ధ్వని (Sound)

ధ్వని (Sound) అనేది చెవిలో వినికిడి అనుభూతిని కలిగించే ఒక శక్తి రూపం. యాంత్రిక శక్తి, కాంతి శక్తి వంటివి ఇతర రూపాలు. శక్తిని సృష్టించలేము, నాశనం చేయలేము; ఒక రూపం నుండి మరో రూపానికి మార్చగలం (శక్తి నిత్యత్వం).

చప్పట్లు కొట్టినప్పుడు మన కండర (యాంత్రిక) శక్తి ధ్వని శక్తిగా మారుతుంది; శక్తి వినియోగం లేకుండా ధ్వని పుట్టదు.

• కృత్యం 9.1 (శృతి దండం – Tuning fork): రబ్బరు ప్యాడ్‌పై కొట్టిన శృతి దండాన్ని చెవి దగ్గరకు తెస్తే ధ్వని వినిపిస్తుంది. కంపిస్తున్న భుజాన్ని వేలితో తాకితే కంపనం తెలుస్తుంది, ధ్వని ఆగిపోతుంది.
• దారంతో వేలాడదీసిన టేబుల్ టెన్నిస్ బంతిని కంపిస్తున్న శృతి దండం భుజంతో తాకిస్తే బంతి మళ్లీ మళ్లీ దూరంగా ఎగిరిపడుతుంది – అంటే దండం కంపిస్తోంది.
• కృత్యం 9.2: కంపిస్తున్న శృతి దండం ఒక భుజాన్ని అంచు వరకు నింపిన గ్లాసులోని నీటి ఉపరితలానికి తాకిస్తే నీరు చిందుతుంది. రెండు భుజాలనూ నీటిలో ముంచితే ఇంకా ఎక్కువగా చిందుతుంది.
• నిర్ధారణ:
  1. కంపించే వస్తువు లేకుండా ధ్వని పుట్టదు
  2. ధ్వని మూలం (source) ఎప్పుడూ కంపిస్తూ ఉంటుంది.
• కంపనం (Vibration): వస్తువు వేగంగా ముందుకూ వెనుకకూ చేసే చలనం.
• కొట్టడం (striking), మీటడం (plucking), గీకడం (scratching), రాపిడి (rubbing), ఊదడం (blowing), ఊపడం (shaking) ద్వారా వస్తువులను కంపింపజేసి ధ్వనిని పుట్టించవచ్చు.
• మానవ స్వరం: స్వర తంతువుల (vocal cords) కంపనాల వల్ల పుడుతుంది.
• ఉదాహరణలు: సాగదీసి మీటిన రబ్బరు బ్యాండ్ కంపించి ధ్వని ఇస్తుంది. తేనెటీగ రెక్కలు చాలా వేగంగా కంపించడం వల్ల దాని చుట్టూ రొదలాంటి ధ్వని వినిపిస్తుంది (పక్షి రెక్కల కదలిక చాలా నెమ్మదిగా ఉంటే సాధారణంగా వినిపించదు – పుస్తకం వెలుపలి వివరణ).
• కృత్యం 9.3 (సంగీత వాయిద్యాలు): ప్రతి వాయిద్యంలో ఒక భాగం కంపిస్తుంది – తీగ వాయిద్యాల్లో తీగ, డ్రమ్ముల్లో పొర, వేణువులో గాలి స్తంభం (వెలుపలి ఉదాహరణలు).

కంపించే వస్తువు నుండి ధ్వని వినేవారి చెవి వరకు యానకం (medium) ద్వారా ప్రయాణిస్తుంది. యానకం అంటే ధ్వని ప్రసరించే పదార్థం; అది ఘన, ద్రవ లేదా వాయు స్థితిలో ఉండవచ్చు.

• ప్రసరణ ప్రక్రియ:
  1. వస్తువు కంపిస్తే దాని చుట్టూ ఉన్న యానక కణాలు కంపిస్తాయి. వస్తువును తాకుతున్న కణం మొదట తన సమతా స్థానం నుండి జరుగుతుంది
  2. అది పక్క కణంపై బలం ప్రయోగించి దాన్ని జరుపుతుంది
  3. తర్వాత మొదటి కణం తన స్థానానికి తిరిగి వస్తుంది. ఈ క్రమం చెవి వరకు కొనసాగుతుంది.
• ముఖ్యం:
  1. యానక కణాలు మూలం నుండి చెవి వరకు ప్రయాణించవు
  2. మూలం సృష్టించిన ఆటంకం (disturbance) మాత్రమే ప్రయాణిస్తుంది. ప్రసరణలో కదిలేది ధ్వని శక్తి, కణాలు కాదు.
• తరంగం (Wave): యానక కణాలు పక్క కణాలను కదిలిస్తూ, అవి తిరిగి ఇతరులను కదిలిస్తూ ముందుకు సాగే ఆటంకం. కణాలు ముందుకు కదలవు, ఆటంకం ముందుకు వెళ్తుంది. అందుకే ధ్వనిని తరంగంగా భావిస్తారు.
• యాంత్రిక తరంగాలు (Mechanical waves): ధ్వని తరంగాలకు యానక కణాల చలనం అవసరం కాబట్టి వాటిని యాంత్రిక తరంగాలు అంటారు.
• పుస్తకం ప్రశ్నల సారం:
  1. పాఠశాల గంట కొట్టినప్పుడు గంట కంపించి చుట్టూ ఉన్న గాలి కణాలను కంపింపజేస్తుంది
  2. ఈ ఆటంకం గాలి ద్వారా చెవికి చేరుతుంది. చంద్రునిపై ధ్వని ప్రసరణకు గాలి వంటి యానకం ఉండదు కాబట్టి స్నేహితుడు ఉత్పత్తి చేసే ధ్వని వినిపించదు (యానకం లేని శూన్యంలో ధ్వని ప్రయాణించదు – ఇది ప్రామాణిక వాస్తవం).
• ధ్వని ప్రసారానికి గాలి అత్యంత సాధారణ యానకం.

