11.2-Propagation of Sound
11.2-Propagation of Sound Important Formulae
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- Generalise that sound travels as successive compressions and rarefactions in the medium.
- Relate frequency, amplitude and speed of a sound wave to determine its loudness and frequency.
- Interpret the graphical representation of sound waves to determine its frequency, amplitude, and speed.
- Relate properties of the medium through which sound travels to its speed.
11.2 Propagation of Sound
Sound is a form of energy that travels in waves through different media. Understanding how sound propagates is essential for grasping its characteristics and behavior in various environments.
11.2.1 Sound Waves Are Longitudinal Waves
Sound waves are classified as longitudinal waves. In a longitudinal wave, the particles of the medium vibrate parallel to the direction of the wave's propagation. This can be illustrated through the following points:
- Compression: As the sound wave travels, regions where particles are closer together are known as compressions. Here, the pressure is higher due to the crowding of particles.
- Rarefaction: In contrast, regions where particles are spread apart are called rarefactions. Here, the pressure is lower.
As sound travels through the medium, the energy is transferred from one particle to another, allowing the sound to move even though the individual particles do not travel with the wave.
11.2.2 Characteristics of a Sound Wave
Sound waves possess several characteristics that define their behavior and perception:
- Amplitude: This refers to the maximum displacement of particles from their rest position. It is related to the loudness of the sound; larger amplitudes produce louder sounds.
- Frequency: The frequency of a sound wave is the number of vibrations or cycles per second, measured in hertz (Hz). Higher frequency results in higher-pitched sounds, while lower frequency corresponds to lower-pitched sounds.
- Wavelength: The wavelength is the distance between two consecutive compressions or rarefactions. It is inversely proportional to frequency, given by the formula: $$\text{Wavelength} = \frac{v}{f}$$ where $v$ is the speed of sound and $f$ is the frequency.
- Speed: The speed of sound is the distance traveled by sound in a given time. It varies with the medium through which it is traveling, as discussed in the next section.
11.2.3 Speed of Sound in Different Media
The speed of sound varies depending on the medium it travels through. It is affected by factors such as temperature and density:
- In Solids: Sound travels fastest in solids because the particles are closely packed, allowing efficient energy transfer. For example, the speed of sound in steel is approximately $5000 \, \text{m/s}$.
- In Liquids: Sound travels slower in liquids than in solids but faster than in gases. For instance, the speed of sound in water is around $1500 \, \text{m/s}$.
- In Gases: Sound travels slowest in gases due to the large distances between particles. The speed of sound in air at room temperature (20°C) is approximately $343 \, \text{m/s}$.
Temperature also influences the speed of sound in gases. As the temperature increases, the speed of sound increases due to higher kinetic energy of the gas particles.
Kulayada, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
11.2 - ध्वनि का प्रसार (Propagation of Sound)
ध्वनि एक तरंग के रूप में प्रसारित होती है। यह यांत्रिक तरंगों का एक प्रकार है, जो किसी भी माध्यम (ठोस, तरल या गैस) के माध्यम से फैलती है। ध्वनि का प्रसार तब होता है जब एक कण दूसरे कण को स्पर्श करता है और उसकी गति को आगे बढ़ाता है।
1. ध्वनि के प्रसार का तरीका
ध्वनि तरंगों का प्रसार कम्पन के माध्यम से होता है। जब ध्वनि स्रोत (जैसे कि एक आवाज) किसी माध्यम (जैसे कि हवा) से संपर्क करती है, तो वह कणों को कम्पित करती है। ये कण अपने आसपास के कणों को भी कम्पित करते हैं, और इस प्रकार ध्वनि तरंगों का प्रसार होता है।
2. माध्यम का प्रकार और ध्वनि का प्रसार
ध्वनि की गति प्रत्येक माध्यम में भिन्न होती है। यह ठोस, तरल और गैस के रूप में अलग-अलग होती है:
- ठोस: ध्वनि ठोस पदार्थों में सबसे तेज़ फैलती है। यह कणों के पास-पास होने के कारण जल्दी गति करती है।
- तरल: तरल पदार्थों में ध्वनि की गति ठोस पदार्थों से थोड़ी कम होती है।
- गैस: गैसों में ध्वनि की गति सबसे धीमी होती है क्योंकि कणों के बीच की दूरी अधिक होती है।
3. ध्वनि की गति (Speed of Sound)
ध्वनि की गति का निर्धारण माध्यम के गुणांक, जैसे कि घनत्व और तापमान पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, हवा में ध्वनि की गति सामान्य तापमान पर लगभग 343 मीटर प्रति सेकंड होती है।
ध्वनि की गति की सामान्य परिभाषा निम्नलिखित है:
गति (v) = $\sqrt{\dfrac{B}{\rho}}$
जहां,
v = ध्वनि की गति
B = माध्यम का बल (Bulk Modulus)
$\rho$ = माध्यम का घनत्व
4. तरंगों के प्रकार
ध्वनि तरंगें तीन प्रकार की होती हैं:
- दैहिक तरंगें (Longitudinal Waves): ये तरंगें कणों की गति के अनुसार चलती हैं, जो सामान्य दिशा में होती है। यह ध्वनि की प्रमुख प्रकार है।
- आड़ा तरंगें (Transverse Waves): इस प्रकार की तरंगों में कणों की गति लहरों के अनुप्रस्थ दिशा में होती है, लेकिन ये ध्वनि के लिए लागू नहीं होती हैं।
- मिश्रित तरंगें (Complex Waves): इनमें दोनों प्रकार की गति होती है, लेकिन ये ध्वनि के प्रसार में कम प्रचलित होती हैं।
5. दबाव और कम्पन
जब कण एक स्थान पर दबाव बढ़ाते हैं तो इसे सघनन (Compression) कहते हैं, और जब कण एक दूसरे से दूर होते हैं तो इसे विस्तारण (Rarefaction) कहते हैं। ध्वनि की तरंगों में सघनन और विस्तार एक-दूसरे के बाद आते हैं, जिससे ध्वनि का प्रसार होता है।
6. तापमान का प्रभाव
तापमान भी ध्वनि की गति पर प्रभाव डालता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, ध्वनि की गति में भी वृद्धि होती है। उदाहरण के लिए, वायुमंडलीय तापमान में वृद्धि से हवा में ध्वनि की गति बढ़ती है।
तापमान और ध्वनि की गति का संबंध निम्नलिखित है:
v = v₀ $\sqrt{\dfrac{T}{T₀}}$
जहां,
v = तापमान T पर ध्वनि की गति
v₀ = मानक तापमान T₀ पर ध्वनि की गति
T = तापमान
T₀ = मानक तापमान (273K)