ध्वनिकी

ध्वनिकी : (इमारतींची व वातावरणीय). मोठमोठी सभागृहे, नाटकगृहे, चित्रपटगृहे यांच्या इमारती बांधत असताना, त्यांमध्ये एका ठिकाणी बोललेले शब्द वा गायन त्या गृहांत उपस्थित असलेल्या प्रत्येक व्यक्तीस स्पष्टपणे ऐकू येण्याच्या दृष्टीने त्यांची बांधणी करणे आवश्यक असते. ह्या ध्वनिकीच्या शास्त्रात इमारतींमध्ये निर्माण होणारा, पण नको असलेला ध्वनी कमी करणे किंवा गोंगाट टाळणे, बाहेरील आवाज आत न येऊ देणे व फक्त जरूर असलेला ध्वनी श्रोत्यांकडे योग्य त्या तीव्रतेने व सुश्राव्यपणे पोचविणे, ह्या गोष्टी येतात. विसाव्या शतकापूर्वी फारच थोड्या इमारती ह्या दृष्टीने दोषरहित होत्या. वातावरणीय ध्वनिकीमध्ये ध्वनीचे वातावरणातील प्रेषण, त्याची गती इ. गोष्टींचे विवरण करण्यात येते.

इमारतींची ध्वनिकी : ध्वनीचे परावर्तन : प्रकाशतरंगांचे ज्याप्रमाणे परावर्तन होते, त्याच नियमास अनुसरून ध्वनितरंगांचेही परावर्तन होते. अंतर्गोल आरशावर पडणारे प्रकाशतरंग ज्याप्रमाणे परावर्तित होऊन केंद्राशी एकत्र येतात त्याचप्रमाणे अंतर्गोल पृष्ठभागावर पडणारे ध्वनितरंग परावर्तित होऊन केंद्राशी एकत्र येतात. आ. १. मध्ये प आणि फ हे दोन अंतर्गोल पृष्ठभाग दाखविले आहेत. प ह्या पृष्ठभागाच्या अ ह्या केंद्रावर घड्याळ ठेवल्यास त्याचा टिक्‌ टिक्‌ आवाज फ पृष्ठभागाच्या आ ह्या केंद्रावर स्पष्ट ऐकू येतो. अ आणि आ ह्या केंद्राच्या मध्ये असलेल्या भागात आवाज अगदीच अस्पष्ट ऐकू येतो.

बहिर्गोलाकार पृष्ठभागावरून परावर्तित होणाऱ्या ध्वनिकिरणांचे अपसरण होते.

एखाद्या सपाट भिंतीसमोर दूर उभे राहून जोराने टाळी वाजविली असता त्यामुळे होणारा ध्वनी समोरच्या भिंतीवर परावर्तित होऊन मूळ ध्वनीनंतर आपणास ऐकू येतो. ह्या परावर्तित ध्वनीस ⇨ प्रतिध्वनीअसे म्हणतात. वास्तविक कितीही अंतरावर असणाऱ्या भिंतीवर ध्वनी आपटून प्रतिध्वनी निर्माण होतो परंतु प्रतीध्वनी आपल्या कानास स्पष्टपणे निराळा ऐकू येण्याला तो मूळ आवाजाच्या किमान ^१/_१५ सेकंद तरी मागाहून यावा लागतो. नाहीतर प्रतिध्वनी आणि मूळ आवाज हे दोन्ही एकमेकांत मिसळून कानास निरनिराळे असे भासत नाहीत. डोंगराच्या अनेक रांगा असल्यास त्या ठिकाणी अनेक प्रतीध्वनी निर्माण होतात. तसेच ध्वनी अंतर्गोल भागावरून परावर्तित होऊन जर प्रतिध्वनी निर्माण झाला, तर तो प्रतिध्वनी फार कर्कश असतो कारण परावर्तित होणारे ध्वनितरंग एकाच बिंदूत एकत्र होतात. समतल पृष्ठभागावरून येणारा प्रतिध्वनी फारच क्षीण असतो, तर बहिर्गोल भागावरून परावर्तित होणाऱ्या तरंगांचे अपसरण होत असल्यामुळे प्रतिध्वनी जवळजवळ नसतो.

ज्या ठिकाणी पायऱ्या-पायऱ्यांची रचना असेल, त्या ठिकाणी आ. २ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे ध्वनीचे परावर्तन होऊन पुष्कळ प्रतिध्वनी निर्माण होतात. पायऱ्यांमधील अंतर सारखे असल्यामुळे ऐकू येणारे प्रतिध्वनी पण सारख्याच अंतराने (वेळाने) ऐकू येतात आणि त्यामुळे एक विशिष्ट कंप्रता (दर सेंकदास होणारी कंपनांची संख्या) असलेला कर्णमधुर ध्वनी निर्माण होतो. एखाद्या रिकाम्या खोलीत भाषण केल्यास ते तितकेसे स्पष्ट ऐकू येत नाही, कारण त्या ठिकाणी बोलणाऱ्याचा स्वर खोलीत घुमल्यासारखा वाटतो. हा अनुभव देवळाच्या मोठ्या गाभाऱ्यात विशेष प्रत्ययास येतो. मोठमोठ्या सभागृहांत आणि नाट्यगृहांत वरीलप्रमाणे ध्वनी घुमल्यासारखा होऊन भाषण अथवा गायन स्पष्ट ऐकू येत नाही. याबद्दल निरनिराळे प्रयोग करून अभ्यास केला असता असे दिसून आले की, हे दोष खालील कारणांनी निर्माण होतात.