గాలిలో ధ్వని ప్రయాణించే విధానాన్ని సంపీడనాలు (compressions), విరళనాలు (rarefactions) అనే రెండు ప్రాంతాల వరుసగా వివరిస్తారు.

• సంపీడనం (Compression, C): కంపించే వస్తువు ముందుకు కదిలినప్పుడు తన ముందున్న గాలిని నొక్కి, ఎక్కువ పీడనం గల ప్రాంతాన్ని సృష్టిస్తుంది. ఇదే సంపీడనం. అది వస్తువు నుండి దూరంగా కదులుతుంది.
• విరళనం (Rarefaction, R): వస్తువు వెనుకకు కదిలినప్పుడు తక్కువ పీడనం గల ప్రాంతం ఏర్పడుతుంది. దీన్ని విరళనం అంటారు.
• వస్తువు వేగంగా ముందుకూ వెనుకకూ కదులుతుంటే గాలిలో సంపీడనాలు, విరళనాలు వరుసగా ఏర్పడి ధ్వని తరంగం అవుతాయి.
• సంపీడనం = అధిక పీడనం, అధిక సాంద్రత
• విరళనం = అల్ప పీడనం, అల్ప సాంద్రత.
• పీడనం–కణాల సంఖ్య: ఇచ్చిన ఘనపరిమాణంలోని కణాల సంఖ్యతో పీడనం ముడిపడి ఉంటుంది. కణ సాంద్రత ఎక్కువైతే పీడనం ఎక్కువ.
• అందువల్ల ధ్వని ప్రసరణను యానకంలో సాంద్రత మార్పులు లేదా పీడన మార్పుల ప్రసరణగా చూడవచ్చు.
• సంపీడన–విరళనాలు ఉండేది యానకంలోనే: కణాలు ఒక చోట గుమిగూడితే సంపీడనం, ఎడంగా ఉంటే విరళనం.

యానక కణాల కంపన దిశ, తరంగ ప్రసరణ దిశలతో సంబంధాన్ని బట్టి తరంగాలను అనుదైర్ఘ్య, తిర్యక్ తరంగాలుగా వర్గీకరిస్తారు.

• కృత్యం 9.4 (స్ప్రింగ్ / Slinky): స్ప్రింగ్ ఒక చివర పట్టుకుని సాగదీసి మరో చివర నెడితే ఆటంకం స్ప్రింగ్ వెంట ప్రయాణిస్తుంది. నెట్టడం, లాగడం మార్చి మార్చి చేస్తే చుట్లు దగ్గరయ్యే చోట్లు సంపీడనాలు (C), దూరమయ్యే చోట్లు విరళనాలు (R) అవుతాయి. స్ప్రింగ్‌పై గుర్తు పెట్టిన చుక్క ప్రసరణ దిశకు సమాంతరంగా ముందుకూ వెనుకకూ కదులుతుంది.
• అనుదైర్ఘ్య తరంగం (Longitudinal wave): యానక కణాలు తరంగ ప్రసరణ దిశకు సమాంతరంగా తమ విశ్రాంతి స్థానం చుట్టూ ముందుకూ వెనుకకూ కంపించే తరంగం. కణాలు ఒక చోటి నుండి మరో చోటికి వెళ్లవు. ధ్వని తరంగాలు అనుదైర్ఘ్య తరంగాలు.
• తిర్యక్ తరంగం (Transverse wave): కణాలు సగటు స్థానం చుట్టూ తరంగ దిశకు లంబంగా (పైకి–కిందికి) కంపించే తరంగం.
• ఉదాహరణ: చెరువులో రాయి వేస్తే నీటి ఉపరితలంపై కనిపించే తరంగాలు తిర్యక్ తరంగాలకు ఉదాహరణ.
• కాంతి:
  1. తిర్యక్ తరంగమే, కానీ దాని డోలనాలు యానక కణాలవి కావు, పీడన/సాంద్రత మార్పులూ కావు
  2. అది యాంత్రిక తరంగం కాదు. తిర్యక్ తరంగాల గురించి పై తరగతుల్లో చదువుతారు.

ధ్వని తరంగాన్ని పౌనఃపున్యం (frequency), కంపన పరిమితి (amplitude), వడి (speed) అనే మూడు లక్షణాలతో వివరిస్తారు. దాని గ్రాఫ్ సాంద్రత, పీడనం దూరంతో ఎలా మారతాయో చూపిస్తుంది.

