ध्वनि तरंगें और ध्वनिकी

ध्वनि एक यांत्रिक विक्षोभ है, जो किसी माध्यम से होकर आगे बढ़ता है। कंपन करता स्रोत पास के कणों में विक्षोभ पैदा करता है। ये कण इस विक्षोभ को आगे पहुँचाते हैं।

गिटार का तार, स्वरित्र द्विभुज (tuning fork) और ढोल की झिल्ली कंपन करने वाले स्रोतों के उदाहरण हैं। हवा में कंपन से बदलते दाब वाले क्षेत्र बनते हैं।

तरंग के मूल मॉडल में कण अपनी सामान्य स्थितियों के आसपास दोलन करते हैं। वे तरंग के साथ स्रोत से श्रोता तक नहीं जाते।

तरंग माध्यम से होकर ऊर्जा पहुँचाती है। स्कूल स्तर का यह वर्णन हवा के समग्र रूप से बहने का वर्णन नहीं करता।

हवा के कण तरंग के आगे बढ़ने की दिशा के समानांतर कंपन करते हैं। कंपन के इस ढंग के कारण हवा में सामान्य ध्वनि एक अनुदैर्ध्य तरंग.

• संपीडन: अधिक दाब और अधिक घनत्व वाला क्षेत्र।
• विरलन: कम दाब और कम घनत्व वाला क्षेत्र।
• तरंगदैर्ध्य: लगातार आने वाले दो संपीडनों या दो विरलनों के बीच की दूरी।

अनुप्रस्थ तरंग में कंपन उसके आगे बढ़ने की दिशा के लंबवत होते हैं। ठोसों में ध्वनि तरंगें अनुप्रस्थ भी हो सकती हैं। इसलिए ध्वनि को अनुदैर्ध्य बताते समय हवा या तरल माध्यम का संदर्भ देना जरूरी है।

क्या ध्वनि निर्वात से गुजर सकती है? नहीं। यांत्रिक ध्वनि का विक्षोभ आगे पहुँचाने के लिए पदार्थ से बना माध्यम चाहिए। प्रकाश सहित विद्युतचुंबकीय तरंगें निर्वात से गुजर सकती हैं।

तरंग की चाल, आवृत्ति और तरंगदैर्ध्य के गुणनफल के बराबर होती है। दोहराने वाली तरंग के लिए संबंध है v = fλ.

• v: चाल, जिसे मीटर प्रति सेकंड, यानी m/s में मापते हैं।
• f: आवृत्ति, जिसे हर्ट्ज़, यानी Hz में मापते हैं।
• λ: तरंगदैर्ध्य, जिसे मीटर, यानी m में मापते हैं।

आवृत्ति बताती है कि प्रति सेकंड कितने दोहराव होते हैं। तरंगदैर्ध्य दोहराते पैटर्न में एक जैसी अवस्था वाले बिंदुओं के बीच की दूरी बताता है।

हल किया हुआ उदाहरण। एक ध्वनि तरंग की चाल है 343 m/s और आवृत्ति है 686 Hz.

λ = v/f = 343/686 = 0.50 m.

चाल समान रहने पर, आवृत्ति दोगुनी करने से तरंगदैर्ध्य आधा हो जाता है। किसी सामान्य माध्यम में केवल आवृत्ति बढ़ाने से ध्वनि की चाल नहीं बढ़ती।

तारत्व (Pitch) से हमें ध्वनि के ऊँची या नीची होने का एहसास होता है। इससे जुड़ी मुख्य भौतिक राशि आवृत्ति है।

अधिक आवृत्ति वाला स्वर आम तौर पर ऊँचे तारत्व का सुनाई देता है। कम आवृत्ति वाला स्वर आम तौर पर नीचे तारत्व का सुनाई देता है।

आयाम दोलन के आकार को बताता है। आवृत्ति समान रहने पर आयाम बढ़ाने से नीचे तारत्व वाला स्वर ऊँचे तारत्व वाला नहीं बन जाता।