निनादन : वक्त्याने एक अक्षर उच्चारल्यानंतर त्यामुळे निर्माण होणारे ध्वनितरंग सभागृहाच्या निरनिराळ्या दिशांतील भिंतींच्या पृष्ठभागांवर पडून परावर्तित होतात. सभागृहाच्या लांबीरुंदीनुसार ध्वनितरंग परावर्तित होऊन परत येण्यास कमीजास्त वेळ लागतो व त्यामुळे त्या अक्षराच्या ध्वनीचे भिन्नभिन्न प्रतिध्वनी निर्माण होतात. हे भिन्नभिन्न प्रतिध्वनी अक्षराच्या मूळ ध्वनीनंतर थोड्याशा अल्प वेळाने श्रोत्यास ऐकू येतात व म्हणून मूळ ध्वनीनंतर त्याचा प्रतिध्वनी आपणास रेंगाळल्यासारखा वाटतो. याच अल्पावधीत वक्त्याने दुसरे अक्षर उच्चारल्यास पहिल्याचा प्रतिध्वनी व दुसऱ्या अक्षराचा मूळ ध्वनी एकमेकांत मिसळल्यास दुसरे अक्षर स्पष्टपणे ऐकू येत नाही. याचप्रमाणे पुढील सर्व भाषणही श्रोत्यांस स्पष्टपणे ऐकू येत नाही. निरनिराळ्या दिशांतील पृष्ठभागांवरचे प्रतिध्वनी एकामागून एक असे भिन्न दिशांनी येऊन मूळध्वनी थांबविल्यावर काही काळ रेंगाळण्याच्या आविष्कारास निनादन अशी संज्ञा आहे. निनादनात अनेक प्रतिध्वनी एकमेकांत मिसळलेले असल्यामुळे निनादनाचा ध्वनी सर्वदिशांनी ऐकू आल्यासारखा वाटतोवम्हणूनआवाजघुमल्यासारखावाटतो.

ध्वनी उत्पन्न करणाऱ्या साधनाचे कंपन थांबविल्यानंतरही काही वेळपर्यंत सभागृहात आपणास तो ऐकू येत राहतो. मूळ ध्वनी थांबविल्यावर त्याची तीव्रता मूळ तीव्रतेच्या एक दशलक्षांश पटीने कमी होण्यासाठी लागणाऱ्या काळास सभागृहाचा निनादन काल म्हणतात.

डब्ल्यू. सी. सेबाईन (१८६८ – १९१९) या अमेरिकन भौतिकीविज्ञांनी या विषयाचा पाया घातला. सभागृहाच्या निनादन कालाचा विशेष अभ्यास करून त्यांनी निनादन कालासंबंधी खालील सूत्र सिद्ध केले :

ह्या सूत्रात त = निनादन काल, व = सभागृहाचे घनफळ, क्ष = सभागृहातील भिंती, जमीन व छत ह्यांचे क्षेत्रफळ, स = सभागृहाच्या भिंती, जमीन व छत ह्यांच्या पृष्ठभागाचा ध्वनिशोषण गुणांक आणि क = स्थिरांक आहेत. क्षेत्रफळ चौरस मीटरात व घनफळ घन मीटरात मोजले, तर क ह्या स्थिरांकाचे मूल्य ०·१६ येते. स X क्ष ह्या गुणाकारास ध्वनीचे एकूण शोषण असे म्हणतात.

सभागृहातील निरनिराळ्या भागांचे ध्वनिशोषण गुणांक निरनिराळे असल्यास वरील सूत्र पुढील रीतीने लिहिता येते :

येथे क्ष_१, क्ष_२,………. सभागृहाच्या निरनिराळ्या पृष्ठभागांची क्षेत्रफळे आणि स_१, स_२, ………. हे अनुक्रमे त्या त्या पृष्ठभागाचे ध्वनिशोषण गुणांक आहेत.

भिंतीपासून होणारी अनेक परावर्तने लक्षात घेऊन पुढील सुधारलेले सूत्र सी. एफ्‌. आयरिंग यांनी मांडले.

यात क स्थिरांक, व सभागृहाचे घनफळ आणि क्ष सभागृहाच्या एकूण पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ असून अ हा सरासरी ध्वनिशोषण गुणांक आहे.

