MPSC सामान्य विज्ञान - भौतिकशास्त्र (ध्वनीचे गुणधर्म, प्रतिध्वनी, डॉप्लर प्रभाव)

MPSC राज्यसेवा पूर्व परीक्षा
सामान्य विज्ञान - भौतिकशास्त्र
(ध्वनी: गुणधर्म, प्रतिध्वनी, डॉप्लर प्रभाव)

१. ध्वनी तरंगाची मूलभूत संकल्पना (Nature of Sound Waves)

ध्वनी हा यांत्रिक अनुदैर्ध्य तरंग (longitudinal mechanical wave) आहे. तो कंप पावलेल्या कणांच्या संपीडन (compression) आणि विरलीकरण (rarefaction) मुळे निर्माण होतो. ध्वनीला वहन होण्यासाठी भौतिक माध्यम (घन, द्रव, वायू) आवश्यक आहे; व्हॅक्यूममध्ये ध्वनी वहन होत नाही.

तरंगलांबी (λ), वारंवारिता (f), वेग (v) : $v = f \lambda$
मानवी कानाला ऐकू येणारा ध्वनी : २० Hz ते २०,००० Hz (ऑडिओ रेंज)
२० Hz पेक्षा कमी : अवध्वनी (Infrasound) – हत्ती, व्हेल संवाद
२०,००० Hz पेक्षा जास्त : पराध्वनी (Ultrasound) – वैद्यकीय सोनोग्राफी, SONAR

v = f \lambda

ध्वनीचा वेग माध्यमावर अवलंबून : घन > द्रव > वायू. हवेत सरासरी ३३२ m/s (०°C वर); तापमानाने वाढतो :

v_t = v_0 + 0.6 t

(t = °C)

MPSC मध्ये वारंवार : "व्हॅक्यूममध्ये ध्वनी का ऐकू येत नाही?" → माध्यम नाही.

२. ध्वनीचे गुणधर्म (Properties of Sound)

उच्चनाद (Pitch)

ध्वनीची उच्च-नीचता, जी वारंवारितेवर (f) अवलंबून असते. जास्त f → उच्च उच्चनाद.

महिलांचा आवाज पुरुषापेक्षा उच्च (जास्त f).

तीव्रता / प्रबलता (Loudness / Intensity)

ध्वनीची तीव्रता कंपनाच्या आयामावर (A) अवलंबून. $I \propto A^2$

I = 2 \pi^2 f^2 A^2 \rho v

(पूर्ण सूत्र)

तीव्रतेचे एकक : W/m²
डेसिबेल स्केल (dB) : $\beta = 10 \log_{10} \frac{I}{I_0}$ (I₀ = 10^{-12} W/m² – ऐकण्याची किमान मर्यादा)

ध्वनी	dB स्तर
सूई पडणे	१०
सामान्य बोलणे	६०
ट्रॅफिक	८०
जेट विमान	१२० (वेदना)
रॉकेट लाँच	१८०

गुणवत्ता / टिंब्र (Quality / Timbre)

एका वारंवारितेच्या ध्वनीला वेगवेगळ्या वाद्यांमध्ये वेगळा ऐकू येण्याचे कारण. मूलभूत टोन + ओव्हरटोन्स (harmonics) मुळे.

प्रश्न : "१२० dB ध्वनी किती पट तीव्र?" → १०^{१२} पट (कारण १२० = १० log I/I₀ → log I/I₀ = १२).

३. ध्वनीचे परावर्तन आणि प्रतिध्वनी (Reflection of Sound & Echo)

ध्वनी तरंग परावर्तनाच्या प्रकाशासारख्याच नियमांचे पालन करतात : आपातन कोन = परावर्तन कोन.

प्रतिध्वनीसाठी किमान अंतर : मानवी कानाला वेगळा ऐकण्यासाठी ०.१ सेकंद वेळ (persistence of hearing).
हवेत ध्वनीचा वेग ३४० m/s घेऊन : किमान अंतर = $\frac{340 \times 0.1}{2} = 17 \, m$

प्रतिध्वनीची वेळ

t = \frac{2d}{v}

→

d = \frac{v t}{2}

उपयोग

SONAR : Sound Navigation and Ranging – समुद्राच्या तळाचे अंतर, पाणबुडी शोध.
इकोकार्डियोग्राम : हृदयाचे चित्र.
बॅट्स/डॉल्फिन : Echolocation.
मेगाफोन, हॉर्न : परावर्तनाने ध्वनी एका दिशेत केंद्रित.
सभागृह डिझाइन : अनावश्यक प्रतिध्वनी टाळणे (sound absorbers).

प्रतिध्वनी आणि अनुनाद (Reverberation) फरक : प्रतिध्वनी वेगळा ऐकू येतो; अनुनाद एकत्र मिसळून ध्वनी दीर्घकाळ राहतो.

MPSC क्लासिक प्रश्न : "SONAR मध्ये अंतर कसे मोजले जाते?" →

d = \frac{v t}{2}

४. डॉप्लर प्रभाव (Doppler Effect)

ध्वनी स्रोत आणि निरीक्षक यांच्यातील सापेक्ष गतीमुळे ध्वनीची आभासी वारंवारिता बदलते.

सामान्य सूत्र :

f' = f \left( \frac{v \pm v_o}{v \pm v_s} \right)

v = माध्यमातील ध्वनीचा वेग
v_o = निरीक्षकाचा वेग (स्रोताकडे जाताना +)
v_s = स्रोताचा वेग (स्रोत दूर जाताना +)
जर v_s किंवा v_o < v असेल तरच लागू (supersonic नसेल तर).

विविध प्रकरणे

प्रकरण	वारंवारिता	उदाहरण
निरीक्षक स्रोताकडे	वाढते	रेल्वे येताना सीटी उच्च
निरीक्षक स्रोतापासून दूर	कमी होते	रेल्वे जाताना सीटी नीच
स्रोत निरीक्षकाकडे	वाढते	अॅम्ब्युलन्स येताना सायरन उच्च
स्रोत निरीक्षकापासून दूर	कमी होते	अॅम्ब्युलन्स जाताना सायरन नीच

सुपरसॉनिक गती (v_s > v) : Shock wave → Sonic boom.
उपयोग : रडार (पोलिस स्पीड गन), खगोलशास्त्र (red shift – विश्व विस्तार), वैद्यकीय (blood flow मोजणे).

डॉप्लर प्रभाव प्रकाश तरंगातही लागू (red/blue shift); पण ध्वनीमध्ये माध्यम आवश्यक.

MPSC मध्ये संख्यात्मक/वैचारिक : "विमान ध्वनीपेक्षा वेगाने जाताना sonic boom का?" → shock wave.

MPSC राज्यसेवा पूर्व परीक्षासामान्य विज्ञान - भौतिकशास्त्र(ध्वनी: गुणधर्म, प्रतिध्वनी, डॉप्लर प्रभाव)