कल्पना करें कि आप पियानो का एक ही स्वर पहले धीरे और फिर ज़ोर से बजाते हैं। ध्वनि अधिक ज़ोर से सुनाई देने पर भी तारत्व समान रह सकता है।

तीव्रता एक भौतिक राशि है; प्रबलता मनुष्य का अनुभव है। ध्वनि की तीव्रता प्रति इकाई क्षेत्रफल से प्रति इकाई समय में प्रवाहित ऊर्जा को मापती है।

तीव्रता की मापन इकाई है वाट प्रति वर्ग मीटर, यानी W/m²। माध्यम और आवृत्ति निश्चित होने पर, तीव्रता तरंग के आयाम के वर्ग के अनुपात में बढ़ती है।

इन परिस्थितियों में, आयाम दोगुना करने से तीव्रता हो जाती है चार गुनी । इससे सुनाई देने वाली प्रबलता अपने-आप चार गुनी नहीं हो जाती।

अधिक आयाम वाली ध्वनि अक्सर अधिक ज़ोर से सुनाई देती है। लेकिन कान अलग-अलग आवृत्तियों पर अलग तरह से प्रतिक्रिया करता है। इसलिए समान तीव्रता वाली दो ध्वनियाँ कम या अधिक ज़ोर से सुनाई दे सकती हैं।

परीक्षाओं में अक्सर यह जोड़ी पूछी जाती है: आवृत्ति–तारत्व और आयाम–प्रबलता। इस जोड़ी से यह साबित नहीं होता कि सुनाई देने वाली प्रबलता पर आवृत्ति का कोई प्रभाव नहीं पड़ता।

ध्वनि का गुण, जिससे वाद्ययंत्रों की पहचान करने में मदद मिलती है, गुणता (Timbre) कहलाता है। तारत्व और प्रबलता समान होने पर भी वायलिन और बाँसुरी की गुणता अलग हो सकती है।

एक नियमित संगीतमय स्वर में हो सकती है एक मूल आवृत्ति और कई संनादी (Harmonics)। संनादियों की आवृत्तियाँ मूल आवृत्ति की पूर्णांक गुणज होती हैं।

यदि मूल आवृत्ति है 200 Hz , तो अगले दो संनादियों की आवृत्तियाँ हैं 400 Hz और 600 Hz. उनकी आपेक्षिक प्रबलता से बनने वाली तरंग का आकार तय होता है।

हर ध्वनि में सुव्यवस्थित हार्मोनिक शृंखला नहीं होती। वाद्य बजाने की शुरुआती ध्वनि, शोर और अन्य विशेषताएँ भी ध्वनि की गुणवत्ता को प्रभावित करती हैं।

युवा मनुष्यों की सुनने की सीमा सामान्यतः लगभग 20 Hz से 20,000 Hz बताई जाती है। सुनने की वास्तविक संवेदनशीलता हर व्यक्ति में अलग होती है और उम्र तथा सुनने की क्षमता के साथ बदलती है।

• अवश्रव्य: लगभग 20 Hz से कम।
• श्रव्य: मनुष्य की सुनने की अनुमानित सीमा के भीतर।
• पराश्रव्य: लगभग 20,000 Hz से अधिक।

पराध्वनि भी ध्वनि ही है, भले ही मनुष्य सामान्यतः उसे सुन नहीं सकते। उसकी आवृत्ति उसे विद्युतचुंबकीय तरंग में नहीं बदलती।

स्वरयंत्र में मौजूद स्वर तंतुओं के बीच से हवा गुजरने पर वे कंपन करते हैं। स्वरयंत्र को आम तौर पर आवाज़ पैदा करने वाला अंग कहा जाता है।

मुँह और स्वर मार्ग की अन्य संरचनाएँ बनी हुई ध्वनि को बोलने योग्य रूप देने में मदद करती हैं। इसलिए आवाज़ पैदा करने में केवल स्वर तंतुओं की ही भूमिका नहीं होती।