ध्वनीचे शोषण : ध्वनितरंगाचे ज्या वेळेस परावर्तन होते त्या वेळेस परावर्तित ध्वनी क्षीण झालेला असतो, त्याचे कारण ज्या पृष्ठभागावरून परावर्तन होते तो पृष्ठभाग ध्वनीचे शोषण करतो. अशा रीतीने प्रत्येक परावर्तनाला ध्वनीची ऊर्जा कमीकमी होत जाऊन ध्वनी कानाने ऐकू न येण्याइतका क्षीण होतो. एखाद्या खोलीत ध्वनी निर्माण झाल्यानंतर ध्वनितरंगाचे साधारणपणे २०० ते ३०० वेळा परावर्तन होते. आ. ३ मध्ये खोलीत होणारे परावर्तन दाखविले आहे. ह्यावरून ध्वनी कशा तऱ्हेने खोलीत पसरतो हे स्पष्ट होते. प्रयोगाने असे सिद्ध झाले आहे की, ध्वनी सामान्यतः सर्व खोलीभर एकसारखा पसरलेला असतो व त्यामुळे ध्वनीची ऊर्जा-घनता सर्वत्र सारखी असते. ध्वनीची तीव्रता जसजशी वाढवावी तसतसे त्याचे शोषणही वाढत जाते. कोणत्याही क्षणी सभागृहातील ध्वनीची परिणामी तीव्रता ही उत्पादित ध्वनी व परावर्तीत ध्वनी यांच्या तीव्रतेच्या बेरजेइतकी असते.

एखाद्या सभागृहात एखाद्या स्थिर शक्तीच्या ध्वनीचे उत्पादन सुरू केल्यास सभागृहातील परिणामी ध्वनीची तीव्रता प्रथम एकसारखी वाढत जाते व शेवटी एका कमाल मर्यादेला जाऊन तेथे स्थिर होते (आ. ४ मधील अआइई हा भाग पहावा). ही तीव्रता स्थिर होते तेव्हा ध्वनि-उर्जेचे उत्पादन व शोषण यांच्या त्वरा एकमेकींबरोबरच असल्या पाहिजेत हे उघड आहे.

वरील प्रयोगात कमाल तीव्रता निर्माण झाल्यानंतर ध्वनीचे उत्पादन थांबविल्यास मग फक्त शोषणाचीच क्रिया चालू राहते. त्यामुळे ध्वनि-उर्जेचा झपाट्याने ऱ्हास होत राहील व म्हणून ध्वनीची तीव्रताही कमीकमी होत राहील (आ. ४ मधील ई उ हा भाग) आणि शेवटी ती श्राव्यतेच्या किमान मर्यादेच्या खाली गेली म्हणजे तो निनादन ध्वनी ऐकू येईनासा होईल. सभागृहातील शोषण जितके जास्त प्रभावी असेल तितक्या जास्त झपाट्याने ह्या निनादन ध्वनीचा ऱ्हास होईल व म्हणून निनादन काल कमी होईल.

निनादन काल कमी करण्याचे उपाय: गुळगुळीत किंवा कडक पदार्थांच्या पृष्ठभागांची शोषणक्षमता कमी असते. याउलट मऊ आणि सच्छिद्र पृष्ठभागांची शोषणक्षमता जास्त असते. एखाद्या खोलीचा निनादन काल वाजवीपेक्षा जास्त असेल, तर त्या खोलीत आवाज फार घुमल्यामुळे शब्दोच्चार स्पष्टपणे समजत नाहीत. आवाज स्पष्टपणे ऐकू येण्यासाठी हा निनादन काल कमी करणे आवश्यक असते. त्यासाठी खोलीची जमीन, छत किंवा भिंती यांवर योग्य तेथे जास्त शोषणक्षम पदार्थांचे आवरण देतात. अशा प्रकारचे अनेक खास शोषक पदार्थ आता उपलब्ध आहेत.

पदार्थाची शोषणक्षमता त्याच्या ध्वनिशोषण गुणांकाने व्यक्त केली जाते. उघड्या खिडकीवर पडलेले ध्वनितरंग तीमधून पलीकडे जातात म्हणून तिच्यावरून ध्वनीचे बिलकूल परावर्तन होत नाही. म्हणून उघड्या खिडकीचा शोषण गुणांक एक मानतात व त्याच्या तुलनेने इतर पृष्ठभागांचे शोषण व्यक्त करतात. कोष्टकात नेहमीच्या वापरातील काही पदार्थांचे ध्वनिशोषण गुणांक दिले आहेत. हे शोषण गुणांक ध्वनीच्या कंप्रतेनुसार बदलतात ही गोष्ट लक्षात ठेवावी.

सभागृहात ध्वनी निर्माण झाल्यावर त्याचे सभागृहाच्या भिंतींवरून परावर्तन होऊन प्रतिध्वनी निर्माण होतात, हे सुरुवातीस सांगितलेच आहे. ह्या प्रतिध्वनीमुळे आवाज घुमल्यासारखा वाटतो म्हणून हे प्रतिध्वनी कमी करणे आवश्यक आहे. सभागृहाच्या भिंतींना जर ध्वनिशोषक कापडाचे पडदे लावले अथवा ध्वनिशोषक वस्तूचे आवरण घातले, तर ध्वनीचे शोषण होऊन परावर्तित ध्वनी क्षीण होईल व ह्यामुळे निनादन काल हा सेबाइन यांच्या सूत्रानुसार कमी होईल. दुसऱ्या काही उपायांनीही निनादन काल कमी करता येतो : (१) सभागृहाच्या खिडक्या उघड्या ठेवून (२) सभागृहातील भिंतींवर चित्रे लावून ही चित्रे कापडावर काढलेली असल्यामुळे कापडाकडून ध्वनीचे शोषण होते व त्याचबरोबर सभागृहाला शोभाही येते (३) पुष्कळ श्रोते असणे ही एक महत्वाची गोष्ट आहे. श्रोत्यांच्या अंगावरील कपड्यांमुळे ध्वनीचे शोषण होते. श्रोते कमी असल्यास पुष्कळ वेळा आवाज घुमल्यासारखा वाटतो. (४) सभागृहातील बैठकींना गाद्या बसविल्यामुळे श्रोत्यांना आराम मिळतो व श्रोते कमी असल्यास गाद्या ध्वनिशोषणाचे काम करतात.

