ध्वनि: डॉप्लर प्रभाव और प्रतिध्वनि

ध्वनि ऊर्जा का एक रूप है। यह ऊर्जा का वह रूप है जो हमें सुनाई देता है। ध्वनि तरंग किसी माध्यम में उत्पन्न एक कम्पायमान विकृति है जो दो बिंदुओं को सीधे संपर्क किए बिना ही ऊर्जा को एक बिंदु से दूसरे तक ले जाती है। डॉपलर इफेक्ट प्रतिदिन होने वाला अनुभव है। यह देखा गया है कि जब हम उच्च गति के साथ ध्वनि के एक स्थिर स्रोत से संपर्क करते हैं तो ध्वनि की पिच अधिक होती है। और अगर हम ध्वनि के स्रोत से दूर चले जाते हैं तो पिच कम हो जाती है। स्रोत या पर्यवेक्षक की गति के कारण लहर की पिच (आवृत्ति) में यह बदलाव डॉपलर प्रभाव कहा जाता है।
एक ऑस्ट्रियाई भौतिक विज्ञानी जोहान ईसाई डॉपलर, ने सबसे पहले 1842 में डॉपलर प्रभाव प्रस्तावित किया था।

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तीन स्थितियां जब आवृत्ति परिवर्तित होता है:

केस 1: स्रोत का हिलना, प्रेक्षक स्थिर
आइए हम पर्यवेक्षक से स्रोत की गति की सकारात्मक दिशा के रूप में दिशा चुनते हैं। मान लीजिए कि स्रोत (S ) वेग (vs) के साथ चल रहा है और पर्यवेक्षक और माध्यम ठहरे हुए या स्थिर हैं। अब, कोणीय आवृत्ति और अवधि (To) पर तरंग की गति, जो कि माध्यम में बाकी पर पर्यवेक्षक द्वारा मापी जाती है वह v  होगी। हम यह मान लेते हैं कि पर्यवेक्षक के पास एक डिटेक्टर है जो हर बार एक लहर को शिखर तक पहुचने पर नापता है।

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अब इस समय पर t = O स्रोत बिंदु S1 पर है। इस बिंदु पर स्रोत और पर्यवेक्षक के बीच की दूरी L है। इस बिंदु पर स्रोत एक शिखा का उत्सर्जन करता है जो पर्यवेक्षक के पास समय पर t1 = L / v होता है। अब इस समय पर  t = To स्रोत दूरी बनाम vsTo  चलता है और बिंदु S2 पर पहुंचता है। पर्यवेक्षक और बिंदु S2 के बीच की दूरी L +  vsTo है बिंदु S2 पर स्रोत दूसरी क्रेस्ट उत्सर्जित करता है जो पर्यवेक्षक को इस पर पहुंचाता है:
t2 = To + (L + vsTo)/ v
समय पर, n To स्रोत उत्सर्जन ((n+1)th ) क्रेस्ट है और यह समय पर पर्यवेक्षक तक पहुंचता है:
Tn+1 nTo L ns To/v
इसलिए एक समय अंतराल में
nTo  L nvs To/v  L/v
पर्यवेक्षक के डिटेक्टर ने T के रूप में लहर के n क्रिस्ट्स और प्रेक्षक रिकॉर्ड अवधि की गणना की है
T      nTo     L  nvsTo/v    L/v/n
=To+ vs To/v
= To (1+vs/v)
आवृत्ति vo के संदर्भ में यह समीकरण फिर से लिखा जा सकता है:
v = vo (1+vs/v)-1
यदि बनाम लहर की गति vs के मुकाबले कम है, तो
v = vo (1-vs/v)
हम vs को- vs से बदल देते है, और पाते हैं
V = vo (1 + vs/v)
इसलिए, जब स्रोत उसके पास पहुंचता है तो पर्यवेक्षक उच्च आवृत्ति को देखता है और जब स्रोत उसके पास से निकल जाता है तो कम आवृत्ति।
केस 2: प्रेक्षक चल रहा है; स्रोत स्थिर
इस मामले में पर्यवेक्षक आवाज़ के स्रोत की ओर बढ़ रहा है और स्रोत स्थिर है। यहां स्रोत और माध्यम स्पीड vo  पर पहुंच रहे हैं और लहर vo + v की गति के साथ आवाज तक पहुंच रहे हैं। इसलिए पहली और (n+1)th) वें शिखर के आगमन के बीच का समय अंतराल है:
tn+1 – t1 = n To – nvoTo/vo + v
पर्यवेक्षक लहर की अवधि को मापता है:
= T (1- vo/ vo+v)
T 1 vo/v -1
देता है
v = o(1+ vo/v)
केस 3: दोनों स्रोत और प्रेक्षक गतिमान हैं
पर्यवेक्षक से स्रोत की दिशा सकारात्मक हो और स्रोत और पर्यवेक्षक वेग से vs and vo गतिमान। मान लीजिए कि उस समय t=O , पर्यवेक्षक बिंदु O1 पर है और स्रोत बिंदु S1 पर है। जब पर्यवेक्षक द्वारा दिए गए माध्यम में बाकी पर मापा जाता है, स्रोत आवृत्ति  v, की लहर का उत्सर्जन करता है, आवृत्ति  v और अवधि To के लिए। जब स्रोत पहली क्रेस्ट का उत्सर्जन करता है तो O1  और S1  के बीच की दूरी L पर t=O होती है चूंकि प्रेक्षक पर्यवेक्षक के मुकाबले लहर के वेग v+v को आगे बढ़ा रहा हैं इसलिए, पहली क्रेस्ट निरीक्षक को समय पर t1= L (v+v) तक पहुंचता है।
इस समय पर t = To, होता है, पर्यवेक्षक और स्रोत स्थिति O2 और S2 के लिए स्थानांतरित पर्यवेक्षक और स्रोत के बीच की नई दूरी  L + (vs – vo) To । स्रोत S2 पर दूसरी क्रेस्ट उत्सर्जित करता है, यह समय पर पर्यवेक्षक तक पहुंचता है:
t2 = To + (L + (vs – vo) To)/ (v + vo)
स्रोत समय (n + 1) का nTo का उत्सर्जन करता है और समय पर पर्यवेक्षक तक पहुंचता है:
tn+1 = nTo + (L + n(vs – vo) To)/ (v + vo)
Hence, in a time interval tn+1 –t1, i.e,
nTo + (L+n(vs-vo)To) / (v+vo) – L / (v + vo),
पर्यवेक्षक द्वारा गिना जाने वाले क्रेस्ट n हैं और लहर की अवधि T के बराबर दर्ज की गई है,
T = To (1 + vs – vo/v + vo) = T (v + vs/v + vo)
पर्यवेक्षक द्वारा आवृत्ति v दिखाई देगी,
V = vo (v + v/ v + vs)
यदि पर्यवेक्षक और स्रोत एक ही गति से आगे बढ़ रहे हैं तो आवृत्ति में कोई बदलाव नहीं होगा।