सुनने की प्रक्रिया एक अलग मार्ग से होती है। ध्वनि से कान का पर्दा कंपन करता है। मध्य कर्ण की हड्डियाँ इन कंपनों को द्रव से भरे कर्णावर्त (cochlea) तक पहुँचाती हैं।

संवेदी रोम कोशिकाएँ इन हलचलों को विद्युत संकेतों में बदलने में मदद करती हैं। श्रवण तंत्रिका इन संकेतों को मस्तिष्क तक पहुँचाती है।

कान का पर्दा अपने आप ध्वनि का अर्थ नहीं समझता। यांत्रिक गति को ऐसे संकेतों में बदलना जरूरी है जिन्हें तंत्रिका तंत्र समझ सके।

डेसीबल किसी संदर्भ मान की तुलना में ध्वनि के स्तर को लघुगणकीय पैमाने पर व्यक्त करते हैं। ध्वनि की तीव्रता का स्तर और किसी व्यक्ति को महसूस होने वाली आवाज़ की प्रबलता अलग-अलग राशियाँ हैं।

तीव्रता के लिए, β = 10 log₁₀(I/I₀) से स्तर डेसीबल, यानी dB में मिलता है। यहाँ, I तीव्रता है और I₀ चुनी गई संदर्भ तीव्रता है।

तीव्रता दस गुना होने पर यह स्तर 10 dBबढ़ता है। यह सूत्र तीव्रता के स्तर पर लागू होता है; डेसीबल की अन्य परिभाषाएँ अलग-अलग मूल अनुपातों पर आधारित होती हैं।

क्या 80 dB सभी के लिए दर्द की सीमा है? नहीं। 80 dB के स्तर को शारीरिक दर्द की एक निश्चित सीमा नहीं मानना चाहिए। दर्द महसूस हुए बिना भी सुनने की क्षमता को नुकसान हो सकता है।

जोखिम ध्वनि के स्तर और उसके संपर्क में रहने की अवधि पर निर्भर करता है। यातायात, मशीनों, लाउडस्पीकरों और पटाखों से निकलने वाली अत्यधिक या अनचाही ध्वनि, ध्वनि प्रदूषण में शामिल है।

A-भारित डेसीबल (A-weighted decibel), यानी dBA में अलग-अलग आवृत्तियों को अलग भार दिया जाता है, ताकि माप मनुष्य की सुनने की संवेदनशीलता के कुछ पहलुओं के करीब हो। केवल dB का आँकड़ा समझने के लिए यह जानना जरूरी है कि माप कैसे लिया गया था।

ध्वनि की चाल, मूल स्थिति में लौटाने वाली कठोरता और जड़त्व, दोनों पर निर्भर करती है। घनत्व जड़त्व से जुड़ा गुण है, जबकि संबंधित प्रत्यास्थ गुण मूल स्थिति में लौटाने वाला बल देता है।

किसी तरल या गैस में छोटे विक्षोभ के लिए, v = √(B/ρ).

• B: आयतन प्रत्यास्थता गुणांक, जिसे पास्कल या Pa में मापा जाता है।
• ρ: घनत्व, जिसे किलोग्राम प्रति घन मीटर या kg/m³ में मापा जाता है।
• v: ध्वनि की चाल, जिसे m/s में मापा जाता है।

आयतन प्रत्यास्थता गुणांक संपीड़न के प्रतिरोध को मापता है। इसका मान अधिक होने पर आयतन में एक निश्चित अनुपात में बदलाव लाने के लिए अधिक दबाव चाहिए।

घनत्व स्थिर हो, तो कठोरता बढ़ने से चाल बढ़ती है। कठोरता स्थिर हो, तो घनत्व बढ़ने से चाल घटती है। दो वास्तविक पदार्थों की तुलना में दोनों गुणों पर विचार करना जरूरी है।

सामान्य तुलनाएँ। ध्वनि लगभग इस चाल से चलती है: 343 m/s शुष्क वायु में, इस तापमान पर: 20°C। मीठे पानी में, इस तापमान पर: 20°C, उपयोगी अनुमानित मान है 1,480 m/s.

