Unit 5: Acoustics (ஒலியியல்)

அலகு 5: ஒலியியல் — Tamil Nadu Samacheer Kalvi Book Back Answers & Solutions

Official Tamil Nadu textbook solutions for Acoustics covering longitudinal waves, velocity of sound in various media, reflection of sound, echo criteria (minimum distance 17.2 m), reverberation, RADAR, SONAR, and Doppler effect applications and numericals.

நெட்டலைகள், வெவ்வேறு ஊடகங்களில் ஒலியின் திசைவேகம், ஒலி எதிரொலிப்பு, எதிரொலி நிபந்தனை (குறைந்தபட்ச தூரம் 17.2 மீ), எதிரொலிப்பு, சோனார், மற்றும் டாப்ளர் விளைவுக் கணக்கீடுகளை உள்ளடக்கிய அதிகாரப்பூர்வ தீர்வுகள்.

📖 Read Official Class 10 Textbook PDF 📱 Share with Classmates on WhatsApp

📐 Important Formulas & Laws Quick Revision

  • Wave Velocity Equation (அலைத் திசைவேகச் சமன்பாடு): v = n × λ v = velocity (m s⁻¹), n = frequency (Hz), λ = wavelength (m).
  • Velocity of Sound by Echo Method (எதிரொலி முறையில் ஒலியின் திசைவேகம்): v = 2d / t ⟹ d = (v × t) / 2 d = distance to reflecting surface (m), t = time interval for echo to return (s).
  • Minimum Distance for Echo in Air at 20 °C (காற்றில் எதிரொலி கேட்க குறைந்தபட்சத் தொலைவு): d = (v × t) / 2 = (344 × 0.1) / 2 = 17.2 m Persistence of hearing in human ear is 0.1 s. Velocity of sound in air at 20 °C is 344 m s⁻¹.
  • Doppler Effect (General Apparent Frequency) (டாப்ளர் விளைவு தோற்ற அதிர்வெண்): n' = [(v ± v_L) / (v ∓ v_S)] × n v = speed of sound, v_L = listener velocity, v_S = source velocity, n = true frequency.

Part I: Choose the Correct Answer (1 Mark)

1. When a sound wave travels through air, the air particles ________.

காற்றில் ஒலி அலைகள் பரவும் போது காற்றின் துகள்கள் ________.

  • (a) vibrate along the direction of the wave motion ✓ (Correct Answer)
  • (b) vibrate but not in any fixed direction
  • (c) vibrate perpendicular to the direction of the wave motion
  • (d) do not vibrate
Explanation: Sound travels through air as a longitudinal wave. In longitudinal waves, particles of the medium vibrate parallel (along) the direction of propagation of the wave, creating alternating compressions and rarefactions.

2. Velocity of sound in a gaseous medium is 330 m s⁻¹. If the pressure is increased by 4 times without causing a change in the temperature, the velocity of sound in the gas is ________.

ஒரு வாயு ஊடகத்தில் ஒலியின் திசைவேகம் 330 m s⁻¹. வெப்பநிலை மாறாமல் அழுத்தம் 4 மடங்கு உயர்த்தப்பட்டால் ஒலியின் திசைவேகம் ________.

  • (a) 330 m s⁻¹ ✓ (Correct Answer)
  • (b) 660 m s⁻¹
  • (c) 156 m s⁻¹
  • (d) 990 m s⁻¹
Explanation: Velocity of sound in a gas is given by v = √(γP / ρ). When pressure P increases at constant temperature, density ρ increases in the exact same proportion (P/ρ remains constant). Hence, pressure has NO effect on the velocity of sound.

3. The frequency which is audible to the human ear is ________.

மனித காதுகளால் கேட்கக்கூடிய ஒலியின் அதிர்வெண் வரம்பு ________.

  • (a) 50 kHz
  • (b) 20 kHz ✓ (Correct Answer)
  • (c) 15000 kHz
  • (d) 10000 kHz
Explanation: The audible range of sound for a normal human ear is 20 Hz to 20,000 Hz (20 Hz to 20 kHz). 20 kHz is within the upper boundary of audible limit.

4. The velocity of sound in air at a particular temperature is 330 m s⁻¹. What will be its value when temperature is doubled (in Kelvin) and pressure is halved?

