.
• याचे SI एकक हर्ट्झ (Hz) आहे.
• वारंवारितेवरून ध्वनीचे स्वरमान (Pitch) (उच्चनीचता) ठरते.
• आयाम (Amplitude, A):
• माध्यमातील कणांचे त्यांच्या मध्य स्थितीपासून होणारे कमाल विस्थापन.
• आयामाचे मूल्य ध्वनीची महत्ता (Loudness) म्हणजेच तीव्रता ठरवते.
• तरंगकाल (Period, T):
• माध्यमातील एखाद्या बिंदूपाशी घनतेचे एक आवर्तन पूर्ण होण्यास लागणारा कालावधी.
• \(T = 1/\nu\).
• याचे SI एकक सेकंद (s) आहे.

ध्वनीचा वेग (Speed of Sound, v)

• ध्वनी तरंगावरील कोणताही बिंदू T (तरंगकाल) या काळात \(\lambda\) (तरंगलांबी) एवढे अंतर पार करतो.
• सूत्र: \(v = \frac{\text{अंतर}}{\text{काल}} = \frac{\lambda}{T}\)
• कारण \(1/T = \nu\), म्हणून \(v = \nu \lambda\) (ध्वनीचा वेग = वारंवारिता × तरंगलांबी).

ध्वनीच्या वेगावर परिणाम करणारे घटक

• माध्यमाची स्थिती: सारख्याच भौतिक स्थितीत असलेल्या माध्यमातील ध्वनीचा वेग सर्व वारंवारितांकरिता जवळपास सारखाच असतो.
• माध्यमाचा प्रकार:
• स्थायू माध्यमात ध्वनीचा वेग सर्वाधिक असतो.
• द्रव माध्यमात स्थायूपेक्षा कमी.
• वायू माध्यमात सर्वात कमी.
• स्थायू > द्रव > वायू
• तापमान (Temperature, T):
• ध्वनीचा वेग माध्यमाच्या तापमानाच्या वर्गमूळाच्या समानुपाती असतो (\(v \propto \sqrt{T}\)).
• तापमान वाढल्यास ध्वनीचा वेग वाढतो.
• घनता (Density, \(\rho\)):
• ध्वनीचा वेग माध्यमाच्या घनतेच्या वर्गमूळाच्या व्यस्त प्रमाणात असतो (\(v \propto 1/\sqrt{\rho}\)).
• घनता वाढल्यास ध्वनीचा वेग कमी होतो.
• रेणूभार (Molecular Weight, M):
• ध्वनीचा वेग माध्यमाच्या रेणूभाराच्या वर्गमूळाच्या व्यस्त प्रमाणात असतो (\(v \propto 1/\sqrt{M}\)).
• रेणूभार वाढल्यास ध्वनीचा वेग कमी होतो.

श्राव्य, अवश्राव्य व श्रवयातीत ध्वनी

• श्राव्य ध्वनी (Audible Sound):
• मानवी कान 20 Hz ते 20000 Hz (20 kHz) या वारंवारितेमधील ध्वनी ऐकू शकतो.
• यालाच श्राव्य ध्वनी म्हणतात.
• अवश्राव्य ध्वनी (Infrasound):
• 20 Hz पेक्षा कमी वारंवारितेचा ध्वनी.
• मानवी कान ऐकू शकत नाही.
• उदा. दोलकाच्या कंपनाने निर्माण झालेला ध्वनी, भूकंपापूर्वी पृथ्वीच्या पृष्ठभागाची कंपने.
• काही प्राणी (उदा. हत्ती, गेंडे) अवश्राव्य ध्वनी वापरतात.
• श्रवयातीत ध्वनी (Ultrasound):
• 20000 Hz (20 kHz) पेक्षा अधिक वारंवारितेचा ध्वनी.
• मानवी कान ऐकू शकत नाही.
• उदा. कुत्रा, उंदीर, वटवाघूळ, डॉल्फिन हे प्राणी 25000 Hz पर्यंतचा ध्वनी ऐकू शकतात आणि निर्माणही करू शकतात.
• वटवाघूळे अंधारात दिशा शोधण्यासाठी श्रवयातीत ध्वनीचा वापर करतात (इकोलोकेशन).