• గ్రాఫ్ అర్థం:
  1. ఇచ్చిన క్షణంలో యానక సాంద్రత, పీడనం సగటు విలువకు పైన, కింద దూరంతో మారతాయి. గ్రాఫ్‌లో పై భాగం (శృంగం – crest) సంపీడనాలను (గరిష్ఠ సంపీడనం = గరిష్ఠ సాంద్రత, పీడనం) సూచిస్తుంది
  2. కింది భాగం (ద్రోణి – trough) విరళనాలను సూచిస్తుంది.
• తరంగదైర్ఘ్యం (Wavelength, λ): వరుసగా రెండు సంపీడనాల లేదా రెండు విరళనాల మధ్య దూరం. SI ప్రమాణం మీటరు (m).
• పౌనఃపున్యం (Frequency, ν): ఒక సెకనులో జరిగే డోలనాల సంఖ్య – అంటే ఒక బిందువును సెకనుకు దాటే సంపీడనాలు/విరళనాల సంఖ్య. SI ప్రమాణం హెర్ట్జ్ (Hz). సాంద్రత గరిష్ఠం నుండి కనిష్ఠానికి, మళ్లీ గరిష్ఠానికి మారడం ఒక పూర్తి డోలనం.
• ఆవర్తన కాలం (Time period, T): ఒక పూర్తి డోలనానికి పట్టే సమయం, అంటే రెండు వరుస సంపీడనాలు/విరళనాలు స్థిర బిందువును దాటడానికి పట్టే సమయం. SI ప్రమాణం సెకను (s).
• సంబంధం: ν = 1/T. (పౌనఃపున్యం, ఆవర్తన కాలం ఒకదానికొకటి విలోమం.)
• కంపన పరిమితి (Amplitude, A): సగటు విలువకు రెండు వైపులా యానకంలో కలిగే గరిష్ఠ ఆటంకం పరిమాణం. ధ్వనికి దాని ప్రమాణం సాంద్రత లేదా పీడనం యొక్కదే.
• ప్రస్తావన (హెర్ట్జ్ పెట్టె):
  1. హెన్రిక్ రుడాల్ఫ్ హెర్ట్జ్ 22 ఫిబ్రవరి 1857న జర్మనీలోని హాంబర్గ్‌లో జన్మించాడు
  2. బెర్లిన్ విశ్వవిద్యాలయంలో చదివాడు. మాక్స్‌వెల్ విద్యుదయస్కాంత సిద్ధాంతాన్ని ప్రయోగాలతో ధ్రువీకరించాడు
  3. రేడియో, టెలిఫోన్, టెలిగ్రాఫ్, టెలివిజన్ అభివృద్ధికి పునాది వేశాడు
  4. కాంతివిద్యుత్ ఫలితాన్ని (photoelectric effect) కనుగొన్నాడు (దీన్ని తర్వాత ఐన్‌స్టీన్ వివరించాడు). పౌనఃపున్య SI ప్రమాణానికి అతని పేరే పెట్టారు.
• సాదృశ్యం: డ్రమ్ము సెకనుకు ఎన్నిసార్లు కొడతారో అది కొట్టే పౌనఃపున్యం.

ఆర్కెస్ట్రాలో వయొలిన్, వేణువు ఒకేసారి వాయిస్తే రెండు ధ్వనులూ ఒకే యానకం (గాలి) ద్వారా ఒకే వడితో చెవికి చేరతాయి. అయినా రెండూ వేరుగా వినిపించడానికి ధ్వని లక్షణాలు కారణం. ఈ లక్షణాలు తరంగ లక్షణాలపై ఆధారపడతాయి.

• తారస్థాయి (Pitch): ఉద్గార ధ్వని పౌనఃపున్యాన్ని మెదడు అర్థం చేసుకునే తీరు. మూలం ఎంత వేగంగా కంపిస్తే పౌనఃపున్యం అంత ఎక్కువ, తారస్థాయి అంత ఎక్కువ. వేర్వేరు పరిమాణాలు, స్థితులున్న వస్తువులు వేర్వేరు పౌనఃపున్యాల్లో కంపించి వేర్వేరు తారస్థాయి ధ్వనులిస్తాయి.
• గాఢత/తీవ్రత (Loudness): ధ్వని గట్టిదనం లేదా మృదుత్వం ప్రధానంగా కంపన పరిమితిపై ఆధారపడుతుంది. వస్తువును ఎంత బలంగా కంపింపజేస్తే పరిమితి అంత ఎక్కువ. బల్లను మెల్లగా కొడితే తక్కువ శక్తి (తక్కువ పరిమితి) గల మృదు ధ్వని, గట్టిగా కొడితే పెద్ద ధ్వని వినిపిస్తుంది.