குறிப்பிட்ட வெப்பநிலையில் காற்றில் ஒலியின் திசைவேகம் 330 m s⁻¹. அதன் கெல்வின் வெப்பநிலை இருமடங்காக்கப்பட்டு அழுத்தம் பாதியாகக் குறைக்கப்பட்டால் திசைவேகம் என்னவாகும்?

  • (a) 330 m s⁻¹
  • (b) 165 m s⁻¹
  • (c) 330 × √2 m s⁻¹ ✓ (Correct Answer)
  • (d) 660 m s⁻¹
Explanation: Velocity of sound v ∝ √T and is independent of pressure. When temperature T is doubled (T' = 2T), v' = v × √2 = 330 × √2 m s⁻¹ ≈ 466.7 m s⁻¹.

5. If a sound wave travels with a frequency of 1.25 × 10⁴ Hz at 344 m s⁻¹, its wavelength will be ________.

1.25 × 10⁴ Hz அதிர்வெண்ணும் 344 m s⁻¹ திசைவேகமும் கொண்ட ஒலி அலையின் அலைநீளம் ________.

  • (a) 27.52 m
  • (b) 275.2 m
  • (c) 0.02752 m ✓ (Correct Answer)
  • (d) 2.752 m
Explanation: λ = v / n = 344 / (1.25 × 10⁴) = 344 / 12500 = 0.02752 m.

6. A sound wave is reflected from an obstacle into the same medium from which it was incident. Which of the following changes?

ஓர் ஊடகத்திலிருந்து தடை ஒன்றின் மீது பட்டு மீண்டும் அதே ஊடகத்திற்குள் எதிரொலிக்கும் போது, பின்வருவனவற்றுள் எது மாறும்?

  • (a) speed
  • (b) frequency
  • (c) wavelength
  • (d) none of these ✓ (Correct Answer)
Explanation: During reflection within the same medium, speed (v), frequency (n), and wavelength (λ) remain unchanged. Only the direction of propagation (and phase) changes.

7. The velocity of sound in the atmosphere of a planet is 500 m s⁻¹. The minimum distance between the source of sound and the obstacle to hear an echo should be ________.

ஒரு கோளின் வளிமண்டலத்தில் ஒலியின் வேகம் 500 m s⁻¹. எதிரொலி கேட்க ஒலி மூலத்திற்கும் தடைக்கும் இடையே இருக்க வேண்டிய குறைந்தபட்சத் தொலைவு ________.

  • (a) 17 m
  • (b) 20 m
  • (c) 25 m ✓ (Correct Answer)
  • (d) 50 m
Explanation: Persistence of hearing t = 0.1 s. Minimum distance d = (v × t) / 2 = (500 × 0.1) / 2 = 50 / 2 = 25 m.

Part II: Fill in the Blanks (கோடிட்ட இடங்களை நிரப்புக)

1. Rapid back and forth motion of a particle about its mean position is called ________.

ஒரு துகள் தனது சராசரி நிலையிலிருந்து முன்னும் பின்னும் வேகமாக இயங்குவது ________ எனப்படும்.

Answer: vibration (or oscillation) (அதிர்வு (அலைவு))

2. If the energy in a longitudinal wave travels from south to north, the particles of the medium would be vibrating in ________ direction.

ஒரு நெட்டலையின் ஆற்றலானது தெற்கிலிருந்து வடக்காகப் பரவினால், ஊடகத் துகள்கள் ________ திசையில் அதிரும்.

Answer: north-south (along the line of wave motion) (தெற்கு - வடக்கு (அலை பரவும் திசையிலேயே))

3. A whistle giving out a sound of frequency 450 Hz approaches a stationary observer at a speed of 33 m s⁻¹. The frequency heard by the observer is (speed of sound = 330 m s⁻¹) ________.

450 Hz அதிர்வெண் கொண்ட விசில் ஒலிப்பான் 33 m s⁻¹ வேகத்தில் ஓய்வு நிலையிலுள்ள கேட்குனரை நோக்கி வருகிறது. ஒலியின் வேகம் 330 m s⁻¹ எனில் கேட்குனர் உணரும் அதிர்வெண் ________.

Answer: 500 Hz (500 Hz)

4. A source of sound is travelling with a velocity 40 km/h towards an observer and emits a sound of frequency 2000 Hz. If velocity of sound is 1220 km/h, the apparent frequency is ________.

ஒலி மூலம் ஒன்று 40 km/h திசைவேகத்தில் கேட்குனரை நோக்கிச் சென்று 2000 Hz ஒலியை எழுப்புகிறது. ஒலியின் வேகம் 1220 km/h எனில் கேட்குனர் கேட்கும் அதிர்வெண் ________.

