প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/বাদুড় ও ডলফিনের ইকোলোকেশন

ইকোলোকেশন হল একটি ধরনের শব্দতত্ত্ব, যা বস্তুর অবস্থান নির্ণয়ের জন্য সক্রিয় সোনার ব্যবহার করে। অনেক প্রাণী, যেমন বাদুড় ও ডলফিন, শিকার করা, শিকারি এড়ানো এবং নেভিগেশনের জন্য এই পদ্ধতি ব্যবহার করে। তারা শব্দ নির্গত করে এবং প্রতিফলিত তরঙ্গ বিশ্লেষণের মাধ্যমে আশপাশের পরিবেশ বুঝে। যেসব প্রাণীর ইকোলোকেশনের সক্ষমতা রয়েছে, তারা সাধারণত একাধিক রিসিভার ব্যবহার করে, যা বস্তুর দূরত্ব ও দিক নির্ধারণে সহায়তা করে। প্রতিধ্বনির শব্দস্তরের পার্থক্য এবং আগমনের সময় বিলম্ব নির্ণয় করে প্রাণীটি বস্তুর অবস্থান, আকার, ঘনত্ব এবং অন্যান্য বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ করতে পারে। দৃষ্টিশক্তিহীন মানুষরাও বায়োসোনার ব্যবহার করে নেভিগেশনের সুবিধা গ্রহণ করতে সক্ষম। এই পৃষ্ঠা প্রধানত বাদুড় এবং ডলফিনের ক্ষেত্রে ইকোলোকেশন কীভাবে কাজ করে, তার উপর আলোকপাত করবে।

শব্দ প্রতিফলন

চিত্র ১: তরঙ্গের প্রতিফলন ও প্রতিসরণ

যখন একটি তরঙ্গ কোনো বাধার সম্মুখীন হয়, তখন সেটি কেবল থেমে যায় না, বরং এটি প্রতিফলিত, বিচ্যুত এবং প্রতিসরিত হয়। স্নেলের প্রতিসরণের সূত্র অনুসারে:

${\frac {sin\theta _{i}}{c_{1}}}={\frac {sin\theta _{t}}{c_{2}}}={\frac {sin\theta _{r}}{c_{1}}}$

যেখানে পরিভাষাগুলো চিত্র ১-এ ব্যাখ্যা করা হয়েছে। প্রতিফলনের সূত্র অনুযায়ী আপতন কোণ এবং প্রতিফলন কোণ সমান হয় ($\theta _{i}=\theta _{r}$), যা উপরের সমীকরণে স্পষ্টভাবে দেখানো হয়েছে।

প্রতিফলন সহগ $R$ নির্ধারণের জন্য, যা নির্দেশ করে যে তরঙ্গের কত অংশ প্রতিফলিত হচ্ছে, অ্যাকোস্টিক প্রতিবন্ধকতা জানা প্রয়োজন। এটি নিম্নরূপ সংজ্ঞায়িত হয়, যেখানে $c$ হল শব্দের বেগ এবং $\rho$ হল মাধ্যমের ঘনত্ব:

$Z=\rho c$

কেবল তরল পদার্থের ক্ষেত্রে, শব্দ প্রতিফলন সহগটি আপতন কোণ এবং দুইটি মাধ্যমের বৈশিষ্ট্যগত প্রতিবন্ধকতার উপর ভিত্তি করে সংজ্ঞায়িত হয় [3]:

$R={\frac {{\frac {Z_{2}}{Z_{1}}}-{\sqrt {1-[n-1]\tan ^{2}\theta _{1}}}}{{\frac {Z_{2}}{Z_{1}}}+{\sqrt {1-[n-1]\tan ^{2}\theta _{1}}}}}\qquad$ যেখানে $n=\left({\frac {c_{2}}{c_{1}}}\right)^{2}$

যখন দ্বিতীয় মাধ্যমটি কঠিন, তখন শব্দ প্রতিফলন সহগটি হয় [9]:

$R={\frac {(r_{n}-{\frac {r_{1}}{cos\theta _{i}}})+jx_{n}}{(r_{n}+{\frac {r_{1}}{cos\theta _{i}}})+jx_{n}}}\qquad$ যেখানে $Z_{n}=r_{n}+jx_{n}$ হল স্বাভাবিক সুনির্দিষ্ট অ্যাকোস্টিক প্রতিবন্ধকতা।