• ధ్వని గుణం (Quality / Timbre – పుస్తకంలో 'timber' అని తప్పుగా ముద్రణ): ఒకే తారస్థాయి, ఒకే గాఢత గల రెండు ధ్వనులను వేరు చేసి గుర్తించే లక్షణం. చీకటి గదిలో స్నేహితుని గొంతును గుర్తించడానికి ఇదే సహాయపడుతుంది. సొంపైన ధ్వనిని ఉన్నత గుణం గలదంటారు.
• స్వరం (Tone):
  1. ఒకే పౌనఃపున్యం గల ధ్వని. నోటు/స్వరమేళం (Note): అనేక పౌనఃపున్యాల మిశ్రమం
  2. వినడానికి ఆహ్లాదకరం. శబ్దం/కోలాహలం (Noise): చెవికి అప్రియమైన ధ్వని. సంగీతం ఆహ్లాదకరం, ఉన్నత గుణం గలది.
• ప్రశ్నల సారం: గాఢతను నిర్ణయించేది కంపన పరిమితి, తారస్థాయిని నిర్ణయించేది పౌనఃపున్యం. గిటార్ ధ్వని కంటే కారు హారన్ తారస్థాయి ఎక్కువ అనే అంచనా పుస్తకం ప్రశ్న (పౌనఃపున్యం ఎక్కువైతే తారస్థాయి ఎక్కువ అనే సూత్రం ఆధారంగా).

'గాఢత', 'తీవ్రత' అనే పదాలను కొన్నిసార్లు ఒకే అర్థంలో వాడినా అవి ఒకటి కావు.

• ధ్వని తీవ్రత (Intensity): ప్రతి సెకనుకు ప్రమాణ వైశాల్యం గుండా వెళ్లే ధ్వని శక్తి పరిమాణం. ఇది భౌతికంగా కొలవగల రాశి.
• గాఢత (Loudness): ధ్వనికి చెవి ఇచ్చే ప్రతిస్పందన కొలత – శారీరక (physiological) ప్రతిస్పందన.
• రెండు ధ్వనులు సమాన తీవ్రత కలిగి ఉన్నా, చెవి ఒకదాన్ని బాగా గుర్తించగలిగితే అది ఎక్కువ గాఢంగా అనిపిస్తుంది.
• అందువల్ల తీవ్రత = ధ్వని శక్తి పరంగా (వస్తు సంబంధం), గాఢత = చెవి అనుభూతి (వ్యక్తి సంబంధం).
• తరంగ లక్షణాలతో సంబంధం: తారస్థాయి, గాఢత, గుణం వంటి ధ్వని లక్షణాలు వాటికి అనుగుణమైన తరంగ లక్షణాలచే నిర్ణయమవుతాయి. గాఢత చెవి ప్రతిస్పందన కాగా తీవ్రతను కొలవవచ్చు.
• ధ్వని వడి: ఏ మూలం నుండి వచ్చినా ధ్వని వడి సమానమే (ఒకే యానకంలో). కానీ తారస్థాయి, గాఢత, గుణం వేరుగా ఉంటాయి.
• అధిక తీవ్రత: ఎక్కువ కంపన పరిమితి ఉంటే ఎక్కువ శక్తి, అందువల్ల ధ్వని దూరం ఎక్కువ వెళ్తుంది.

ధ్వని వడి అంటే తరంగంపై ఒక బిందువు (సంపీడనం లేదా విరళనం) ప్రమాణ కాలంలో ప్రయాణించే దూరం.

• సూత్రం: వడి v = దూరం / కాలం. ఒక ఆవర్తన కాలం T లో తరంగం ఒక తరంగదైర్ఘ్యం λ దూరం ప్రయాణిస్తుంది, కాబట్టి v = λ/T. ν = 1/T కాబట్టి v = λ × ν (వడి = తరంగదైర్ఘ్యం × పౌనఃపున్యం).
• ఒకే యానకంలో, ఒకే భౌతిక పరిస్థితుల్లో అన్ని పౌనఃపున్యాల ధ్వనుల వడి దాదాపు సమానం.
• ఉదాహరణ 9.1: పౌనఃపున్యం 2 kHz = 2000 Hz, తరంగదైర్ఘ్యం 35 cm = 0.35 m. v = 0.35 × 2000 = 700 m/s. 1.5 km (1500 m) ప్రయాణానికి కాలం = 1500/700 ≈ 2.1 s.
• ప్రశ్న: 220 Hz, వడి 440 m/s అయితే తరంగదైర్ఘ్యం λ = v/ν = 440/220 = 2 m.
• ప్రశ్న: 500 Hz స్వరం, వినేవారు 450 m దూరం – వరుస సంపీడనాల మధ్య కాల వ్యవధి = ఆవర్తన కాలం T = 1/500 = 0.002 s (దూరం ఇక్కడ అవసరం లేదు).
• అభ్యాసం 6:
  1. వినికిడి పరిధి 20 Hz నుండి 20 kHz
  2. గాలిలో వడి 344 m/s. λ(20 Hz) = 344/20 = 17.2 m
  3. λ(20 kHz) = 344/20000 = 0.0172 m (1.72 cm).
• అభ్యాసం 8: 100 Hz మూలం నిమిషంలో 100 × 60 = 6000 సార్లు కంపిస్తుంది.
• అభ్యాసం 13: వడి 339 m/s, తరంగదైర్ఘ్యం 1.5 cm = 0.015 m ⇒ ν = 339/0.015 = 22600 Hz (22.6 kHz). ఇది 20 kHz కంటే ఎక్కువ కాబట్టి వినిపించదు (అతిధ్వని).
• మెరుపు–ఉరుము (అభ్యాసం 5): మెరుపు, ఉరుము ఒకేసారి పుట్టినా మెరుపు ముందుగా కనిపిస్తుంది, ఉరుము కొన్ని సెకన్ల తర్వాత వినిపిస్తుంది – కాంతి వడి ధ్వని వడి కంటే చాలా ఎక్కువ (కాంతి వడి సుమారు 3 × 10⁸ m/s – వెలుపలి వాస్తవం).