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डॉपलर प्रभाव का उपयोग:

- वाहनों की तेजता की जांच करने के लिए पुलिस द्वारा उपयोग किया जाता है l
- विमान को मार्गदर्शन करने के लिए हवाई अड्डे पर l
- सेना में दुश्मन के विमानों का पता लगाने के लिए l
- डॉक्टर दिल की धड़कन और रक्त के प्रवाह का अध्ययन करने के लिए डॉपलर प्रभाव का उपयोग करते हैं।

प्रतिध्वनि (Echo)

अगर एक खाली हॉल में खड़े हो जाओ और कुछ बोलो तो थोड़ी देर बाद हम अपनी आवाज को प्रतिबिंबित करेंगे। हम अपनी आवाज़ को गूंजता हुआ सुनेंगे।
जब ध्वनि तरंगों के परावर्तन के कारण ध्वनि दोहराई जाती है, इसे गूंज या प्रतिध्वनि कहा जाता है। शांत सतह में ध्वनि अवशोषित होती है। इसलिए, जब ध्वनि लंबी ईंट की दीवार या एक चट्टान की तरह, कठोर सतह से परिलक्षित होती है, तो हम आवाज़ को प्रतिध्वनि के रूप में सुनते हैं।

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प्रतिध्वनि सुनने के लिए न्यूनतम दूरी की गणना
दो ध्वनियों को अलग से सुनने के लिए मानव के कानों में 1/10 वां सेकेंड का अंतराल होना चाहिए। इसलिए ताकि हम मूल ध्वनि सुन सकें और ध्वनि को प्रतिबिंबित कर सकें, ऐसा तभी संभव है जब दोनों ध्वनियों के बीच का अंतराल 0.1 सेकेंड या सेंकेंड का 1/10 वां हो।
20 डिग्री के तापमान पर हवा में एक गूंज सुनने के लिए ध्वनि प्रतिबिंबित सतह से हमारी दूरी 17.2 मीटर होनी चाहिए। यह दूरी वायु के परिवर्तन के तापमान के रूप में बदल जाएगी। इस प्रकार, ठंड के दिन की तुलना में गर्मियों में प्रतिध्वनि अधिक होगी। पानी में एक प्रतिध्वनि को सुनने की न्यूनतम दूरी 75 मीटर होनी चाहिए।
प्रतिध्वनि का उपयोग
- समुद्र की गहराई को मापने के लिए l
- पानी के नीचे की वस्तुओं का पता लगाने के लिए l
- मानव शरीर के अंदर जांच करने के लिए

कार्य, शक्ति और ऊर्जा का संक्षिप्त विवरण