વિજ્ઞાન ધોરણ 9 પ્રકરણ 11 ધ્વનિ: સ્વાધ્યાય

ધ્વનિ એ ઊર્જાનું એક સ્વરૂપ છે જે આપણા કાનમાં શ્રવણની સંવેદના ઉત્પન્ન કરે છે. તે કંપિત વસ્તુઓ દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. જ્યારે કોઈ વસ્તુ કંપન (ઝડપથી આગળ-પાછળ ગતિ) કરે છે, ત્યારે તે તેની આસપાસના માધ્યમના કણોને કંપિત કરે છે, જે ધ્વનિ-તરંગ સ્વરૂપે પ્રસરે છે.

(આકૃતિ 11.4 મુજબ):

જ્યારે કોઈ ધ્વનિ સ્રોત (જેમ કે કંપિત ધ્વનિ-ચીપિયો) કંપન કરે છે, ત્યારે તે આ રીતે સંઘનન અને વિઘનન રચે છે:

• (1) સંઘનન (C): જ્યારે કંપિત વસ્તુ આગળની તરફ ગતિ કરે છે, ત્યારે તે તેની સામેની હવાને ધક્કો મારે છે અને દબાવે છે. આનાથી ઉચ્ચ દબાણ (અને ઉચ્ચ ઘનતા) નું ક્ષેત્ર રચાય છે, જેને સંઘનન કહે છે.
• (2) વિઘનન (R): જ્યારે કંપિત વસ્તુ પાછળની તરફ ગતિ કરે છે, ત્યારે તે નીચા દબાણ (અને ઓછી ઘનતા) નું ક્ષેત્ર રચે છે, જેને વિઘનન કહે છે.

આમ, વસ્તુના સતત કંપનથી હવામાં સંઘનન અને વિઘનનની શ્રેણી રચાય છે, જે ધ્વનિ-તરંગ તરીકે પ્રસરે છે.

ધ્વનિ-તરંગોને સંગત તરંગો કહે છે કારણ કે આ તરંગોમાં માધ્યમના કણોનું સ્થાનાંતર (દોલન) એ તરંગના પ્રસરણની દિશાને સમાંતર (આગળ-પાછળ) થાય છે.

ધ્વનિની ગુણવત્તા (Quality or Timbre) અથવા ધ્વનિ ગુણતા. આ એવી લાક્ષણિકતા છે જે આપણને સમાન પિચ (આવૃત્તિ) અને સમાન પ્રબળતા (કંપવિસ્તાર) ધરાવતા બે ધ્વનિઓને જુદા પાડવામાં મદદ કરે છે.

આમ થવાનું કારણ પ્રકાશની ઝડપ અને ધ્વનિની ઝડપ વચ્ચેનો મોટો તફાવત છે.

• પ્રકાશની ઝડપ (વીજળી) હવામાં આશરે 3 × 10⁸ m s⁻¹ છે, જે ખૂબ જ વધારે છે.
• ધ્વનિની ઝડપ (ગર્જના) હવામાં આશરે 340-346 m s⁻¹ છે, જે પ્રકાશની સાપેક્ષે ઘણી ઓછી છે.

તેથી, વીજળીનો ચમકારો (પ્રકાશ) આપણા સુધી લગભગ તરત જ પહોંચી જાય છે, જ્યારે ગર્જના (ધ્વનિ) ને પહોંચતા થોડી સેકન્ડનો સમય લાગે છે.

આપેલ વિગત:

• ઝડપ (v) = 344 m s⁻¹
• આવૃત્તિ 1 (ν₁) = 20 Hz
• આવૃત્તિ 2 (ν₂) = 20 kHz = 20000 Hz

ગણતરી (λ = v / ν):

(a) 20 Hz માટે તરંગલંબાઈ (λ₁):

λ₁ = 344 m/s / 20 Hz = 17.2 m

(b) 20 kHz માટે તરંગલંબાઈ (λ₂):