ధ్వని పరిమిత వడితో ప్రయాణిస్తుంది. ఉరుము మెరుపు తర్వాత వినిపించడమే ఇందుకు నిదర్శనం. ధ్వని వడి కాంతి వడి కంటే చాలా తక్కువ.

• ఆధారపడేవి: ధ్వని వడి యానకం స్వభావంపై, ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడుతుంది.
• ఘన స్థితి నుండి వాయు స్థితికి వెళ్తే వడి తగ్గుతుంది
• అంటే ఘనాల్లో ఎక్కువ, ద్రవాల్లో మధ్యస్థం, వాయువుల్లో తక్కువ.
• ఏ యానకంలోనైనా ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే ధ్వని వడి పెరుగుతుంది. గాలిలో 0 °C వద్ద 331 m/s, 22 °C వద్ద 344 m/s.
• పట్టిక 9.1 (25 °C వద్ద వడి, m/s) – విలువలు కంఠస్థం చేయాల్సిన అవసరం లేదని పుస్తకం చెప్పింది:
• ఘనాలు:
  1. అల్యూమినియం 6420
  2. నికెల్ 6040
  3. ఉక్కు (steel) 5960
  4. ఇనుము 5950
  5. ఇత్తడి 4700
  6. గాజు (ఫ్లింట్) 3980.
• ద్రవాలు:
  1. సముద్ర నీరు 1531
  2. స్వేదన (distilled) నీరు 1498
  3. ఇథనాల్ 1207
  4. మిథనాల్ 1103.
• వాయువులు:
  1. హైడ్రోజన్ 1284
  2. హీలియం 965
  3. గాలి 346
  4. ఆక్సిజన్ 316
  5. సల్ఫర్ డయాక్సైడ్ 213.
• ప్రశ్న: గాలి, నీరు, ఇనుములలో ఒకే ఉష్ణోగ్రత వద్ద ధ్వని వేగంగా ప్రయాణించేది ఇనుములో (5950 m/s).
• అభ్యాసం 7 (అల్యూమినియం కడ్డీ): కడ్డీ ఒక చివర కొడితే రెండో చివర ఉన్న పిల్లవాడికి గాలి, అల్యూమినియం ద్వారా వచ్చే ధ్వని కాలాల నిష్పత్తి = v(Al)/v(గాలి) = 6420/346 ≈ 18.55 (పుస్తకం జవాబు 18.55). 344 m/s వాడితే 18.66 వస్తుంది.
• ముద్రణ దోష సవరణ: జవాబుల పట్టికలో సంఖ్యలు ఒక ప్రశ్న వెనుకకు జరిగాయి (7, 8, 9, 13, 14 అని ఉన్నవి వాస్తవానికి అభ్యాసం 6, 7, 8, 12, 13 జవాబులు).

ధ్వని కూడా కాంతి లాగా ఘన లేదా ద్రవ తలం వద్ద పరావర్తనం (reflection) చెందుతుంది – రబ్బరు బంతి గోడను తాకి తిరిగి వచ్చినట్లు.

• పరావర్తన నియమాలు (కాంతిలాగే):
  1. ధ్వని పతనమయ్యే దిశ, పరావర్తనం చెందే దిశలు తల బిందువు వద్ద లంబంతో సమాన కోణాలు చేస్తాయి (పతన కోణం = పరావర్తన కోణం)
  2. పతన దిశ, పరావర్తన దిశ, లంబం – ఈ మూడూ ఒకే తలంలో ఉంటాయి.
• పరావర్తనానికి పెద్ద పరిమాణం గల అడ్డంకి కావాలి
• అది నునుపుగానైనా గరుకుగానైనా ఉండవచ్చు.
• ధ్వని కాంతి లాగే పరావర్తన నియమాలను పాటిస్తుంది (అభ్యాసం 9).
• కృత్యం 9.5: చార్టు కాగితంతో చేసిన రెండు సమాన పొడవైన గొట్టాలను గోడ దగ్గర బల్లపై అమరుస్తారు. ఒక గొట్టం తెరిచిన చివర గడియారం (లేదా వైబ్రేట్ మోడ్‌లో ఫోన్) ఉంచి రెండో గొట్టం ద్వారా వినే ప్రయత్నం చేస్తారు. స్థానాలు సర్దితే ధ్వని స్పష్టంగా వినిపించే స్థానం దొరుకుతుంది. అప్పుడు పతన, పరావర్తన కోణాలను కొలిస్తే అవి సమానంగా ఉంటాయి. కుడి గొట్టాన్ని కొంచెం పైకి నిలువుగా లేపితే ధ్వని వినిపించదు – మూడూ ఒకే తలంలో ఉండాలనే నియమానికి ఇది రుజువు.

కొండ లేదా ఎత్తైన భవనం దగ్గర అరిస్తే లేదా చప్పట్లు కొడితే కొంత సమయం తర్వాత అదే ధ్వని మళ్లీ వినిపిస్తుంది; దాన్ని ప్రతిధ్వని (Echo) అంటారు.