वर दिलेल्या उपाययोजनेमुळे निनादन काल कमी करता येतो. हा काल कमी करताना एक गोष्ट लक्षात घेणे आवश्यक आहे की, हा काल एका विशिष्ट मर्यादेपेक्षा कमी होऊ देऊ नये. सेबाइन यांनी संगीततज्ञांच्या मदतीने भाषणाकरिता व संगीताकरिता योग्य निनादन कालांची मूल्ये काढली. त्यांनी असे सिद्ध केले की, अनुकूलतम निनादन काल हा सभागृहाच्या घनफळावर व ध्वनीच्या तीव्रतेवर अवलंबून असतो. सर्वसाधारण निनादन काल हा १ ते २·५ सेकंद या दरम्यान असतो. भाषणाकरिता तो १ सेकंदाच्या जवळपास असतो व वाद्यसंगीताकरिता जवळजवळ २·५ सेकंद असतो.

निनादन काल फारच कमी झाला, तर ते सभागृह निर्जीव वाटते गाणाऱ्याला अथवा वक्त्याला लवकर थकवा येतो. संगीतासाठी वापरल्या जाणाऱ्या गृहाचा निनादन काल भाषणासाठी वापरल्या जाणाऱ्या सभागृहांच्या तुलनेने जास्त असावा लागतो. चित्रपटगृहासारख्या ठिकाणी ध्वनिक्षेपक वापरले जातात तेथे निनादन काल कमी असावा लागतो. अनुकूलतम निनादन कालाचे मूल्य गृहाचा उपयोग व त्याचे घनफळ यांनुसार कसे बदलते ते आ.५ मध्ये आलेखांनी दाखविले आहे.

ध्वनिमुद्रण करण्याच्या खोलीचा निनादन काल सर्व कंप्रतांच्या ध्वनीसाठी समान असणे जरूर असते. यंत्रांच्या आवाजाचा अभ्यास करून तो आवाज कमी करण्याचे मार्ग शोधून काढण्यासाठी खास खोल्या बांधतात. त्यांचा निनादन काल (जवळजवळ) शून्यच असतो. अशा खोलीला अप्रतिध्वनी खोली असे म्हणतात. काही खास प्रयोगांसाठी खोली अशी बांधलेली असते की, तिच्यात निनादित ध्वनीची तीव्रता सर्व ठिकाणी सारखी असते. अशा खोलीला समनिनादन खोली असे म्हणतात.

ध्वनितीव्रता वाढविण्याचे उपाय : सभागृहात वक्ता बोलत असताना निर्माण होणारा ध्वनी साधारण ४००/५०० श्रोत्यांना ऐकू येतो. श्रोत्यांना ऐकू येणारा आवाज अधिक मोठा करण्याच्या दृष्टीने खालील उपाययोजना करतात. व्यासपीठावर वक्त्याच्या मागे ध्वनीच्या परावर्तनासाठी काही योजना करतात. दुसरे म्हणजे आ. ६ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे व्यासपीठाची मागील भिंत अन्वस्ताकार (पॅराबोलिक) बांधल्यास ध्वनीचे संक्रमण उत्तम प्रकारे होऊन सर्व श्रोत्यांना स्पष्ट ऐकू येते.

हल्ली सभागृहात दोन-तीन ध्वनिक्षेपक निरनिराळ्या ठिकाणी लावले जातात. हे ध्वनिक्षेपक बसविताना एक गोष्ट विशेष लक्षात घ्यावयास पाहिजे ती ही की, ध्वनिक्षेपकामुळे तयार होणारे ध्वनितरंग एकाच जागी केंद्रित होऊन त्या ठिकाणी असणाऱ्या श्रोत्यांना ध्वनीची तीव्रता असह्य होऊ नये. ध्वनी सभागृहात सारख्या प्रमाणात पसरावा अशा तऱ्हेने ते बसवावेत.

सभागृहातील छताचा आकार काही ठिकाणी अंतर्गोल असल्यास आ. ७ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे (१) ह्या ठिकाणाहून निघालेले ध्वनीचे किरण तीन मार्गांनी जाऊन (२) ह्या ठिकाणी केंद्रित होतात व म्हणून त्या ठिकाणी असणाऱ्या श्रोत्यांना ध्वनी असह्य होईल. तसेच ह्या तीनही मार्गांनी येणारे ध्वनी कमीअधिक वेळाने येत असल्यामुळे ध्वनीचा स्पष्टपणा राहणार नाही.

