প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/প্রতিধ্বনিহীন টালি

ভূমিকা

এইচএমএস ট্রায়াম্ফ (S93)-এ প্রতিধ্বনিহীন টালির প্রয়োগ

শব্দবিজ্ঞানের গবেষণার একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রয়োগ হলো পানির নিচে শব্দ গোপনের জন্য প্রতিধ্বনিহীন টালির পরীক্ষা, নকশা ও নির্মাণ। দ্বিতীয় বিশ্বযুদ্ধের সময় জার্মান ইউ-নৌকা (কোডনেম “আলবেরিখ” ) দ্বারা প্রথমবার এই টালিগুলোর ব্যবহার শুরু হয়। এই টালিগুলো নৌযানগুলোর শব্দ-চিহ্ন হ্রাস করতে সহায়তা করে। এগুলো চাপযুক্ত আবরণ থেকে প্রতিফলিত সক্রিয় সোনার এবং অভ্যন্তরীণ শব্দ, যা নিষ্ক্রিয় সোনার দ্বারা শনাক্ত করা যায়, উভয়ই কমিয়ে দেয়। আধুনিক যুগে, প্রায় প্রতিটি সাবমেরিনেই প্রতিধ্বনিহীন টালি ব্যবহার করা হয়ে থাকে। সোনার ব্যবহারের ফ্রিকোয়েন্সি সীমা, এবং সেই অনুযায়ী টালির কার্যকারিতার জন্য গুরুত্বপূর্ণ সীমা, সাধারণত ১-৩০ কিলোহার্জ এর মধ্যে ।

এই টালির শব্দ হ্রাসের প্রধান পদ্ধতি হলো রাবারের মধ্যে থাকা বায়ু ফাঁপাগুলোর কারণে শব্দ তরঙ্গের অনুরণিত বিচ্ছুরণ। বায়ু বুদ্বুদ ব্যবহার করে শব্দ হ্রাসের এই পদ্ধতি প্রথম প্রকাশ করেন জার্মান শব্দবিজ্ঞানী এরউইন মায়ার এবং ইউজেন স্কুদরিজ্ক, যাঁরা ১৯৪৬ সালে ব্রিটিশ অধিকৃত জার্মান অঞ্চলে একটি প্রতিবেদন লেখেন এবং সেটি ১৯৫০ সালে মার্কিন নৌবাহিনীর দ্বারা ইংরেজিতে অনুবাদ করে অবহিত করা হয় । এই বায়ু বুদ্বুদগুলো অনুরণিত দোলকের মতো কাজ করে এবং শব্দ শক্তি তাপীয় ক্ষয়, ঘর্ষণ এবং অন্যান্য প্রক্রিয়ার মাধ্যমে অপচয় করে ।

"ফ্রি-ফিল্ড" নামক পরিস্থিতিতে, যেখানে পরীক্ষাধীন প্যানেলের উভয় পাশে জল থাকে, শব্দবৈশিষ্ট্য পরিমাপ করার জন্য ট্যাঙ্কে পরীক্ষা করা হয়। এই পরীক্ষাগুলো তাত্ত্বিকভাবে সহজ এবং অভ্যন্তরীণ গবেষণাগারে সম্পাদনযোগ্য । এই ধরণের পরীক্ষার ফলাফল কীভাবে কঠিন পৃষ্ঠবিশিষ্ট প্যানেলে (যেমন সাবমেরিনের আবরণ) প্রয়োগ করা যায়, তা নিয়ে একটি পদ্ধতি উপস্থাপন করেন ক্রিশ্চিয়ান ওডলি ।

সমতল তরঙ্গ

ট্রান্সমিশন ও প্রতিফলন গুণাঙ্ক ${\hat {T}}$ এবং ${\hat {R}}$ কে আপতিত, প্রতিফলিত ও সঞ্চারিত শব্দচাপের মাত্রার অনুপাতে প্রকাশ করা হয়:

একটি প্যানেলের মাধ্যমে সঞ্চারিত তরঙ্গের শব্দ শক্তির সংরক্ষণ সূত্র নিম্নরূপ: $|{\hat {T}}|^{2}+|{\hat {R}}|^{2}+|{\hat {A}}|^{2}=1$