• 0.1 s నియమం: ధ్వని అనుభూతి మన మెదడులో సుమారు 0.1 s పాటు నిలిచి ఉంటుంది. స్పష్టమైన ప్రతిధ్వని వినిపించాలంటే అసలు ధ్వనికి, పరావర్తన ధ్వనికి మధ్య కాల వ్యవధి కనీసం 0.1 s ఉండాలి.
• కనిష్ఠ దూరం: 22 °C వద్ద గాలిలో వడి 344 m/s అనుకుంటే ధ్వని వెళ్లి తిరిగి రావడానికి కనీస మొత్తం దూరం = 344 × 0.1 = 34.4 m. అందువల్ల అడ్డంకి కనీస దూరం దీనిలో సగం = 17.2 m. ఈ దూరం గాలి ఉష్ణోగ్రతతో మారుతుంది.
• ప్రతిధ్వని సూత్రం: ధ్వని మూలం నుండి అడ్డంకికి, తిరిగి వెనక్కి వచ్చేందుకు 2d = v × t.
• ఉదాహరణ 9.2: కొండ దగ్గర చప్పట్లు కొట్టగా 2 s తర్వాత ప్రతిధ్వని వినిపించింది (v = 346 m/s). ధ్వని ప్రయాణించిన మొత్తం దూరం = 346 × 2 = 692 m. ఇది అడ్డంకికి వెళ్లి రావడానికి రెండు రెట్లు, కాబట్టి కొండ దూరం = 692/2 = 346 m.
• ప్రశ్న: 3 s తర్వాత ప్రతిధ్వని వినిపిస్తే (v = 342 m/s) దూరం = 342 × 3 / 2 = 513 m.
• అనేక ప్రతిధ్వనులు: వరుస లేదా బహుళ పరావర్తనాల వల్ల ప్రతిధ్వని ఒకటికంటే ఎక్కువసార్లు వినిపించవచ్చు. ఉరుము గర్జనగా వినిపించడం మేఘాలు, భూమి వంటి అనేక తలాల నుండి వరుస పరావర్తనాల వల్లే.
• వేడి రోజు (అభ్యాసం 10):
  1. ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే ధ్వని వడి పెరుగుతుంది. దూరం అదే అయితే t = 2d/v తగ్గుతుంది, కాబట్టి ప్రతిధ్వని త్వరగా తిరిగి వస్తుంది
  2. ఈ కాలం 0.1 s కంటే తగ్గితే స్పష్టంగా వినిపించదు. (కనిష్ఠ దూరం కూడా వేడిలో ఎక్కువవుతుంది.)
• అభ్యాసం 12: 500 m ఎత్తు గోపురం పై నుండి రాయి వదిలారు (g = 10 m/s²). పడే కాలం: 500 = ½ × 10 × t² ⇒ t = 10 s. చప్పుడు పైకి చేరే కాలం = 500/340 ≈ 1.47 s. మొత్తం = 10 + 1.47 = 11.47 s (పుస్తకం జవాబు 11.47 s).

పెద్ద హాలులో పుట్టిన ధ్వని గోడల నుండి పదే పదే పరావర్తనం చెంది వినిపించనంత తక్కువయ్యే వరకు నిలిచి ఉంటుంది.

• అనురణనం (Reverberation): పునరావృత పరావర్తనాల వల్ల ధ్వని హాలులో నిలిచి ఉండటం. ఆడిటోరియంలో ఇది ఎక్కువైతే అవాంఛనీయం.
• తగ్గించడం:
  1. పైకప్పు, గోడలను సంపీడన ఫైబర్ బోర్డు, గరుకు ప్లాస్టర్, తెరలు (draperies) వంటి ధ్వని శోషక పదార్థాలతో కప్పుతారు
  2. కూర్చునే సీట్ల పదార్థాలను కూడా శోషణ లక్షణాల ఆధారంగా ఎంచుకుంటారు.
• బహుళ పరావర్తన ఉపయోగాలు:
  1. మెగాఫోన్ (లౌడ్‌హెయిలర్), హారన్లు, ట్రంపెట్, షెహనాయ్ వంటి వాయిద్యాలు ధ్వనిని అన్ని దిశల్లో వ్యాపించనీయకుండా ఒక దిశలో పంపేలా రూపొందించారు. వీటిలో గొట్టం తర్వాత శంకు ఆకార ముఖద్వారం వరుసగా పరావర్తనం చేసి ధ్వనిలో అధిక భాగాన్ని ముందుకు శ్రోతల వైపు మళ్లిస్తుంది.
  2. స్టెతస్కోప్: శరీరంలోని, ముఖ్యంగా గుండె, ఊపిరితిత్తుల ధ్వనులు వినడానికి వైద్య పరికరం; రోగి గుండె చప్పుడు బహుళ పరావర్తనం ద్వారా డాక్టర్ చెవులకు చేరుతుంది.
  3. కచేరీ హాళ్లు, సమావేశ మందిరాలు, సినిమా హాళ్ల పైకప్పులను వంపుగా తయారు చేస్తారు – పరావర్తన ధ్వని హాలు అన్ని మూలలకూ చేరడానికి. వేదిక వెనుక వంపు ధ్వని పలక (sound board) ఉంచితే పరావర్తనం చెందిన ధ్వని హాలు వెడల్పు అంతటా సమానంగా వ్యాపిస్తుంది.
• అభ్యాసం 11, 14:
  1. పరావర్తన ఉపయోగాలు – మెగాఫోన్, స్టెతస్కోప్, వంపు పైకప్పు
  2. అనురణనం అంటే పునరావృత పరావర్తనం వల్ల ధ్వని నిలవడం, దీన్ని శోషక పదార్థాలతో తగ్గిస్తారు.