ध्वनीचे व्यतिकरण : केव्हाकेव्हा ध्वनीच्या उद्‌गमापासून निघणारे मूळ ध्वनीचे तरंग आणि परावर्तित तरंग यांच्यामध्ये विनाशी व्यतिकरण (मिश्रण) होऊन सभागृहात काही ठिकाणी काही ठराविक कंप्रतांचे ध्वनी ऐकू येणे अशक्य होते. चांगल्या सभागृहात या दोषांचे निराकरण होणे आवश्यक असते. ह्यासाठी मूळ ध्वनी व परावर्तित ध्वनी यांतील मार्गांतर १५ ते १८ मी. पेक्षा कमी असेल अशी रचना करावयास हवी. व्यासपीठावर निर्माण होणारा ध्वनी त्याच दिशेकडून श्रोत्यांकडे येत आहे असे भासवणारी ध्वनिक्षेपक व्यवस्था हवी. सभागृहाच्या लांबी व रुंदी यांचे गुणोत्तर सामान्यतः २ : १ व १ . २ : १ यांच्या दरम्यान असावे. सभागृहात सज्‍जा असल्यास त्याची खोली त्याच्या खुल्या उंचीच्या मानाने कमी असावी. सज्‍जाची खोली खुल्या उंचीच्या दुपटीपेक्षा कमी असणे श्रेयस्कर असते.

वरील विवेचनावरून सभागृहात उत्तम प्रकारे ऐकू येण्यास खालील गोष्टी विशेषकरून आवश्यक आहेत : (१) सभागृहाला मोजक्या खिडक्या असाव्यात. (२) भिंतीवर जाड कापडाचे पडदे असावेत, (३) सभागृहात पुरेसे श्रोते असावेत, (४) अंतर्गोल छत वा भिंती नसाव्यात, (५) गादीच्या बैठकी असाव्यात, (६) प्रत्येक शब्द उच्चारताना निर्माण होणाऱ्या ध्वनीमध्ये पुरेशी ऊर्जा असावी तसेच सभागृहात सर्वत्र पोहोचणाऱ्या ध्वनीमध्येही पुरेशी ऊर्जा असावी, (७) जरूरीपेक्षा जास्त प्रतिध्वनी निर्माण होऊ नये, (८) अनुकूलतम निनादन काल असावा, (९) सभागृहात कोठेही आवाज चांगला ऐकू येईल अशी रचना असावी. ध्वनिकीच्या दृष्टीने सभागृहाच्या रचनेत करावयाच्या योजनांच्या विवरणासाठी ‘इमारती व घरे’ या नोंदीतील ‘सभागृह’ या उपशीर्षकाखालील मजकूरही पहावा.

एखाद्या सभागृहाच्या इमारत ध्वनिकीच्या दृष्टीने योग्य आहे की अयोग्य आहे याची चाचणी पुढीलप्रमाणे करतात. याकरिता एका वक्त्याला व्यासपीठावरून काही विशिष्ट अशा निवडक शब्दांचे वाचन करावयास लावून सभागृहाच्या निरनिराळ्या ठिकाणी बसलेल्या श्रोत्यांना त्यांपैकी किती शब्द सुस्पष्ट ऐकू येतात, ते लिहावयास सांगितले जाते. वक्त्याने उच्चारलेल्या शब्दांपैकी शेकडा ८० शब्द जर श्रोत्यांना सुस्पष्ट ऐकू आले, तर ते सभागृह ध्वनिकीच्या दृष्टीने योग्य ठरविण्यात येते.

इमारतींच्या ध्वनिकीशास्त्रात जसजशी प्रगती होऊ लागली तसतसे ह्या शास्त्राला महत्व येऊ लागले. इमारत बांधण्यापूर्वी तिची प्रतिकृती तयार करून पाण्याच्या तरंगांच्या साहाय्याने त्या प्रतिकृतीचा अभ्यास करण्यात येऊ लागला व ध्वनिकीच्या दृष्टीने दोषरहित अशी प्रतिकृती आधी तयार करून मगच तीनुसार इमारत बांधण्याची प्रथा सुरू झाली. याशिवाय सभागृहाच्या बाहेर निर्माण झालेले अनेक प्रकारचे आवाज सभागृहात येऊन गोंगाट निर्माण होऊ शकतो. गोंगाटामुळे भाषण किंवा गायन नीट ऐकू येणे अशक्य होते. सभागृहाबाहेरील आवाज कमी करण्यासाठी बाहेरच्या बाजूस काढलेल्या उतरत्या छपरांच्या पडव्यांचा उपयोग होतो. दरवाजे व खिडक्यांना दुहेरी झडपा ठेवून अगर एकेरी झडप व जाड कापडाचे पडदे त्यापुढे सोडून बाहेरचा आवाज पुष्कळ कमी करता येतो.

वातावरणीय ध्वनिकी : वातावरणातील ध्वनीचे प्रेषण, त्याची गती वगैरे गोष्टींचे विवरण वातावरणीय ध्वनिकीमध्ये येते. वस्तूच्या होणाऱ्या कंपनामुळे हवेमध्ये ध्वनितरंग निर्माण होतात व ते ध्वनितरंग श्रोत्यांच्या कानावर पडले की, श्रोत्यास ध्वनी ऐकू येतो. ध्वनी पसरण्यास द्रवरूप माध्यमाची आवश्यकता असते. पृथ्वीच्या भोवताली असलेले हवेचे आवरण हे ध्वनीच्या प्रेषणाचे व प्रसारणाचे सर्वांत मोठे माध्यम आहे.