এখানে ${\hat {A}}$ হলো শব্দ শোষণ গুণাঙ্ক। শক্তি সংরক্ষণ সমীকরণ পর্যবেক্ষণ করলে বোঝা যায় যে $|{\hat {T}}|$ এবং $|{\hat {R}}|$ কমাতে হলে শব্দ শক্তির অপচয় $|{\hat {A}}|$ বাড়াতে হবে। ধাতব পদার্থে, বিশেষ করে এই গবেষণায় ব্যবহৃত ফ্রিকোয়েন্সি রেঞ্জে, $|{\hat {A}}|\approx 0$ ধরা হয়। কিন্তু রাবার জাতীয় পদার্থে, বিশেষ করে যেসব পদার্থে বায়ু ফাঁপা রয়েছে , সেখানে $|{\hat {A}}|$ কে উপেক্ষা করা যায় না ।

"ইনসারশন লস" ($IL$) বা "প্রতিধ্বনি হ্রাস" ($ER$) পরিভাষাগুলো ব্যবহৃত হয়। ইনসারশন লস বলতে বোঝায় একটি প্যানেল স্থাপন করার ফলে শব্দ শক্তির (ডেসিবেলে) হ্রাস, যা ট্রান্সমিশন গুণাঙ্কের সাথে সম্পর্কিত: $IL=-10\log |{\hat {T}}|^{2}$। প্রতিধ্বনি হ্রাস বোঝায় প্রতিফলনের পরে শব্দ শক্তির (ডেসিবেলে) হ্রাস: $ER=-10\log |{\hat {R}}|^{2}$।

ত্রিস্তরীয় মাধ্যম: প্যানেলে শোষণ নেই

যদি দুটি অসীম তরল স্তরের মাঝে একটি নমুনা থাকে যার পুরুত্ব $L$ এবং যেটির রোধ $r_{2}=\rho _{2}c_{2}$, এবং উভয় তরল স্তরের রোধ $r_{1/3}=\rho _{1/3}c_{1/3}$, এবং $k=\omega /c_{2}$ হয়, তাহলে সোজাসুজি আপতনের ক্ষেত্রে প্রতিফলন গুণাঙ্ক ${\hat {R}}$ এর জন্য নিচের সমীকরণ প্রয়োগ করা যায় :

যদি প্রথম ও তৃতীয় তরল একসাথে অভিন্ন হয় অর্থাৎ $r_{3}=r_{1}$, তাহলে সমীকরণ (টেমপ্লেট:EquationNote) সরলীকরণ করে নিচের রূপে লেখা যায় :

যেখানে $m={\frac {r_{1}}{r_{2}}}$। সমীকরণ (টেমপ্লেট:EquationNote) থেকে দেখা যায়, $kL=n\pi$ হলে ${\hat {R}}$ এর ন্যূনতম এবং ${\hat {T}}$ এর সর্বোচ্চ মান পাওয়া যায়, অর্থাৎ অনুরণন ঘটে। এই ক্ষয়হীন $IL$ এবং $ER$ পরবর্তী চিত্রগুলিতে $kL$ এর উপর ভিত্তি করে অ্যালুমিনিয়াম প্যানেলের ক্ষেত্রে (যা পানিতে স্থগিত) কালো রেখায় অঙ্কিত হয়েছে।

তিন-স্তর বিশিষ্ট মাধ্যম: প্যানেল শোষণ সহ

যেসব প্যানেল মাধ্যমে ধ্বনিশোষণ ঘটে, সেসবের ক্ষেত্রে ইনসার্শন লস এবং ইকো রিডাকশনের বর্ণনা দিতে (টেমপ্লেট:EquationNote) সূত্রগুলো ব্যবহার করা যায়, যেখানে $\alpha$ হল ক্ষয় ধ্রুবক ($dB/m$ এককে) এবং $r={\frac {\alpha }{\omega c_{2}}}$। যদি ধ্বনিশোষণ না থাকে অর্থাৎ $\alpha =0$, তবে (টেমপ্লেট:EquationNote)-এর সূত্রগুলোই পুনরায় ফিরে আসে।

প্যানেল উপাদানে শোষণের প্রভাব $IL$ ও $ER$-এর ওপর কেমন পড়ে, তা নিচের চিত্রে দেখানো হয়েছে: টেমপ্লেট:Dropimage

ধ্বনিশোষণসহ n-স্তরের কঠিন প্যানেলের সাধারণ রূপের জন্য, সূত্রে উপায় বর্ণনা করা হয়েছে।

পরীক্ষামূলক উপাত্ত থেকে α(ω) নির্ধারণ

$\alpha$ ধ্রুবক নয় বরং ফ্রিকোয়েন্সির উপর নির্ভরশীল, এজন্য এর জন্য ২য় শ্রেণির আনুমানিক রূপ ব্যবহার করা হয় (টেমপ্লেট:EquationNote)। অ্যালুমিনিয়াম এবং নাইট্রাইল রাবারের ক্ষেত্রে এর একটি উদাহরণ নিচের চিত্রে দেখা যায়।