λ₂ = 344 m/s / 20000 Hz = 0.0172 m

(કોષ્ટક 11.1 મુજબ, 25°C તાપમાને: હવામાં ધ્વનિની ઝડપ (v_air) ≈ 346 m/s; ઍલ્યુમિનિયમમાં ધ્વનિની ઝડપ (v_al) ≈ 6420 m/s)

ધારો કે સળિયાની લંબાઈ = d

ગણતરી:

હવામાં લાગતો સમય (t_air) = અંતર / ઝડપ = d / 346

ઍલ્યુમિનિયમમાં લાગતો સમય (t_al) = અંતર / ઝડપ = d / 6420

ગુણોત્તર (t_air / t_al):

= (d / 346) / (d / 6420)

= 6420 / 346 ≈ 18.55

માટે, હવામાં લાગતો સમય અને ઍલ્યુમિનિયમમાં લાગતા સમયનો ગુણોત્તર 18.55 : 1 (આશરે) થશે.

આપેલ વિગત:

આવૃત્તિ (ν) = 100 Hz (એટલે કે, 1 સેકન્ડમાં 100 કંપન)

સમય (t) = 1 મિનિટ = 60 સેકન્ડ

ગણતરી:

કુલ કંપનો = આવૃત્તિ × સમય (સેકન્ડમાં)

= 100 કંપન/સેકન્ડ × 60 સેકન્ડ

= 6000 કંપન

હા, ધ્વનિ પણ પ્રકાશની જેમ પરાવર્તનના નિયમોનું પાલન કરે છે:

• (1) આપાતકોણ (ધ્વનિ-તરંગે સપાટી સાથે દોરેલા લંબ સાથે બનાવેલો ખૂણો) અને પરાવર્તનકોણ (પરાવર્તિત તરંગે લંબ સાથે બનાવેલો ખૂણો) સમાન હોય છે.
• (2) આપાત ધ્વનિ-તરંગ, આપાત બિંદુએ સપાટીને દોરેલો લંબ અને પરાવર્તિત ધ્વનિ-તરંગ, ત્રણેય એક જ સમતલમાં હોય છે.

હા, ગરમ દિવસોમાં પણ પડઘો સાંભળી શકાશે.

કારણ: ગરમ દિવસોમાં હવાનું તાપમાન વધે છે, જેનાથી હવામાં ધ્વનિની ઝડપ વધે છે. ઝડપ વધવાને કારણે, ધ્વનિ પરાવર્તક સપાટી સુધી પહોંચીને પાછા આવવા માટે ઓછો સમય લેશે. પડઘો સંભળાવવા માટે જરૂરી લઘુતમ સમય (0.1 સેકન્ડ) કરતાં ઓછો સમય લાગે તો પડઘો સ્પષ્ટ ન સંભળાય, પરંતુ સામાન્ય અંતર માટે પડઘો વહેલો અને સ્પષ્ટ સંભળાશે.

ધ્વનિ-તરંગોના પરાવર્તનના બે વ્યાવહારિક ઉપયોગો:

• (1) મેગાફોન/લાઉડસ્પીકર/શરણાઈ: આ સાધનો શંકુ આકારના હોય છે, જેથી ધ્વનિનું વારંવાર પરાવર્તન થઈને, તે બધી દિશામાં ફેલાવાને બદલે એક ચોક્કસ દિશામાં પ્રબળ બનીને આગળ વધે છે.
• (2) સ્ટેથોસ્કોપ: ડોક્ટર દ્વારા વપરાતા આ સાધનમાં, દર્દીના હૃદયના ધબકારાનો ધ્વનિ નળીમાં વારંવાર પરાવર્તન પામીને ડોક્ટરના કાન સુધી પહોંચે છે.

અહીં બે સમયગાળા શોધવા પડશે: (1) પથ્થરને ટાવર પરથી પાણી સુધી પહોંચવા લાગતો સમય (t₁) અને (2) પાણીમાં પથ્થર પડવાનો ધ્વનિ ટાવરની ટોચ સુધી પહોંચવા લાગતો સમય (t₂).