विविध माध्यमांतील ध्वनीचा वेग (25°C ला)

| अवस्था | पदार्थ | वेग (m/s) मध्ये | |---|---|---| | स्थायू | ॲल्युमिनिअम | 5420 | | | निकेल | 6040 | | | स्टील | 5960 | | | लोखंड | 5950 | | | पितळ | 4700 | | | काच | 3980 | | द्रव | समुद्राचे पाणी | 1531 | | | शुद्ध पाणी | 1498 | | | इथेनॉल | 1207 | | | मिथेनॉल | 1103 | | वायू | हायड्रोजन | 1284 | | | हेलियम | 965 | | | हवा | 346 | | | ऑक्सिजन | 316 | | | सल्फर डायऑक्साइड | 213 |

निष्कर्ष: ध्वनीचा वेग स्थायूंमध्ये सर्वाधिक, द्रवांमध्ये त्याहून कमी आणि वायूंमध्ये सर्वात कमी असतो.

प्रकाश तरंगांप्रमाणेच ध्वनी तरंगांचेदेखील घन किंवा द्रव पृष्ठभागावरून परावर्तन (Reflection) होते. ते परावर्तनाच्या नियमांचे पालन करतात.

ध्वनी परावर्तनाचे नियम

1. ध्वनी ज्या दिशेने जातो व परावर्तित होतो त्या दिशा परावर्तक पृष्ठभागाच्या स्तंभिकेशी (Normal) सारखेच कोन करतात (आपतन कोन = परावर्तन कोन).
2. आपती ध्वनी, परावर्तित ध्वनी आणि परावर्तक पृष्ठभागावरील स्तंभिका एकाच प्रतलात असतात.

ध्वनीचे चांगले व अयोग्य परावर्तक

• चांगले परावर्तक: कठीण व सपाट पृष्ठभागावरून ध्वनीचे परावर्तन चांगल्या प्रकारे होते. उदा. भिंत, धातूचे पृष्ठभाग.
• अयोग्य परावर्तक (ध्वनीशोषक): कपडे, पेपर, चटई, पडदे, फर्निचर यांपासून ध्वनीचे परावर्तन न होता ध्वनी शोषला जातो. यांना ध्वनीशोषक पदार्थ म्हणतात.

प्रतिध्वनी (Echo)

• प्रतिध्वनी म्हणजे मूळ ध्वनीची कोणत्याही पृष्ठभागावरून होणाऱ्या परावर्तनामुळे झालेली पुनरावृत्ती होय.
• सुस्पष्ट प्रतिध्वनी ऐकण्यासाठी अटी:
• मानवी मेंदूत ध्वनीचे सातत्य सुमारे 0.1 सेकंद असते.
• म्हणून, मूळ ध्वनी आणि परावर्तित ध्वनी यांच्यामध्ये किमान 0.1 सेकंदाचा कालावधी असणे आवश्यक आहे.
• 22°C तापमानाला हवेतील ध्वनीचा वेग 344 m/s असतो.
• ध्वनीला 0.1 सेकंदात पार करावे लागणारे एकूण अंतर = वेग × काल = 344 m/s × 0.1 s = 34.4 m.
• हे अंतर ध्वनीच्या स्रोतापासून अडथळ्यापर्यंत जाऊन परत येण्याचे आहे.
• म्हणून, सुस्पष्ट प्रतिध्वनी ऐकण्यासाठी ध्वनीच्या स्रोतापासून अडथळ्यापर्यंतचे किमान अंतर 34.4 m / 2 = 17.2 मीटर असावे लागते.
• तापमान बदलल्यास ध्वनीचा वेग बदलतो, त्यामुळे हे अंतरही बदलते.

श्रवयातीत ध्वनीचे उपयोग (Applications of Ultrasound)

1. संपर्क: एका जहाजावरून दुसऱ्या जहाजावर संपर्क साधण्यासाठी.
2. जोडणी: प्लॅस्टिकचे पृष्ठभाग एकत्र जोडण्यासाठी.
3. निर्जंतुकीकरण: दुधासारखे द्रव अधिक काळ टिकवून ठेवताना त्यातील जीवाणू मारण्यासाठी.
4. वैद्यकीय निदान (Medical Diagnostics):

• इकोकार्डिओग्राफी (Echocardiography): हृदयाच्या ठोक्याचा अभ्यास करण्यासाठी.
• सोनोग्राफी (Sonography): मानवी शरीराच्या अंतर्गत अवयवांच्या प्रतिमा मिळवण्यासाठी (उदा. गर्भाची वाढ तपासणे, अवयवांतील दोष शोधणे).

1. स्वच्छता: कारखान्यांमध्ये हात पोहोचणे शक्य नाही अशा यंत्रांच्या भागांची स्वच्छता करण्यासाठी.
2. दोष शोधणे: धातूच्या ठोकळ्यातील तडे आणि भेगा शोधण्यासाठी (उदा. इमारती, पूल, विमानाचे भाग).

परिसरातील विज्ञान - गोलघुमट

• कर्नाटकातील विजयपूर येथील गोलघुमट हे अनेक प्रतिध्वनी ऐकू येण्याचे उत्तम उदाहरण आहे. येथे ध्वनीचे सतत किंवा बऱ्याचदा परावर्तन होते.