Answer: 2067.8 Hz (or 2068 Hz) (2067.8 Hz)

Part III: State True or False with Statement Correction (சரியா? தவறா?)

1. Sound can travel through solids, gases, liquids and even vacuum.

ஒலியானது திட, திரவ, வாயு மற்றும் வெற்றிடத்திலும் பரவும்.

✗ FALSE (தவறு)

Correct Statement: Sound is a mechanical wave that requires a material medium to propagate; it CANNOT travel through vacuum.

2. Waves created by earthquakes are infrasonic.

நிலநடுக்கத்தின் போது உருவாகும் அலைகள் குற்றொலி (இன்ஃப்ராசோனிக்) அலைகள் ஆகும்.

✓ TRUE (சரி)

3. The velocity of sound is independent of temperature.

ஒலியின் திசைவேகம் வெப்பநிலையைச் சார்ந்திருக்காது.

✗ FALSE (தவறு)

Correct Statement: The velocity of sound in gases is directly proportional to the square root of its absolute temperature (v ∝ √T).

4. The velocity of sound is higher in gases than in liquids.

ஒலியின் திசைவேகம் திரவங்களை விட வாயுக்களில் அதிகமாக இருக்கும்.

✗ FALSE (தவறு)

Correct Statement: The velocity of sound is highest in solids, intermediate in liquids, and lowest in gases (v_solids > v_liquids > v_gases).

Part IV: Match the Following (பொருத்துக)

  • Infrasonic (குற்றொலி) ➔ 10 Hz
  • Echo (எதிரொலி) ➔ Ultrasonography
  • Ultrasonic (மீயொலி) ➔ 22 kHz
  • High pressure region (உயர் அழுத்த பகுதி) ➔ Compressions

Part V: Assertion and Reason (கூற்றும் காரணமும்)

Question 1:

Assertion (A): The change in air pressure affects the speed of sound.

Reason (R): The speed of sound in a gas is proportional to the square of the pressure.

Correct Answer: (d) Both assertion and reason are false

Both are false. Pressure change has no effect on the velocity of sound in gases, and velocity is not proportional to square of pressure.

Question 2:

Assertion (A): Sound travels faster in solids than in gases.

Reason (R): Solids possess much greater elasticity than gases.

Correct Answer: (a) Both assertion and reason are true and reason is the correct explanation of assertion

Speed of sound v = √(E / ρ). The elasticity modulus (E) of solids is several orders of magnitude higher than gases, dominating over density and making sound travel much faster in solids.

Part VI: Short Answer Questions — 2 Marks (சுருக்கமான விடையளி)

Q1. What is a longitudinal wave?

நெட்டலை என்றால் என்ன?

Answer:
  • A longitudinal wave is a wave in which the particles of the medium vibrate parallel to (along) the direction of propagation of the wave.
  • It travels through a medium in the form of alternating compressions (high pressure) and rarefactions (low pressure). Example: Sound waves in air.

Q2. What is the audible range of frequency?

கேட்குனர் அதிர்வெண் வரம்பு யாது?

Answer:
  • The audible range of frequency for human ears is from 20 Hz to 20,000 Hz (20 kHz).
  • Waves with frequencies below 20 Hz are infrasonic, and above 20 kHz are ultrasonic.

Q3. What is the minimum distance needed for an echo?

எதிரொலி கேட்கத் தேவையான குறைந்தபட்சத் தொலைவு என்ன?

Answer:
  • The minimum distance required between the sound source and reflecting surface to hear an echo distinctly in air at 20 °C is 17.2 meters.
  • Calculation: d = (v × t) / 2 = (344 m s⁻¹ × 0.1 s) / 2 = 17.2 m (human persistence of hearing is 0.1 s).

Q4. Why does sound travel faster on a rainy day than on a dry day?

வறண்ட நாளை விட மழைக்காலங்களில் ஒலி வேகமாகப் பரவுவது ஏன்?

Answer:
  • On a rainy day, the humidity (moisture content) of air increases.
  • The density of moist air is less than the density of dry air.
  • Since the speed of sound is inversely proportional to the square root of density (v ∝ 1/√ρ), sound travels faster in less dense moist air on a rainy day.

Q5. Mention two cases in which there is no Doppler effect in sound.

