প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/জলনিম্ন শব্দবিজ্ঞানের মৌলিক ধারণা

জলনিম্ন ধ্বনিবিজ্ঞানের অধ্যয়ন সমুদ্রনির্ভর নাবিকদের জন্য দিকনির্দেশক যন্ত্রের ক্ষেত্রে বরাবরই অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ ছিল। তারামণ্ডল পর্যবেক্ষণ করে পৃথিবীর অবস্থান নির্ধারণের পদ্ধতি বহুদিন ধরেই বিদ্যমান, কিন্তু জলনিম্নে কী আছে তা শনাক্ত করার প্রথম যন্ত্রগুলি তুলনামূলকভাবে সাম্প্রতিক। এই ধরনের একটি যন্ত্র, যা নৌযাত্রার নিরাপত্তা বৃদ্ধি করেছে, তা হলো ফ্যাথোমিটার। এর ধারণাটি খুবই সরল—জাহাজ থেকে নির্গত একটি ধ্বনিতরঙ্গ তলদেশে পৌঁছে প্রতিফলিত হয়ে ফিরে আসতে যত সময় নেয় তা মাপা হয়। যদি মাধ্যমের মধ্যে ধ্বনির গতি জানা থাকে, তবে সহজেই গভীরতা নির্ধারণ করা যায়। আরেকটি ব্যবস্থায় হালকা জাহাজ বা বাতিঘরে জলনিম্ন ঘণ্টা স্থাপন করা হয় এবং জাহাজে হাইড্রোফোন রাখা হয়, যার মাধ্যমে তাদের পারস্পরিক দূরত্ব নির্ধারণ করা যায়। এই প্রযুক্তিগুলিকে সোনার (Sound Navigation And Ranging)–এর অগ্রদূত বলা যেতে পারে। অনেক প্রাণীও জলনিম্নে ধ্বনি প্রচারের সুবিধা নিয়ে পরস্পরের সাথে যোগাযোগ করে।

ধ্বনির গতি

১৮৪১ সালে, জঁ-ড্যানিয়েল কোলাদঁ [১] প্রথমবারের মতো জলনিম্নে ধ্বনির গতি পরিমাপ করতে সক্ষম হন। তিনি লেক জেনেভায় পরীক্ষা পরিচালনা করেন, যেখানে তিনি নিয়ঁ থেকে মনট্রু পর্যন্ত (৫০ কিমি) ধ্বনিতরঙ্গ প্রেরণ করেন। পরীক্ষার ধারণাটি ছিল একটি হাতুড়ি ও নাভির সাহায্যে ধ্বনিতরঙ্গ উৎপন্ন করা এবং একটি প্যারাবলিক অ্যান্টেনার মাধ্যমে দূর থেকে তা গ্রহণ করা। হাতুড়ির আঘাতে নাভিতে আলো জ্বলে ওঠে এবং সেই আলোর সাথে ধ্বনির বিলম্বের পার্থক্য ব্যবহার করে ধ্বনির গতি নির্ধারণ করা হয়।

গভীতির সাথে ধ্বনির গতির পরিবর্তন পৃষ্ঠের তুলনায় অনেক বেশি গুরুত্বপূর্ণ।

ডেল গ্রোসো কর্তৃক বিকাশিত পানিতে ধ্বনির গতি (মিটার/সেকেন্ড) নির্ধারণের সমীকরণটি নিম্নোক্তভাবে নির্ধারিত হয়, যা নেপচুনীয় জলসীমায় প্রযোজ্য এবং এতে সেলসিয়াসে তাপমাত্রা (T), প্রতি হাজারে অংশে লবণাক্ততা (S) এবং অ্যাটমোস্ফিয়ারে পরিমাপক চাপ (P) অন্তর্ভুক্ত:

$c(T,S,P)=1449.08+4.57Te^{-(T/86.9+(T/360)^{2})}+1.33(S-35)e^{-T/120}+0.1522Pe^{T/1200+(S-35)/400}+1.4610^{-5}P^{2}e^{-T/20+(S-35)/10}$

যেখানে চাপ নির্ধারিত হয় গভীরতা (Z কিমি) এবং অক্ষাংশ (φ) এর উপর ভিত্তি করে:

$P=99.5(1-0.00263cos2\phi )Z+0.239Z^{2}$

Figure 1: নিচু অক্ষাংশে ধ্বনির গতিপ্রোফাইল। লবণাক্ততার গাণিতিক বিবেচনা করা হয়নি।