শক্তির সংরক্ষণ সূত্র অনুযায়ী, একটি সিস্টেমে মোট শক্তি অপরিবর্তিত থাকে; সুতরাং, যদি কোনো অংশ প্রতিফলিত না হয়, তবে সেটি হয় বিচ্যুত হয় অথবা দ্বিতীয় মাধ্যমে প্রবেশ করে, যা ভিন্ন প্রতিবিম্ব সূচকের কারণে প্রতিসরিত হতে পারে।

চিত্র ২: আন্তঃকর্ণ সময় পার্থক্য এবং আন্তঃকর্ণ তীব্রতা স্তর

শব্দ উৎস শনাক্তকরণ

শব্দ উৎস শনাক্তকরণ হলো কোনো বস্তুর বা "টার্গেটের" দিক এবং দূরত্ব নির্ধারণ করার ক্ষমতা, যেটি নির্ভর করে শব্দের উৎস এবং শ্রোতার কানে পৌঁছানোর ভিত্তিতে। মানুষ এবং অন্যান্য প্রাণীর শ্রবণ প্রণালী শব্দের উৎস নির্ধারণের জন্য নিম্নোক্ত সংকেতসমূহ ব্যবহার করে: দুই কানের মধ্যে আন্তঃকর্ণ সময় পার্থক্য এবং আন্তঃকর্ণ তীব্রতা পার্থক্য, স্পেকট্রাল তথ্য, এবং প্যাটার্ন মিলানো [8]।

পার্শ্বীয় সমতল (বাম, ডান এবং সম্মুখ দিক) থেকে শব্দ উৎস শনাক্ত করতে প্রয়োজনীয় দ্বিকর্ণ সংকেতসমূহ হলো:

• আন্তঃকর্ণ সময় পার্থক্য: 800 Hz-এর নিচের ফ্রিকোয়েন্সির জন্য
• আন্তঃকর্ণ তীব্রতা পার্থক্য: 1600 Hz-এর উপরের ফ্রিকোয়েন্সির জন্য
• উভয় সংকেত: 800 থেকে 1600 Hz-এর মধ্যে

আন্তঃকর্ণ সময় পার্থক্য

চিত্র ৩: মাথা দ্বারা সৃষ্ট ছায়া

মানুষ এবং বহু প্রাণী উভয় কানের সাহায্যে শব্দের অবস্থান শনাক্ত করে; একে বলা হয় দ্বিকর্ণ শ্রবণ। শব্দটি যেদিক থেকে আসে, প্রথমে সেই পাশের কানে পৌঁছায়, এবং এরপর অন্য কানে। এর ফলে শ্রবণ প্রক্রিয়া দুই কানে শব্দ পৌঁছানোর সময়ের পার্থক্য বিশ্লেষণ করতে পারে। এই পর্যায় বিলম্বকেই বলা হয় আন্তঃকর্ণ সময় পার্থক্য। দুই কানে শব্দের পথের দৈর্ঘ্যের পার্থক্য $\Delta d$ এবং কৌণিক অবস্থান $\theta$-এর মধ্যে সম্পর্ক নির্ণয়ের সমীকরণটি হলো [1]:

$\Delta d=r(\theta +sin\theta )$

যেখানে $r$ হল দুই কানের মধ্যবর্তী অর্ধেক দূরত্ব। এটি প্রধানত আজিমুথ (সমতলের দিক) নির্ধারণে ব্যবহৃত হয়। অতএব, যদি বস্তুটি শ্রোতার একেবারে সম্মুখে থাকে, তাহলে কোনো আন্তঃকর্ণ সময় পার্থক্য থাকে না। এই সংকেতটি নিচু ফ্রিকোয়েন্সিতে ব্যবহৃত হয়, কারণ মাথার আকার সেই ফ্রিকোয়েন্সির তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অর্ধেকেরও কম হয়, ফলে দুই কানে পর্যায় পার্থক্য পরিলক্ষিত হয়। তবে ফ্রিকোয়েন্সি যদি 80 Hz-এর নিচে নেমে যায়, তখন পর্যায় পার্থক্য এতটাই ক্ষুদ্র হয় যে শব্দ উৎসের দিক শনাক্ত করা অত্যন্ত কঠিন হয়ে পড়ে।