ஒலியில் டாப்ளர் விளைவு நடைபெறாத இரு சூழல்களைக் குறிப்பிடுக.

Answer:
  • 1. When both the source (S) and listener (L) are at rest.
  • 2. When source and listener move in the same direction with the same speed (distance between them remains constant).
  • 3. When source and listener move in mutually perpendicular directions.

Part VII: Long Answer Questions — 5 / 7 Marks (விரிவான விடையளி)

Q1. Explain the reflection of sound at a denser and rarer medium with neat diagrams.

அடர்மிகு மற்றும் அடர்குறை ஊடகங்களின் எல்லையில் ஒலி எதிரொலித்தலை படத்துடன் விவரி.

1. Reflection at the Boundary of a Denser Medium
  • Consider a longitudinal sound wave traveling in air (rarer) and striking a rigid wall (denser medium).
  • A compression strikes the rigid wall and exerts a force on it. The wall exerts an equal and opposite reaction force.
  • This reflects the compression back as a compression.
  • Phase change: A phase change of π radians (180°) occurs, reversing the direction of wave travel.
2. Reflection at the Boundary of a Rarer Medium
  • Consider a longitudinal sound wave traveling in a solid medium striking an interface with air (rarer medium).
  • A compression strikes the surface of separation and easily displaces the particles of the rarer medium.
  • As particles move forward freely, a rarefaction is produced at the boundary.
  • Thus, a compression is reflected back as a rarefaction (no phase change).

Q2. What is Doppler effect? Discuss its practical applications.

டாப்ளர் விளைவு என்றால் என்ன? அதன் பயன்பாடுகளை விவரி.

1. Definition of Doppler Effect
  • Whenever there is a relative motion between a source of sound and a listener, the apparent frequency of sound heard by the listener is different from the true frequency emitted by the source.
  • This phenomenon is called Doppler effect.
2. Applications of Doppler Effect
  • 1. Measuring speed of automobiles: Traffic police use RADAR/laser guns emitting waves. The frequency shift of waves reflected from moving vehicles calculates speed directly.
  • 2. Tracking satellites: The frequency of radio signals received from an orbiting satellite changes as it orbits Earth, pinpointing its trajectory.
  • 3. RADAR (Radio Detection and Ranging): Determines the elevation, distance, and velocity of incoming aircraft.
  • 4. SONAR (Sound Navigation and Ranging): Transmits ultrasonic pulses under water to detect submarines, icebergs, and marine depth.

Part VIII: Solved Problems Corner / Numerical Calculations

Problem 1: A sound wave has a frequency of 200 Hz and a speed of 400 m s⁻¹ in a medium. Find the wavelength of the sound wave.

ஒரு ஊடகத்தில் 200 Hz அதிர்வெண் கொண்ட ஒலி அலை 400 m s⁻¹ வேகத்தில் பயணிக்கிறது எனில் அதன் அலைநீளத்தைக் காண்க.

Step-by-Step Working:
Substitute given values:
λ = 400 / 200 = 2 m
Boxed Final Answer: Wavelength λ = 2 m

Problem 2: The thunder of a cloud is heard 9.8 seconds later than the flash of lightning. If the speed of sound in air is 330 m s⁻¹, what will be the height of the cloud?

மின்னல் தோன்றிய 9.8 வினாடிகளுக்குப் பிறகு இடி கேட்கிறது. காற்றில் ஒலியின் வேகம் 330 m s⁻¹ எனில் மேகத்தின் உயரம் என்ன?

Step-by-Step Working:
Distance d = 330 × 9.8
d = 3234 m (or 3.234 km)
Boxed Final Answer: Height of the cloud d = 3234 m (3.234 km)

Problem 4: An ultrasonic wave is sent from a ship towards the bottom of the sea. The time interval between transmission and reception is 1.6 seconds. What is the depth of the sea if the velocity of sound in seawater is 1400 m s⁻¹?

கப்பலிலிருந்து அனுப்பப்பட்ட மீயொலி 1.6 வினாடிகளுக்குப் பிறகு கடல் தரைப்பகுதியில் எதிரொலித்து மீண்டும் பெறப்படுகிறது. கடல்நீரில் ஒலியின் வேகம் 1400 m s⁻¹ எனில் கடலின் ஆழம் யாது?

Step-by-Step Working:
d = (1400 × 1.6) / 2
d = 1400 × 0.8 = 1120 m
Boxed Final Answer: Depth of the sea d = 1120 m (1.12 km)