మానవులకు వినిపించే ధ్వని పౌనఃపున్య పరిధిని శ్రవ్య పరిధి (audible range) అంటారు.

• మానవ శ్రవ్య పరిధి:
  1. సుమారు 20 Hz నుండి 20000 Hz (20 kHz). 1 Hz = సెకనుకు ఒక చక్రం
  2. 1 kHz = 1000 Hz.
• అయిదేళ్ల లోపు పిల్లలు, కుక్కల వంటి కొన్ని జంతువులు 25 kHz వరకు వినగలవు. వయసు పెరిగే కొద్దీ చెవులు అధిక పౌనఃపున్యాలకు తక్కువ సున్నితంగా మారతాయి.
• పరశ్రావ్య ధ్వని (Infrasound):
  1. 20 Hz కంటే తక్కువ పౌనఃపున్యం. వినగలిగితే లోలకం కంపనాలనూ తేనెటీగ రెక్కల కంపనాల్లా వినగలం. ఖడ్గమృగం (Rhinoceros) 5 Hz వరకు తక్కువ పౌనఃపున్యంతో సంభాషిస్తుంది
  2. తిమింగలాలు, ఏనుగులు పరశ్రావ్య ధ్వనులు పుట్టిస్తాయి.
• భూకంపం:
  1. భూకంపంలో ప్రధాన ప్రకంపన తరంగాలకు ముందు తక్కువ పౌనఃపున్య పరశ్రావ్య ధ్వనులు పుడతాయి
  2. అందువల్ల కొన్ని జంతువులు భూకంపానికి ముందు కలవరపడతాయని పరిశీలన.
• అతిధ్వనులు (Ultrasound): 20 kHz కంటే ఎక్కువ పౌనఃపున్యం. డాల్ఫిన్లు, గబ్బిలాలు, పోర్పాయిస్‌లు పుట్టిస్తాయి. కొన్ని కుటుంబాల చిమ్మెట (moth)లకు అతి సున్నితమైన వినికిడి ఉండి గబ్బిలాల అధిక పౌనఃపున్య కూతలను విని తప్పించుకుంటాయి. ఎలుకలు అతిధ్వనులతో ఆటలాడతాయి.
• వినికిడి యంత్రం (Hearing aid):
  1. వినికిడి లోపం గల వారికి ఉపయోగపడే బ్యాటరీతో పనిచేసే ఎలక్ట్రానిక్ పరికరం. మైక్రోఫోన్ ధ్వని తరంగాలను విద్యుత్ సంకేతాలుగా మారుస్తుంది
  2. యాంప్లిఫయర్ ఆ సంకేతాలను పెద్దవి చేస్తుంది
  3. స్పీకర్ వాటిని మళ్లీ ధ్వనిగా మార్చి చెవికి పంపుతుంది.

అతిధ్వనులు అధిక పౌనఃపున్య తరంగాలు; అడ్డంకులున్నా నిర్దిష్ట మార్గాల్లో ప్రయాణించగలవు. పరిశ్రమల్లో, వైద్యంలో విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు.

• శుభ్రపరచడం:
  1. స్పైరల్ గొట్టం, వింత ఆకారాల భాగాలు, ఎలక్ట్రానిక్ విడిభాగాలు వంటి చేరడం కష్టమైన చోట్లను శుభ్రం చేస్తారు. వస్తువులను శుభ్రపరిచే ద్రావణంలో ఉంచి అతిధ్వనులను పంపుతారు
  2. అధిక పౌనఃపున్యం వల్ల దుమ్ము, గ్రీజు, మురికి కణాలు విడివడి రాలిపోతాయి.
• లోహ దోషాల గుర్తింపు:
  1. భవనాలు, వంతెనలు, యంత్రాలు, శాస్త్రీయ పరికరాల నిర్మాణంలో వాడే లోహపు దిమ్మల్లో బయటికి కనిపించని పగుళ్లు, రంధ్రాలు బలాన్ని తగ్గిస్తాయి. అతిధ్వనులను లోహంలోకి పంపి, ప్రసారమైన తరంగాలను డిటెక్టర్లతో గమనిస్తారు
  2. చిన్న లోపం ఉన్నా అతిధ్వని పరావర్తనం చెంది వెనక్కి వచ్చి లోపాన్ని సూచిస్తుంది. పొడవైన తరంగదైర్ఘ్యం గల సాధారణ ధ్వని లోప ప్రాంతం మూలల చుట్టూ వంగి (bend) డిటెక్టర్‌లోకి చేరుతుంది కాబట్టి ఈ పనికి పనికిరాదు.
• ఎకోకార్డియోగ్రఫీ (Echocardiography): అతిధ్వనులను గుండె వివిధ భాగాల నుండి పరావర్తనం చెందించి గుండె ప్రతిబింబం (image) తయారు చేసే పద్ధతి.
• అల్ట్రాసోనోగ్రఫీ (Ultrasonography):
  1. అల్ట్రాసౌండ్ స్కానర్ శరీరంలోని కాలేయం, పిత్తాశయం (gall bladder), గర్భాశయం, మూత్రపిండాల వంటి అవయవాల ప్రతిబింబాలు ఇస్తుంది. పిత్తాశయం, మూత్రపిండాల్లో రాళ్లు, వివిధ అవయవాల్లో కణితులు (tumours) వంటి అసాధారణతలను గుర్తించడానికి వైద్యులకు తోడ్పడుతుంది. తరంగాలు శరీర కణజాలాల గుండా వెళ్లి, కణజాల సాంద్రత మారే చోటు నుండి పరావర్తనం చెందుతాయి
  2. వాటిని విద్యుత్ సంకేతాలుగా మార్చి మానిటర్‌పై లేదా ఫిల్మ్‌పై ప్రతిబింబం చూపుతారు.
• గర్భంలోని పిండాన్ని పరీక్షించి పుట్టుకతో వచ్చే లోపాలు (congenital – పుస్తకంలో 'congenial' అని ముద్రణ దోషం), ఎదుగుదల అసాధారణతలను కనుగొనడానికి కూడా అల్ట్రాసోనోగ్రఫీ వాడతారు.
• మూత్రపిండ రాళ్లు:
  1. అతిధ్వనులతో చిన్న రాళ్లను సన్నని రేణువులుగా విరగ్గొడతారు
  2. ఆ రేణువులు మూత్రంతో బయటకు కొట్టుకుపోతాయి.