माध्यमाला घनफळ स्थितिस्थापकता (ताण व दाब काढून घेतल्यावर मूळ घनफळ प्राप्त होणे) हा गुणधर्म असल्यामुळेच त्यातून ध्वनीचे प्रसारण होत असते. निरनिराळ्या माध्यमांतून ध्वनीचे प्रसारण निरनिराळ्या वेगांनी होते. हा वेग माध्यमाच्या घनफळ स्थितिस्थापकतेचा गुणांक व माध्यमाची घनता यांवर अवलंबून असतो.

तापमानाचा परिणाम : पृथ्वीच्या सभोवती असलेल्या वातावरणाचे तापमान सारखे बदलत असल्यामुळे हवेची घनताही कमीजास्त होत असते. तापमानात वाढ झाली असता घनता कमी होते व म्हणून ध्वनिवेग वाढतो याच्या उलट तापमान कमी झाले असता घनता वाढते व म्हणून ध्वनिवेग कमी होतो. एखाद्या माध्यमामध्ये त_१ व त_२ सेल्सिअस तापमानाला ध्वनीचा वेग जर वे_१ व वे_२ सेंमी./सेकंद असेल, तर तापमान व वेग ह्यांचा एकमेकांशी असलेला संबंध खालील समीकरणाने दिला जातो.

येथे ट_१ व ट_२ ही निरपेक्ष (केल्व्हिन) तापमाने आहेत. ०^° से. तापमानाना ध्वनीचा वेग जर वे_० मानला, तर

आसन्नता (अंदाजे मूल्य काढण्याची पद्धत) वापरून व वे_० = ३३२०० सेंमी. प्रती सेकंद घेऊन वरील समीकरण वे_१ = ३३२०० + ६१ त_१ असे होते. यावरून हवेचे तापमान १^° से. वाढले, तर ध्वनीचा वेग सु. ६१ सेंमी./सेकंद वाढतो असे दिसते.

हवेच्या गतीचा परिणाम : ध्वनीच्या प्रेषणास एकजिनसी माध्यम असणे चांगले असते. माध्यम स्थिर असेल, त्यामध्ये अंतर्गत प्रवाह नसतील आणि त्याचे तापमान व घनता स्थिर असतील, तर त्या सर्व गोष्टी ध्वनीचे प्रेषण चांगल्या प्रकारे होण्यास मदत करतात परंतु वातावरणातील हवा ही नेहमी गतिमान असते व तिचा वेग कमीजास्त होत असतो. अशा या कमीअधिक वेगाने वाहणाऱ्या हवेस आपण वारा म्हणतो. आपणास रोजच्या व्यवहारात असे आढळून येते की, वाऱ्याच्या दिशेने ध्वनीचे प्रेषण चांगल्या प्रकारे होते व म्हणून वाऱ्याच्या दिशेने जाणारा ध्वनी हा वाऱ्याच्या विरुद्ध दिशेने जाणाऱ्या ध्वनीपेक्षा जास्त दूरपर्यंत ऐकू येतो. खालील विवेचनावरून ह्याचे कारण स्पष्ट होते.

वारा वाहत असताना सर्व हवा जर एकाच वेगाने वाहत असेल, तर वरील फरक जाणवणार नाही परंतु ज्या वेळेस वारा वाहत असतो त्या वेळेस सर्व हवा एकाच वेगाने वाहत नसून हवेतील निरनिराळे थर निरनिराळ्या वेगांनी वाहत असतात. जमिनीच्या पृष्ठभागाशी असलेल्या हवेच्या थराचा वेग सर्वांत कमी असून वरवरच्या थरांचा वेग वाढत जातो.

आ. ८ मध्ये एक प्रतलीय तरंगमुख [→ तरंग गति] डावीकडून उजवीकडे जात असताना दाखविले आहे. वाऱ्याची गती शून्य असल्यास ते तरंगमुख सारख्या वेळात सारखेच अंतर जाईल. त्याची स्थिती अ_१, आ_१, इ_१, ई_१ ह्या रेषांनी दाखविली आहे.

जर वारा व ध्वनी एकाच दिशेने जात असतील, तर तरंगमुखाचा वरचा भाग जास्त वेगाने वाहत जाईल (आ. ९). कारण वरच्या थरांचा वेग जास्त असतो व त्यामुळे तो भाग जमिनीकडे झुकेल. त्याची स्थिती अ_२, आ_२, इ_२, ई_२ ह्या उजवीकडे झुकलेल्या रेषांनी दाखविली आहे. ध्वनिकिरण तरंगमुखाला लंब असल्यामुळे (२) ह्या ठिकाणी असणाऱ्या श्रोत्यास वाऱ्याचा वेग शून्य असताना ऐकू येणाऱ्या ध्वनीपेक्षा जास्त तीव्र ध्वनी ऐकू येईल.

वारा आणि ध्वनी विरुद्ध दिशेने जात असतील, तर आकृतीत दाखविल्याप्रमाणे तरंगमुख विरुद्ध दिशेला झुकेल (आ. १०). त्यामुळे ध्वनिकरण जमिनीपासून दूर जातील व (२) ह्या ठिकाणी असणाऱ्या श्रोत्यास अगदीच क्षीण ध्वनी ऐकू येईल.