যে অক্ষে ধ্বনির গতি সর্বনিম্ন হয়, তাকে ডিপ সাউন্ড চ্যানেল অ্যাক্সিস বলা হয়।

ধ্বনির গতি তাপমাত্রার প্রতি অত্যন্ত সংবেদনশীল, যা তীব্রভাবে পরিবর্তিত হয় তাপমাত্রা স্তরে (থার্মোক্লাইন) [২]। ১০০০ মিটার গভীরতার পরে চাপ সমীকরণে প্রাধান্য বিস্তার করে, ফলে গভীরতার সাথে ধীরে ধীরে গতি বৃদ্ধি পায়। লবণাক্ততার প্রভাব খুব সামান্য, যদি না তা কোনো বিশেষ পরিস্থিতি যেমন প্রবল বৃষ্টি বা নদী ও সমুদ্রের সংঘাতে ঘটে। এই বক্ররেখার আকৃতি অঞ্চলভেদে ভিন্ন হতে পারে, যেমন শীতল অঞ্চলে তা গভীরতার একটি সরল রেখার মতো হয়।

আপবরণ

জলরাশিতে ধ্বনির গতি বিভিন্নতার ফলে আলোচিত্র প্রভাবের মতো একটি প্রক্রিয়া ঘটে, যেখানে আলোকরশ্মি বাঁক নেয়। যদি জলকে সমান্তরাল স্তরে ভাগ করা হয়, তাহলে প্রতিটি স্তরে বিভিন্ন ধ্বনিগতি অর্থাৎ ভিন্ন অ্যাকোস্টিক ইম্পিডেন্স থাকবে।

জলনিম্নে একটি ধ্বনি চাপ উৎস ধরে নিয়ে ও স্নেলের সূত্র [৩] প্রয়োগ করলে ধ্বনির পথ নির্ধারণ করা যায়। স্নেলের সূত্র অনুসারে, ধ্বনি সেই স্তরের দিকে বাঁকে যেখানকার ধ্বনির গতি কম। যদি ধ্বনিতরঙ্গের অনুভূমিকের সাথে কোণ $\theta _{max}$ এর চেয়ে বেশি হয়, তবে তা তলদেশ বা পৃষ্ঠে গিয়ে পৌঁছাবে; অন্যথায় তা ক্রমাগত অনুভূমিকের দিকে বাঁকতে থাকবে, এবং একটি নির্দিষ্ট সমালোচনামূলক কোণ ($\theta _{c}$) অতিক্রম করলে সম্পূর্ণরূপে প্রতিফলিত হয়ে ফিরে আসবে।

$\theta _{max}=(2\Delta c/c_{max}))^{1/2}$

($c_{max}$ হলো SOFAR চ্যানেলে ধ্বনির সর্বোচ্চ গতি)

$sin\theta _{c}=c_{1}/c_{2}$

এই প্রক্রিয়াটি বারবার ঘটার ফলে ধ্বনি নির্দিষ্ট গভীরতা সীমার মধ্যে আবদ্ধ থাকে, যাকে সোফার (Sound Fixing and Ranging) চ্যানেল [৪] বলা হয়। যেহেতু ধ্বনি পৃষ্ঠ বা তলদেশে পৌঁছাতে পারে না, ক্ষতি কম হয় এবং কোনো ধ্বনি বায়ু বা সমুদ্রতলে পৌঁছায় না, ফলে দীর্ঘ দূরত্বে এটি ছড়িয়ে পড়তে পারে। এমনকি ৩০০০ কিমি দূর থেকেও সংকেত শনাক্ত করা গেছে।

কিছু সিটেসিয়া প্রজাতি এই চ্যানেল ব্যবহার করে সফলভাবে যোগাযোগ করে।

এটি দেখা যায় যে কিছু গভীরতায় ধ্বনি বেশি ঘনীভূত হয়, অন্যদিকে অনেক স্থানে কম থাকে, ফলে কিছু অঞ্চল তুলনামূলকভাবে শান্ত হয়।

SOFAR চ্যানেলে ধ্বনির আবদ্ধতা

যদি পৃষ্ঠের তাপমাত্রা খুব কম হয় তবে এই প্রক্রিয়া আর কার্যকর নাও হতে পারে। এই ক্ষেত্রে ধ্বনি পৃষ্ঠে গিয়ে প্রতিফলিত হয়ে ফিরে আসবে, যেমন ১৫.১৯° কোণের জন্য চিত্রে দেখা যায়।

একই ধরনের প্রভাব ঘটে মিশ্র স্তরে—যেখানে ঢেউয়ের কারণে জলস্তর নড়াচড়া করে এবং ধ্বনির গতি কেবলমাত্র চাপের উপর নির্ভরশীল হয়। এই পরিস্থিতিতে ছায়া অঞ্চল সৃষ্টি হতে পারে।

যদি কোনো উৎস ডিপ সাউন্ড চ্যানেল অ্যাক্সিস এবং পৃষ্ঠের মাঝখানে থাকে, তবে কেবল সেই রশ্মিগুলো যেগুলোর অনুভূমিকের সাথে কোণ $\theta _{o}$ এর কম, সেগুলো আবদ্ধ থাকবে।