इमारतीचे छत व भिंती यावरून ध्वनीतरंगाचे पुन्हा पुन्हा परावर्तन होऊन ध्वनीतरंग एकत्र येतात आणि सतत जाणवेल असा ध्वनी तयार होतो. यालाच निनाद म्हणतात.

निनादाची कारणे आणि परिणाम

• एकाच ध्वनीतरंगाच्या लगतच्या येण्यातील कालावधी कमी होत जातो.
• परावर्तित ध्वनी एकमेकांमध्ये मिसळून अस्पष्ट आणि वाढलेल्या तीव्रतेचा (Intensity) ध्वनी खोलीत निर्माण होतो.
• सार्वजनिक सभागृह किंवा श्रोत्यांच्या बसण्याच्या जागा ध्वनीविषयक निकृष्ट ठरण्याचे मुख्य कारण निनाद असतो.
• यामुळे भाषण किंवा संगीत स्पष्टपणे ऐकू येत नाही.

निनाद कमी करण्याचे उपाय

• सभागृहाच्या भिंती, छत आणि जमिनीवर ध्वनीशोषक पदार्थांचा वापर करणे.
• उदा. फायबर बोर्ड, रफ प्लास्टर, पडदे, जाड गालिचे, खुर्च्यांवर ध्वनीशोषक आवरण.
• सभागृहाची रचना करताना योग्य आकार आणि सामग्रीचा वापर करणे.
• खिडक्या आणि दारे जाड पडद्यांनी झाकणे.
• सभागृहात बसलेल्या श्रोत्यांची संख्या वाढवणे (श्रोते स्वतः ध्वनी शोषक म्हणून कार्य करतात).

SONAR म्हणजे Sound Navigation and Ranging.

सोनारचे कार्य

• पाण्याखालील वस्तूंचे अंतर, दिशा आणि वेग मोजण्यासाठी श्रवयातीत ध्वनीतरंगांचा उपयोग करते.
• सोनारमध्ये प्रक्षेपक (Transmitter) आणि शोधक (Detector) असतात, जे जहाजावर किंवा बोटीवर बसवलेले असतात.

कार्यपद्धती

1. प्रक्षेपण: प्रक्षेपक श्रवयातीत ध्वनीतरंग निर्माण करून पाण्यात प्रसारित करतो.
2. परावर्तन: हे तरंग पाण्यामधून प्रवास करतात आणि समुद्रतळाशी असणाऱ्या वस्तूवर आदळून परावर्तित होतात.
3. ग्रहण: परावर्तित झालेले तरंग जहाजावरील ग्राहक (शोधक) ग्रहण करतो.
4. रूपांतरण व विश्लेषण: ग्राहकाद्वारे श्रवयातीत ध्वनीतरंगांचे रूपांतर विद्युत लहरीत होते आणि संगणक त्यातून माहितीचा अर्थ लावतो.
5. अंतर मोजणे:

• ध्वनीच्या प्रक्षेपण आणि स्वीकृतीमधील कालावधी (t) नोंदवला जातो.
• ध्वनीचा पाण्यातील वेग (v) ज्ञात असतो.
• वस्तूचे अंतर (d) काढण्यासाठी सूत्र: \(2d = v \times t\) (कारण ध्वनी जाऊन परत येतो, म्हणून दुप्पट अंतर).
• म्हणून, \(d = \frac{v \times t}{2}\).

सोनारचे उपयोग

• समुद्राची खोली काढण्यासाठी.
• पाण्याखालच्या टेकड्या, दऱ्या, पाणबुड्या शोधण्यासाठी.
• हिमनग (icebergs) आणि बुडालेली जहाजे शोधण्यासाठी.
• पहिल्या महायुद्धात शत्रूच्या पाणबुड्या शोधण्यासाठी विकसित केले गेले.
• वटवाघूळे याच तंत्राचा वापर करून अंधारात वाटेतील अडथळे शोधतात (इकोलोकेशन).

सोनोग्राफी तंत्रज्ञानामध्ये श्रवयातीत ध्वनीतरंगांचा उपयोग शरीरांतर्गत भागांच्या चित्रनिर्मितीमध्ये केला जातो. हे एक वैद्यकीय निदान तंत्र आहे.