आ. ११ मध्ये वाऱ्याचा वेग जर वरच्या दिशेने वाढत असेल, तर (१) ह्या ठिकाणाहून निघणारे ध्वनिकिरण कशा रीतीने जातील, हे स्पष्ट केले आहे.

डाव्या बाजूला ध्वनी व वारा एकाच दिशेने जात आहेत व उजव्या बाजूला ध्वनी वाऱ्याच्या विरुद्ध दिशेने जात आहे. आ. ९ व १० चे स्पष्टीकरण येथेही लागू पडते.

वर विवेचन केलेल्या परिणामासारखाच परिणाम हवेच्या थराचे तापमान निराळे असल्यास दिसून येतो. जास्त तापमानाला ध्वनीचा वेग जास्त असतो. दिवसा जमिनीजवळील हवा गरम असते आणि जसजसे वर जाऊ तसतसे तापमान कमी होते म्हणून पृष्ठभागाजवळ ध्वनीचा वेग जास्त असतो व वरच्या थरात तो कमी होतो. त्यामुळे वरच्याभागात ध्वनीचे प्रणमन (निरनिराळ्या घनतेच्या माघ्यमांतून जाताना होणारा दिशेतील बदल) आ. १० मध्ये दाखविल्याप्रमाणे होते व म्हणून ध्वनी फार दूरपर्यंत ऐकू येऊ शकत नाही. याउलट थंडीच्या दिवसात जमिनीजवळील हवा थंड असते व वरच्या थरांचे तापमान जास्त असल्यामुळे ध्वनीचे प्रणमन आ. ९ मधील प्रमाणे होऊन ध्वनिकिरण जमिनीकडे झुकतात आणि ध्वनी दूरवर ऐकू येऊ शकतो.

असामान्य श्राव्यता : तोफांचा भडिमार किंवा मोठा स्फोट यांच्या आवाजाबद्दल एक चमत्कारिक अनुभव येतो. अशा ध्वनीच्या उद्‌गमापासून सु. १५ किमी. अंतरापर्यंतच्या प्रदेशात तो ध्वनी नेहमीप्रमाणेच ऐकू येतो व गणिताने काढलेल्या त्याच्या वेगाचे मूल्य नेहमी इतकेच येते. या प्रदेशाला सामान्य श्राव्यतेचे क्षेत्र असे म्हणतात. या क्षेत्राच्या मर्यादेपासून पुढे २०० किमी. अंतरापर्यंत हा ध्वनी अजिबात ऐकू येत नाही. या भागाला शांतता क्षेत्र असे म्हणतात परंतु आश्चर्याची गोष्ट म्हणजे सु. २०० किमी. ते ३०० किमी. अंतराच्या टप्प्यात आवाज पुन्हा ऐकू येतो. स्फोट झाल्यापासून आवाज ऐकू येण्यापर्यंत लागलेला काल मोजल्यास तो फारच जास्त वाटतो. या क्षेत्राला असामान्य श्राव्यतेचे क्षेत्र असे म्हणतात.

असामान्य श्राव्यतेच्या या आविष्काराचे स्पष्टीकरण पुढीलप्रमाणे देण्यात आलेले आहे. पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून वर जाऊ लागावे तसे प्रथम सु. १० ते १५ किमी. उंचीपर्यंत तापमान उतरत जाते. या भागाला क्षोभावरण असे म्हणतात. क्षोभावरणातून जाताना ध्वनिकिरण वरच्या दिशेने वळतात व म्हणून सु. १५ किमी. अंतराच्या पलीकडे जमिनीवर ध्वनी ऐकू येऊ शकत नाही व शांतता क्षेत्र उत्पन्न होते.

क्षोभावरणाच्या वर स्तरावरण हा थर आहे. सु. ५० – ६० किमी. उंचीपर्यंत या थरात वर जावे तसतसे तापमान वाढत जाते. त्यामुळे वरच्या थरातील ध्वनिवेग खालच्या थरातील वेगापेक्षा जास्त असतो. त्यामुळे प्रणमन होऊन ध्वनिकिरण पुन्हा खालच्या दिशेने वळू लागतात. अनेकदा या उंचीवरील वाऱ्यांचा वेगही या गोष्टीला मदत करतो. त्यामुळे हळूहळू दिशा बदलत जाऊन शेवटी ध्वनिकिरण सु. २०० किमी. अंतरावर (व त्यापलीकडेही) पृथ्वीवर येऊन पोहोचतात. आ. १२ मध्ये हे ध्वनिकिरणांचे मार्ग दाखविले आहेत.

आवर्त प्रवाह: प्रवाही पदार्थ (द्रवरूप किंवा वायुरूप) वाहत असताना त्यांच्या मार्गात अडथळा निर्माण झाल्यास श्यानतेमुळे (दाटपणामुळे) मागे आवर्त प्रवाह निर्माण होतात. पाण्याच्या प्रवाहामध्ये काठी उभी धरल्यास किंवा पाण्याचा प्रवाह दगडाला वळसा घेऊन जात असताना हे आवर्त प्रवाह दिसतात. हवेच्या प्रवाहात सुद्धा अशाच प्रकारे आवर्त प्रवाह निर्माण होतात.