$\theta _{o}=\theta _{max}(z_{s}/D_{s})^{1/2}$

যেখানে $z_{s}$ হলো উৎসের গভীরতা এবং $D_{s}$ হলো চ্যানেলের গভীরতা।

প্রতিফলন

ধ্বনিতরঙ্গ যখন অন্য কোনো বস্তু যেমন সমুদ্রতল, পৃষ্ঠ, প্রাণী, জাহাজ কিংবা সাবমেরিনে আঘাত করে তখন প্রতিফলন ঘটে।

$R=(r_{2}/r_{1}-cos\theta _{t}/cos\theta _{i})/(r_{2}/r_{1}+cos\theta _{t}/cos\theta _{i})$

যেখানে $r_{1}$ জলরাশির অ্যাকোস্টিক ইম্পিডেন্স, $r_{2}$ অন্যান্য বস্তুর অ্যাকোস্টিক ইম্পিডেন্স, $\theta _{i}$ পতিত কোণ এবং $\theta _{t}$ প্রতিসৃত কোণ, যা স্নেলের সূত্র ব্যবহার করে নির্ধারণ করা হয়। এটি দ্বিমাত্রিক ক্ষেত্রের জন্য, তবে একমাত্রিক ক্ষেত্রে $\theta _{i}=\theta _{t}=0$ ধরে নেওয়া যায়।

যদি প্রতিফলিত তরঙ্গ পরিমাপ করা যায়, তবে প্রতিফলন গুণ নির্ধারণ করে বোঝা যায় বস্তুটি কেমন।

সঞ্চালন ক্ষয়

সঞ্চালন ক্ষয় (Transmission Loss) সংজ্ঞায়িত হয়:

$TL=10log[I(1)/I(r)]$

যেখানে $I(r)$ হলো নির্দিষ্ট দূরত্ব $r$ এ মাপা ধ্বনির তীব্রতা।

অনেক সময় $TL$–কে জ্যামিতিক বিস্তারে ক্ষয় ও শোষণের কারণে ক্ষয়—এই দুইভাগে ভাগ করা হয়:

$TL=TL(geom)+TL(losses)$

যদি ধ্বনি দুটি নিখুঁত প্রতিফলক পৃষ্ঠের মাঝে আবদ্ধ থাকে:

$TL=10logr+ar$

যেখানে a হলো শোষণ সহগ (dB/m এ প্রকাশিত)।

সোনার সমীকরণ

• • প্যাসিভ সোনার আগত তরঙ্গ পরিমাপ করে এবং যদি একাধিক যন্ত্র থাকে, তখন ত্রিভুজীকরণের মাধ্যমে লক্ষ্যবস্তুর অবস্থান নির্ধারণ করে। সমীকরণটি বলে যে লক্ষ্যবস্তু থেকে আগত ধ্বনি শক্তি প্রচার ক্ষয় বাদ দিয়ে পরিবেশের পটভূমি শব্দের চেয়ে বেশি হতে হবে:

• • প্যাসিভ সোনার সমীকরণ:

$SL-TL>=NL-DI+DT_{N}$

যেখানে SL হলো লক্ষ্যবস্তু থেকে নির্গত ধ্বনি স্তর, NL হলো শব্দমাত্রা, DI হলো দিকনির্দেশক সূচক এবং $DT_{N}$ হলো শব্দসীমায় নির্ধারিত সনাক্তকরণ সীমা; TL হলো প্রচার ক্ষয়।

• • অ্যাকটিভ সোনার তরঙ্গ নির্গত করে এবং প্রতিফলিত তরঙ্গ পরিমাপ করে। যেহেতু ধ্বনি দ্বিগুণ দূরত্ব অতিক্রম করে, তাই প্রচার ক্ষয় দ্বিগুণ ধরা হয়। এই সমীকরণ সঠিক পরিমাপের শর্ত নির্ধারণ করে।

• • অ্যাকটিভ সোনার সমীকরণ:

$SL-2TL+TS>=NL-DI+DT_{N}$

যেখানে SL হলো উৎস থেকে নির্গত ধ্বনি স্তর, TS হলো লক্ষ্যবস্তুর প্রতিফলন ক্ষমতা (Target Strength), যা বোঝায় বস্তুর প্রতিফলনের দক্ষতা।

তথ্যসূত্র

৩. লরেন্স ই. কিন্সলার, অস্টিন আর. ফ্রে, অ্যালান বি. কপেন্স, জেমস ভি. স্যান্ডার্স (২০০০), ফান্ডামেন্টালস অফ অ্যাকোস্টিক্স (৪র্থ সংস্করণ), উইলি