सोनोग्राफीची कार्यपद्धती

1. शोधनी (Probe) आणि द्रव: या तंत्रज्ञानामध्ये एक छोटी शोधनी (Probe) आणि एक विशिष्ट द्रव वापरला जातो. शोधनी व त्वचा यांच्यातील संपर्क योग्य प्रकारे व्हावा आणि श्रवयातीत ध्वनी पूर्ण क्षमतेने वापरला जावा यासाठी हा द्रव वापरला जातो.
2. ध्वनीचे प्रक्षेपण: परीक्षण करायच्या भागावरील त्वचेवर द्रव लावून शोधनीच्या साहाय्याने उच्च वारंवारितेचा ध्वनी द्रवामधून शरीरामध्ये सोडला जातो.
3. परावर्तन: शरीरातील अंतर्गत भागातून (उदा. अवयव, गाठी) परावर्तित झालेला ध्वनी पुन्हा शोधनीच्या साहाय्याने एकत्र केला जातो.
4. प्रतिमा निर्मिती: या परावर्तित ध्वनीच्या साहाय्याने संगणक शरीरांतर्गत भागाचे चित्र तयार करतो.

सोनोग्राफीचे उपयोग

• सूज येणे, जंतुसंसर्ग, तसेच वेदनांची कारणे शोधण्यासाठी.
• हृदयाची स्थिती, हृदयविकाराच्या झटक्यानंतर हृदयाची अवस्था तपासण्यासाठी (इकोकार्डिओग्राफी).
• गरोदर स्त्रीच्या गर्भाशयामध्ये गर्भाची होणारी वाढ पाहण्यासाठी आणि गर्भातील दोषांचे निदान करण्यासाठी.
• हे तंत्रज्ञान वेदना रहित असल्याने अचूक निदानासाठी वैद्यकशास्त्रामध्ये याचा उपयोग वाढत आहे.

महत्त्वाचा नैतिक विचार (PNDT Act)

• सोनोग्राफी तंत्रज्ञानाचा गैरवापर करून स्त्री भ्रूणहत्या करणे हा कायद्याने शिक्षापात्र गुन्हा आहे.
• यासाठी PNDT Act (Pre-Natal Diagnostic Techniques Act) तयार केला गेला आहे, जो लिंग निदान चाचणीला प्रतिबंध करतो.

कान हे मानवाचे महत्त्वाचे इंद्रिय आहे, जे ध्वनी ऐकण्याचे आणि शरीराचा तोल सांभाळण्याचे कार्य करते.

मानवी कर्णाचे भाग

मानवी कर्णाचे मुख्य तीन भाग आहेत:

1. बाह्यकर्ण (Outer Ear / Pinna):

• हा कानाचा बाहेरील दिसणारा भाग आहे.
• ध्वनीतरंग एकत्र करून कर्णनलिकेतून (Ear Canal) मध्यकर्ण पोकळीत पोहोचवतो.
• याची झडपेसारखी रचना ध्वनी गोळा करण्यास मदत करते.

1. मध्यकर्ण (Middle Ear):

• मध्यकर्णाच्या पोकळीत एक पातळ पडदा असतो, ज्याला कर्णपटल (Eardrum) म्हणतात.
• जेव्हा संपीडन कर्णपटलापाशी पोहोचते, तेव्हा बाहेरील दाब वाढतो आणि कर्णपटल आत ढकलले जाते.
• जेव्हा विरलन कर्णपटलापाशी पोहोचते, तेव्हा बाहेरील दाब कमी होतो आणि कर्णपटल बाहेरच्या बाजूला ढकलले जाते.
• याप्रकारे ध्वनीतरंगामुळे कर्णपटलाचे कंपन होते.
• मध्यकर्णात तीन लहान हाडे (हातोडी, ऐरण, रिकीब) असतात, जी कर्णपटलाचे कंपन आंतरकर्णापर्यंत पोहोचवतात आणि त्याचे मोठेपण वाढवतात.

1. आंतरकर्ण (Inner Ear):

• आंतरकर्णात गोगलगाईच्या शंखाप्रमाणे चक्राकार पोकळी असते, तिला कर्णावर्त (Cochlea) म्हणतात.
• कर्णावर्तामध्ये कर्णपटलापासून आलेली कंपने स्वीकारली जातात.
• ही कंपने मज्जातंतूद्वारे विद्युत संकेतांच्या स्वरूपात मेंदूकडे पाठवली जातात.
• मेंदूत या संकेतांचे विश्लेषण होते आणि आपल्याला ध्वनी ऐकू येतो.
• आंतरकर्णात शरीराचा तोल सांभाळणारे भागही असतात.

कानाची काळजी

• कान स्वच्छ करण्यासाठी कानात काडी, टोकदार वस्तू घालू नयेत.
• इअरफोनच्या साहाय्याने मोठ्या आवाजात गाणी ऐकू नयेत, कारण त्यामुळे कर्णपटलाला गंभीर इजा होण्याची शक्यता असते.