प्रयोगाने असे सिद्ध झाले आहे की, तारेच्या (उदा., दूरध्वनीच्या तारा) अडथळ्यामुळे हवेमध्ये दोन प्रकारचे आवर्त प्रवाह निर्माण होतात. हे दोन प्रवाह तारेच्या विरुद्ध दिशेला असून ते एकमेकांच्या विरुद्ध दिशांनी फिरत असतात. ह्या त्यांच्या फिरण्यामुळे ते तारेपासून दूर जातात व हवेच्या प्रवाहात वाहून नेले जातात. अशा रीतीने तारेच्या विरुद्ध बाजूला निर्माण होणाऱ्या व तारेपासून लागलीच अलग होऊन दूर जाणाऱ्या ह्या आवर्त प्रवाहामुळे हवा कंप पावते. तारेची त्रिज्या व हवेचा वेग विशिष्ट प्रमाणात झाल्यास निर्माण होणारा कंपन ध्वनी ऐकू येतो. दूरध्वनीच्या तारांपासून निघणारा मधुर आवाज, झाडीतून वारा वाहत असताना निर्माण होणारा भयप्रद आवाज, बांबूच्या वनातून ऐकू येणारी शीळ हे सर्व आवाज आवर्त प्रवाहामुळेच निर्माण होतात.

ध्वनिशोषण : एखाद्या वस्तूपासून निर्माण होणारे ध्वनितरंग हे एकजिनसी माध्यमात पुष्कळ अंतरापर्यंत जाऊ शकले, तरी असे आढळून आले आहे की, वातावरणातून ध्वनितरंग जात असताना, वातावरणातील हवेच्या श्यानतेमुळे ध्वनि-ऊर्जेचे उष्णतेत रूपांतर होऊन ध्वनी क्षीण होतो. यालाच ध्वनिशोषण असे म्हणतात. हवेची ही ध्वनिशोषणक्षमता हवेच्या आर्द्रतेवरही अवलंबून असते. ध्वनितरंगांचे काही तांत्रिक उपयोग : ध्वनितरंगांच्या साहाय्याने शत्रूच्या तोफांचे स्थान निश्चित करण्याचे तंत्र पहिल्या महायुद्धाच्या वेळी वापरण्यात आले. याकरिता कमीत कमी तीन किंवा अधिक केंद्रांवर पोहोचलेल्या तोफेच्या ध्वनीची नोंद करून त्यावरून तोफेचे स्थान निश्चित करता येते. ह्याला बहुबिंदू पद्धती असे म्हणतात. या पद्धतीमध्ये सर्व केंद्रांवर ध्वनिग्राहक (मायक्रोफोन) ठेवलेले असून हे तारांच्या साहाय्याने एका मध्यवर्ती केंद्रास जोडलेले असतात. ह्या ध्वनिग्राहकांच्याद्वारे निरनिराळ्या केंद्रांवर ध्वनी पोहोचलेल्या वेळाची नोंद मध्यवर्ती केंद्रामधील एका विशिष्ट नियमित वेग असलेल्या छायाचित्रण कागदावर केली जाते आणि त्यावरून तोफेचे स्थान निश्चित करता येते.

आ. १३ मध्ये (१), (२), (३) या तीन ठिकाणी ध्वनिग्राहक असलेली केंद्रे आहेत आणि (४) हे तोफेचे ठिकाण आहे. कल्पना करू की, (१) ह्या केंद्रावर तोफेचा आवाज प्रथम ऐकू आला व ह्यानंतर अनुक्रमे स_१ व स_२ सेकंदांनी ध्वनी (२) व (३) ह्या केंद्रांवर पोहोचला. (२) व (३) हे मध्यबिंदू कल्पून गस_१ व गस_२ ह्या त्रिज्या असलेली वर्तुळे काढा. ह्या ठिकाणी ग हा ध्वनितरंगाचा त्या ठिकाणी असलेल्या वातावरणातील वेग होय. (१) ह्याबिंदूतूनजाणाऱ्याआणि (२) व (३) हे मध्यबिंदू कल्पून काढलेल्या वर्तुळांना स्पर्श करणाऱ्या वर्तुळाचा मध्यबिंदू तोफेचे स्थान दर्शवितो.

हवेत उंचावर तरंगणाऱ्या फुग्यापासून केलेल्या स्फोटाचा आवाज जमिनीवर येऊन पोहोचण्यास किती काल लागतो तो मोजून त्यावरून फुग्याची उंची काढता येते. वातावरणविज्ञानात उच्च स्तरातील वाऱ्यांचे वेग मोजण्यासाठी या पद्धतीचा उपयोग होतो. त्याचप्रमाणे उच्च स्तरांचे तापमानही यावरून काढता येते.

संदर्भ : 1. Beranek , L. L. Acoustics, New York, 1954.

2. Ghosh, S. N. Deb, S. Sound, Calcutta, 1963.

3. Olson, H. F. Acoustical Engineering, Princeton, 1957.

4. Suri, R. L. Acoustics, Design and Practice, 2 Vols., Bombay, 1966.

5. Wood, A. Acoustics, London, 1962.

घन, प. द.