ధ్వని అధ్యాయం సారాంశం, అభ్యాసాల్లోని సిద్ధాంత ప్రశ్నల జవాబుల సారం.

• ధ్వని వివిధ వస్తువుల కంపనం వల్ల పుడుతుంది
• అది యానకం ద్వారా అనుదైర్ఘ్య తరంగంగా, సంపీడన–విరళనాల వరుసగా ప్రయాణిస్తుంది.
• ప్రసరణలో ప్రయాణించేది ధ్వని శక్తి, యానక కణాలు కావు.
• సాంద్రత/పీడనం గరిష్ఠం నుండి కనిష్ఠానికి, మళ్లీ గరిష్ఠానికి మారితే ఒక పూర్తి డోలనం. వరుస రెండు సంపీడనాల (లేదా విరళనాల) మధ్య దూరం తరంగదైర్ఘ్యం λ
• ఒక డోలనానికి పట్టే కాలం ఆవర్తన కాలం T
• ఒక సెకనులోని పూర్తి డోలనాల సంఖ్య పౌనఃపున్యం ν = 1/T.
• వడి, పౌనఃపున్యం, తరంగదైర్ఘ్యం సంబంధం v = λν. ధ్వని వడి ప్రధానంగా యానకం స్వభావంపై, ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడుతుంది.
• పరావర్తన నియమం: పతన, పరావర్తన దిశలు లంబంతో సమాన కోణాలు చేస్తాయి, మూడూ ఒకే తలంలో ఉంటాయి.
• స్పష్ట ప్రతిధ్వనికి అసలు, పరావర్తన ధ్వనుల మధ్య కాలం కనీసం 0.1 s.
• ఆడిటోరియంలో ధ్వని నిలవడం పునరావృత పరావర్తనం – అనురణనం.
• తారస్థాయి, గాఢత, గుణం ధ్వని లక్షణాలు
• ఇవి తరంగ లక్షణాల వల్ల నిర్ణయమవుతాయి. గాఢత చెవి ప్రతిస్పందన
• తీవ్రత = సెకనుకు ప్రమాణ వైశాల్యం గుండా వెళ్లే ధ్వని శక్తి.
• మానవ శ్రవ్య పరిధి 20 Hz – 20 kHz
• అంతకంటే తక్కువ = పరశ్రావ్యం, ఎక్కువ = అతిధ్వనులు
• అతిధ్వనులకు వైద్య, పారిశ్రామిక ఉపయోగాలు.
• అభ్యాసం 1:
  1. ధ్వని అంటే వినికిడి అనుభూతిని కలిగించే శక్తి రూపం
  2. కంపించే వస్తువుల వల్ల పుడుతుంది.
• అభ్యాసం 2, 3: కంపించే వస్తువు ముందుకు కదిలితే గాలి నొక్కుకుని సంపీడనం, వెనక్కి కదిలితే విరళనం ఏర్పడతాయి. కణాలు ప్రసరణ దిశకు సమాంతరంగా కంపిస్తాయి కాబట్టి ధ్వని అనుదైర్ఘ్య తరంగం.
• అభ్యాసం 4: చీకటి గదిలో స్నేహితుని స్వరాన్ని గుర్తించడానికి తోడ్పడే లక్షణం ధ్వని గుణం (timbre).
• అభ్యాసం 15:
  1. గాఢత అంటే చెవి ప్రతిస్పందన
  2. ఇది ప్రధానంగా కంపన పరిమితి (బలంగా కంపింపజేస్తే ఎక్కువ) మీద ఆధారపడుతుంది.
• అభ్యాసం 16, 17:
  1. శుభ్రపరిచే ద్రావణంలో అతిధ్వనులతో మురికి విడిపోతుంది
  2. లోహంలో లోపం అతిధ్వనులను పరావర్తనం చెందిస్తుంది.