इस्पात में ध्वनि की चाल उसकी संरचना और तरंग के प्रकार पर निर्भर करती है। पतली छड़ के मॉडल में यह सूत्र इस्तेमाल होता है: v = √(Y/ρ), जहाँ Y यंग प्रत्यास्थता गुणांक है।

उदाहरण के लिए, ये मान लें: Y = 2.0 × 10¹¹ Pa और ρ = 8,000 kg/m³:

v = √(2.5 × 10⁷) = 5,000 m/s.

यह मॉडल पर आधारित गणना है। यह इस्पात में ध्वनि की चाल का ऐसा मापा गया मान नहीं है जो हर स्थिति में लागू हो। इस्पात के भीतर चलने वाली अनुदैर्ध्य तरंगों की चाल अलग हो सकती है।

सामान्य ठोस पदार्थों में ध्वनि अक्सर द्रवों से तेज और द्रवों में गैसों से तेज चलती है। यह क्रम हर पदार्थ या हर प्रकार की तरंग पर लागू नहीं होता।

हवा का तापमान ध्वनि की चाल को प्रभावित करता है। निश्चित संघटन वाली आदर्श गैस के लिए मूल मॉडल यह सूत्र देता है: v = √(γRT/M).

• γ: ऊष्मा धारिताओं का अनुपात।
• R: सार्वत्रिक गैस नियतांक, जिसे J/(mol·K) में मापा जाता है।
• T: परम तापमान, जिसे केल्विन में मापा जाता है।
• M: मोलर द्रव्यमान, जिसे kg/mol में मापा जाता है।

संघटन स्थिर हो और γ लगभग स्थिर हो, तो चाल परम तापमान के वर्गमूल के साथ बढ़ती है। इस सूत्र में T की जगह सेल्सियस तापमान नहीं रखा जा सकता।

आर्द्रता और संघटन भी वास्तविक मान को प्रभावित कर सकते हैं। इसलिए केवल “कमरे का तापमान” कहने से मापन की सभी परिस्थितियाँ स्पष्ट नहीं होतीं।

प्रतिध्वनि वह परावर्तित ध्वनि है जो अलग से दोबारा सुनाई देती है। अनुरणन वह स्थिति है जिसमें परावर्तित ध्वनियाँ एक-दूसरे पर चढ़ती रहती हैं और ध्वनि बनी रहती है।

दूर की कोई कठोर सतह ध्वनि को कुछ देर बाद वापस लौटा सकती है। किसी हॉल में पास की कई सतहों से परावर्तित ध्वनियाँ एक-दूसरे पर चढ़ती हैं।

ध्वनि सोखने वाले पर्दे और उपयुक्त ध्वनिक पैनल अनुरणन कम कर सकते हैं। कोई खुरदरी सतह अधिक ऊर्जा सोखे बिना भी ध्वनि को अलग-अलग दिशाओं में बिखेर सकती है। केवल खुरदरापन प्रभावी ध्वनि अवशोषण की गारंटी नहीं देता।

प्रतिध्वनि के लौटने के समय से दूरी कैसे पता चलती है? जब ध्वनि स्रोत और परावर्तक स्थिर हों, तो ध्वनि स्रोत से परावर्तक तक जाती है और वापस लौटती है। ध्वनि की चाल v और लौटने में लगा समय tहो, तो दूरी है d = vt/2.

मान लीजिए पानी के भीतर भेजा गया ध्वनि स्पंद 0.10 sबाद लौटता है। v = 1,480 m/sका उपयोग करने पर दूरी है:

d = 1,480 × 0.10/2 = 74 m.