ধ্বনি-ট্যাংক পরীক্ষার মাধ্যমে পরীক্ষামূলকভাবে $\alpha (\omega )$ নির্ধারণ করা যায়। প্রথমে শক্তি সংরক্ষণ সূত্র ব্যবহার করে এবং $|{\hat {T}}|$ ও $|{\hat {R}}|$ পরিমাপ করে $|{\hat {A}}|$ নির্ণয় করা হয় :

এরপর (টেমপ্লেট:EquationNote) সূত্রের $a$ নির্ধারণের জন্য নিচের সূত্র ব্যবহার করা হয়, তারপর $b$ পরীক্ষার ডেটাতে ফিট করানো হয়:

পরীক্ষামূলক বিশ্লেষণ

প্যানেল উপাদানের $|{\hat {T}}|$ ও $|{\hat {R}}|$ নির্ধারণের জন্য জলের ট্যাংকে ফ্রি-ফিল্ড অ্যাকুস্টিক পরীক্ষা করা হয়। একটি প্যারামেট্রিক অ্যারে উৎস $(a)$ একটি উচ্চদিকনির্দেশক ধ্বনি তরঙ্গ উৎপন্ন করে যার ফার-ফিল্ড ডিরেকশনালিটি ফাংশন হল $D(\theta )$।

ইনসার্শন লস

একটি হাইড্রোফোন $(c)$ ব্যবহার করে একটি পরিমাপ করা হয় যেখানে নমুনা $(b)$ উপস্থিত এবং একটি যেখানে নমুনা অনুপস্থিত। নমুনা সহ চাপ $P_{t}$ এবং নমুনা ছাড়া $P_{i}$ পরিমাপ করা হয়।

ইকো রিডাকশন

প্রতিফলনের পরীক্ষায় নমুনা থেকে প্রতিফলিত চাপ $P_{r}$ পরিমাপ করা হয় এবং $P_{i}$ পরিমাপের জন্য ফোম রিফ্লেক্টর ব্যবহার করা হয়, যা উচ্চ অ্যাকুস্টিক ইমপিড্যান্স মিসম্যাচ তৈরি করে।

চাপ পরিমাপ

নিচের চিত্রে দেখানো হয়েছে, সময়ের সাথে চাপ সঙ্কেত রেকর্ড করা হয় এবং ফৌরিয়ার ট্রান্সফর্ম ব্যবহার করে চাপ-ফ্রিকোয়েন্সি নির্ধারণ করা হয়। $|{\hat {R}}|$ ও $|{\hat {T}}|$ হল প্রাপ্ত চাপ স্পেকট্রার অনুপাত।

ফলাফল

অ্যালুমিনিয়াম টেস্ট স্যাম্পল নিয়ে ইনসার্শন লস এবং ইকো রিডাকশন এর প্লট নিচে দেখানো হয়েছে। অ্যালুমিনিয়াম ধাতু তার সুপরিচিত অ্যাকুস্টিক বৈশিষ্ট্য ও অতি সামান্য শোষণের কারণে নির্বাচিত হয়েছে। পরীক্ষার ফলাফল তত্ত্বের সাথে ভাল সঙ্গতি প্রদর্শন করে ।

অন্যান্য বিবেচনা

সাবমেরিনে প্রতিধ্বনিহীন টালি ব্যবহারের ক্ষেত্রে ডুবে থাকা অবস্থায় চারপাশের পরিবেশ যেমন চাপ, লবণাক্ততা ও তাপমাত্রা পরিবর্তিত হয়। এগুলো জলের, রাবারের ও টাইলের অ্যাকুস্টিক বৈশিষ্ট্যের উপর প্রভাব ফেলে। এ বর্ণিত পরিবেশ-সিমুলেটর ট্যাংক এই শর্তগুলো অনুকরণ করতে পারে। প্যারামেট্রিক অ্যারে দ্বারা উৎপন্ন শব্দের তরঙ্গদৈর্ঘ্য ট্যাংকের আকার দ্বারা সীমাবদ্ধ। কম ফ্রিকোয়েন্সির পরীক্ষার জন্য বড় ট্যাংক বা ট্যাংকের দেয়ালে প্রতিধ্বনিহীন প্রলেপ দরকার হয়।

তথ্যসূত্র

প্রধান পাতায় ফিরে যান

---

By: Geoffrey Chase