ગણતરી (t₁ - પતન સમય):

s = ut + ½at² (અહીં u=0, s=500 m, a=g=10 m s⁻²)

500 = (0)t + ½(10)t₁²

500 = 5t₁²

t₁² = 100 ⇒ t₁ = 10 s

ગણતરી (t₂ - ધ્વનિનો સમય):

સમય = અંતર / ઝડપ

t₂ = 500 m / 340 m s⁻¹ ⇒ t₂ ≈ 1.47 s

કુલ સમય:

T = t₁ + t₂ = 10 s + 1.47 s = 11.47 s

આપેલ વિગત:

• ઝડપ (v) = 339 m s⁻¹
• તરંગલંબાઈ (λ) = 1.5 cm = 0.015 m

ગણતરી (આવૃત્તિ ν = v / λ):

ν = 339 m/s / 0.015 m

ν = 22600 Hz

નિર્ણય: ના, આ ધ્વનિ શ્રાવ્ય (સાંભળી શકાય તેવો) નહીં હોય, કારણ કે મનુષ્યની શ્રાવ્ય મર્યાદા 20,000 Hz સુધી જ હોય છે. આ ધ્વનિ પરાધ્વનિ (Ultrasonic) છે.

અનુરણન (Reverberation): કોઈ મોટા ઓરડામાં (જેમ કે સભાખંડ) ધ્વનિ ઉત્પન્ન થયા બાદ, ધ્વનિ-તરંગોનું દીવાલો, છત અને ભોંયતળિયા પરથી વારંવાર પરાવર્તન થવાને કારણે ધ્વનિ લાંબા સમય સુધી જળવાઈ રહે છે, આ ઘટનાને અનુરણન કહે છે.

ઘટાડવાના ઉપાયો: અનુરણન ઘટાડવા માટે, ઓરડાની દીવાલો અને છત પર ધ્વનિશોષક પદાર્થો જેવા કે સંકોચિત ફાઇબર બોર્ડ, ખરબચડું પ્લાસ્ટર અથવા પડદા લગાડવામાં આવે છે. બેઠકો (ખુરશીઓ) પણ ધ્વનિશોષક પદાર્થોની બનાવવામાં આવે છે.

ધ્વનિની પ્રબળતા (Loudness): પ્રબળતા એ ધ્વનિ માટે કાનની સંવેદનશીલતાનું માપ છે, જેનાથી ધ્વનિ મોટો (પ્રબળ) છે કે ધીમો (મૃદુ) તે નક્કી થાય છે.

આધાર: ધ્વનિની પ્રબળતા મુખ્યત્વે તેના કંપવિસ્તાર (Amplitude) પર આધાર રાખે છે. કંપવિસ્તાર જેટલો મોટો, ધ્વનિ તેટલો પ્રબળ. (તે કાનની સંવેદનશીલતા પર પણ આધાર રાખે છે).

જે વસ્તુઓ સાફ કરવાની હોય (જેમ કે સર્પિલાકાર નળી, વિષમ આકારના ભાગો) તેને સફાઈ દ્રાવણમાં રાખવામાં આવે છે. જ્યારે આ દ્રાવણમાંથી પરાધ્વનિ તરંગો પસાર કરવામાં આવે છે, ત્યારે ઉચ્ચ આવૃત્તિના કંપનોને કારણે ધૂળ, ચીકાશ અને ગંદકીના કણો છૂટા પડીને નીચે પડી જાય છે. આ રીતે વસ્તુ સંપૂર્ણ સાફ થાય છે.

પરાધ્વનિ તરંગોને ધાતુના બ્લૉકમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે અને બીજી તરફ સંસૂચક (Detector) દ્વારા તેની નોંધણી કરવામાં આવે છે.

• (1) જો બ્લૉક ખામી રહિત હોય, તો પરાધ્વનિ તરંગો સીધા પસાર થઈને સંસૂચક સુધી પહોંચી જાય છે.
• (2) જો બ્લૉકમાં કોઈ તિરાડ કે ખામી હોય, તો તરંગો તે ખામી પાસેથી પરાવર્તન પામીને પાછા ફરે છે, અથવા સંસૂચક સુધી પહોંચતા નથી.

આ રીતે ખામીની હાજરી શોધી શકાય છે.