दो से भाग इसलिए देते हैं क्योंकि ध्वनि जाने और लौटने, दोनों की दूरी तय करती है। इस गणना में दी गई चाल और परावर्तन के सरल मार्ग को माना गया है।

ध्वनि से दिशाज्ञान और दूरी मापन (Sound Navigation and Ranging, SONAR) में ध्वनि का उपयोग पानी के भीतर के परिवेश की जाँच के लिए किया जाता है। सक्रिय सोनार ध्वनि स्पंद भेजता है और लौटने वाली प्रतिध्वनियों का पता लगाता है।

निष्क्रिय सोनार अपना जाँच स्पंद भेजे बिना ध्वनियाँ सुनता है। सक्रिय सोनार में प्रतिध्वनि के लौटने में लगे समय से दूरी पता लगाने में मदद मिल सकती है।

सामान्य अल्ट्रासाउंड इमेजिंग में लौटने वाली पराश्रव्य प्रतिध्वनियों से ऊतकों की संरचनाएँ दिखाई जाती हैं। परावर्तित संकेतों के अंतर से चित्र बनाने में मदद मिलती है।

डॉप्लर अल्ट्रासाउंड (Doppler ultrasound) रक्त प्रवाह जैसी गति से जुड़े आवृत्ति परिवर्तनों को मापता है। यह अल्ट्रासाउंड का एक विशेष उपयोग है।

डॉप्लर प्रभाव (Doppler effect) सापेक्ष गति के कारण सुनाई देने वाली आवृत्ति में बदलाव है। पास आते ध्वनि स्रोत की ध्वनि अधिक आवृत्ति पर सुनाई दे सकती है। दूर जाते स्रोत की ध्वनि कम आवृत्ति पर सुनाई दे सकती है।

इसलिए हर प्रकार की सोनोग्राफी को केवल डॉप्लर विधि से रक्त प्रवाह मापने के रूप में नहीं समझाना चाहिए।

प्रश्न में दी गई भौतिक स्थिति को संबंधित अवधारणा से मिलाएँ। परीक्षा में दिया गया छोटा-सा मिलान किसी संबंध को सरल रूप में दिखा सकता है, लेकिन वास्तविक जीवन की हर परिस्थिति नहीं बताता।

राष्ट्रीय रक्षा अकादमी और नौसेना अकादमी (National Defence Academy and Naval Academy, NDA-NA) II 2016 के सामान्य योग्यता परीक्षण (GAT) में तीन बुनियादी उदाहरण हैं:

• प्रश्न 75: तरंग के बुनियादी मॉडल में ध्वनि तरंगें किसी माध्यम से ऊर्जा का स्थानांतरण करती हैं।
• प्रश्न 108: ध्वनि की चाल प्रत्यास्थता और जड़त्व से जुड़े गुणों पर निर्भर करती है।
• प्रश्न 109: तारत्व–आवृत्ति और प्रबलता–आयाम का सामान्य अंतर प्रश्न में अपेक्षित कथन पहचानने में मदद करता है।

मनुष्य को ध्वनि कितनी प्रबल सुनाई देती है, इस पर आवृत्ति का भी प्रभाव पड़ता है। तीसरे उदाहरण से यह सार्वभौमिक निष्कर्ष नहीं निकालना चाहिए कि आवृत्ति का कोई प्रभाव नहीं होता।

केंद्रीय सशस्त्र पुलिस बल (CAPF) सहायक कमांडेंट (ACs)2025 के प्रश्न 106 में सोनोग्राफी का उदाहरण दिया गया है। डॉप्लर सिद्धांत विशेष रूप से गति मापने पर लागू होता है। सामान्य अल्ट्रासाउंड में शरीर की संरचना का चित्र बनाने के लिए भी परावर्तित प्रतिध्वनियों का उपयोग होता है।

NDA-NA I 2025 में प्रतिध्वनि का उदाहरण संबंधित है परावर्तन से। NDA-NA II 2025 के उदाहरण में पूर्ण रूप पूछा गया है SONAR का: साउंड नेविगेशन एंड रेंजिंग (Sound Navigation and Ranging)।

NDA-NA II 2016 Q75 · Q108 · Q109 · CAPF ACs 2025 Q106 · प्रतिध्वनि का प्रश्न · SONAR का प्रश्न