আন্তঃকর্ণ তীব্রতা পার্থক্য

যখন ফ্রিকোয়েন্সি 1600 Hz-এর উপরে চলে যায়, তখন মাথার মাত্রা শব্দ তরঙ্গের তরঙ্গদৈর্ঘ্যের চেয়ে বড় হয়ে যায়। ফলে পর্যায় বিলম্ব আর শব্দের উৎস শনাক্ত করতে সাহায্য করে না। এর পরিবর্তে ব্যবহার করা হয় শব্দ তীব্রতার পার্থক্য। শব্দ তীব্রতা উৎস থেকে শ্রোতার দূরত্বের বিপরীত অনুপাতে থাকে — উৎসের যত কাছে, তীব্রতা তত বেশি। এটি মাথা দ্বারা সৃষ্ট অ্যাকোস্টিক ছায়া দ্বারাও ব্যাপকভাবে প্রভাবিত হয়। চিত্র ৩-এ দেখানো হয়েছে, কীভাবে মাথা শব্দকে আংশিকভাবে বাধা দেয় এবং উৎস থেকে আগত শব্দের তীব্রতা হ্রাস পায় [4]।

অ্যাকটিভ সোনার

অ্যাকটিভ সোনার তাদের নিজস্ব শব্দ উৎস ব্যবহার করে এবং তারপর লক্ষ্যবস্তুর প্রতিফলিত তরঙ্গের প্রতিধ্বনি পাওয়ার জন্য অপেক্ষা করে। বাদুড় এবং ডলফিন অ্যাকটিভ সোনার ব্যবহার করে প্রতিধ্বনির মাধ্যমে বস্তুর অবস্থান নির্ধারণ করে। এই প্রক্রিয়াটি শুরু হয় একটি সংকেত প্রেরণের মাধ্যমে, যার উৎস স্তরকে (SL) বলা হয়। এই ধ্বনিক তরঙ্গের তীব্রতা $I(r)$, যেখানে $r$ হলো উৎস থেকে দূরত্ব।

এরপর উৎস সংকেত লক্ষ্যবস্তুর দিকে গমন করে এবং একটি সংক্রমণ ক্ষতি (TL) অর্জন করে। লক্ষ্যবস্তুর কাছে পৌঁছানোর পর, প্রাথমিক উৎস সংকেতের একটি অংশ, যাকে লক্ষ্যবস্তুর শক্তি (TS) দ্বারা নির্দেশ করা হয়, রিসিভারের দিকে প্রতিফলিত হয়। রিসিভারের দিকে যাওয়ার পথে, সংকেতটি আরেকটি সংক্রমণ ক্ষতির সম্মুখীন হয় ($TL'$)।

যদি উৎস এবং রিসিভার একই স্থানে অবস্থিত হয় (মনোস্টেটিক ক্ষেত্র), তাহলে $TL=TL'$ হয়। এক্ষেত্রে প্রতিধ্বনি স্তর (EL) এর সমীকরণ হবে [9]:

$EL=10\log {\frac {I(r)\sigma }{I_{ref}4\pi }}-TL'$

এখানে লক্ষ্যবস্তুর শক্তির সমীকরণটি হলো [9]:

$TS=10\log {\frac {\sigma }{4\pi }}$

প্রতিধ্বনি প্রতিচ্ছুরণ

যখন একটি শব্দ প্রেরণ করা হয়, তখন পরিবেশে উপস্থিত অন্যান্য বস্তু সেই সংকেতকে ছড়িয়ে দিতে পারে, যার ফলে লক্ষ্যবস্তুর প্রতিধ্বনির পাশাপাশি অন্যান্য প্রতিধ্বনিও সৃষ্টি হয়। উদাহরণস্বরূপ, পানির নিচে এই প্রতিধ্বনি প্রতিচ্ছুরণ বুদবুদ, মাছ, সমুদ্রের পৃষ্ঠ এবং তলদেশ, অথবা প্ল্যাঙ্কটনের কারণে হতে পারে। এই পটভূমির প্রতিধ্বনি সংকেত লক্ষ্যবস্তুর প্রকৃত প্রতিধ্বনিকে ঢেকে দিতে পারে।

তাই, লক্ষ্যবস্তুর প্রতিধ্বনিকে আলাদা করতে প্রতিধ্বনি স্তর (RL) নির্ধারণ করা প্রয়োজন।

এক্ষেত্রে $TS_{R}$ হলো প্রতিধ্বনি সৃষ্টকারী অঞ্চলের লক্ষ্যবস্তুর শক্তি এবং এটি সংজ্ঞায়িত করা হয়:

$TS_{R}=S_{v}+10\log V=S_{A}+10\log A$

যেখানে $V$ (বা $A$) হলো সেই আয়তন (বা ক্ষেত্রফল) যেখান থেকে ছড়ানো শব্দ একই সময়ে রিসিভারে পৌঁছাতে পারে যেমনভাবে কাঙ্ক্ষিত লক্ষ্যবস্তুর প্রতিধ্বনি আসে [9]। এবং $S_{v}$ (বা $S_{A}$) হলো একক আয়তন (বা একক পৃষ্ঠের) জন্য ছড়ানোর শক্তি।

বাদুড়ের প্রতিধ্বনি নির্ভর দৃষ্টিশক্তি

চিত্র ৫: বাদুড়ের প্রতিধ্বনি নির্ভর দৃষ্টিশক্তি

বাদুড়রা তাদের কণ্ঠনালীর মাধ্যমে শব্দ উৎপন্ন করে এবং সেগুলো মুখ দিয়ে অথবা কিছু প্রজাতির ক্ষেত্রে নাক দিয়ে নির্গত করে। তাদের ডাকে বিভিন্ন ধরনের উপাদান থাকে: ব্রডব্যান্ড উপাদান (যা বিভিন্ন তরে কম্পাংকে পরিবর্তিত হয়), নিরেট সুরযুক্ত সংকেত (যেগুলো ধ্রুব ফ্রিকোয়েন্সির), অথবা উভয় উপাদানের সংমিশ্রণ। এই শব্দগুলোর স্থায়ীত্ব ০.৩ মিলিসেকেন্ড থেকে ১০০ মিলিসেকেন্ড পর্যন্ত হতে পারে এবং ফ্রিকোয়েন্সি ১৪ থেকে ১০০ কিলোহার্জ-এর মধ্যে হয় [7]। প্রতিটি প্রজাতির ডাক তাদের জীবনধারা ও শিকারের অভ্যাস অনুযায়ী বিশেষভাবে অভিযোজিত হয়ে থাকে।

ব্রডব্যান্ড উপাদানগুলি ব্যবহার করা হয় বন্ধ পরিবেশে যেখানে ব্যাকগ্রাউন্ড শব্দ থাকে। এই ধরনের সংক্ষিপ্ত ডাক লক্ষ্যবস্তুর অবস্থান নির্ধারণে অধিক নির্ভুলতা প্রদান করে। দ্রুত ও সংক্ষিপ্ত ডাকের ফলে তরঙ্গগুলোর ওভারল্যাপ হওয়া রোধ হয়, ফলে আন্তঃকর্ণ সময় পার্থক্য ব্যবহার করা সম্ভব হয়। অপরদিকে, খোলা পরিবেশে, যেখানে পটভূমির শব্দ কম, সেখানে নিরেট সুরযুক্ত সংকেত ব্যবহার করা হয়। এই ডাকগুলো দীর্ঘস্থায়ী হয়, যার ফলে বাদুড় দূরের শিকার নির্ধারণ করতে পারে। শিকার খোঁজার সময় বাদুড় প্রতি সেকেন্ডে ১০ থেকে ২০ বার পর্যন্ত শব্দ নির্গত করে। লক্ষ্যবস্তুর নিকটে আসার সঙ্গে সঙ্গে এই হার প্রতি সেকেন্ডে ২০০ বার পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে। সাধারণত বাদুড়ের প্রতিধ্বনির মাধ্যমে অনুভবের পরিসীমা প্রায় ১৭ মিটার।

অন্যান্য স্তন্যপায়ীদের ক্ষেত্রে, আন্তঃকর্ণ সময় পার্থক্য এবং আন্তঃকর্ণ তীব্রতার পার্থক্য কেবল পার্শ্বীয় দিক নির্ধারণে ব্যবহৃত হয়। কিন্তু বাদুড়রা ব্রডব্যান্ড সংকেতের উপস্থিতিতে এই তীব্রতার পার্থক্য ব্যবহার করে উল্লম্ব অবস্থানও নির্ধারণ করতে পারে। আরও একটি পার্থক্য হলো বাদুড়ের কান চলমান, ফলে তারা বিভিন্ন শ্রাব্য সংকেতের মধ্যে পরিবর্তন করতে সক্ষম হয়।

বাদুড়ের শ্রবণ যন্ত্রপাতি অধিকাংশ স্তন্যপায়ীদের মতো হলেও, বিবর্তনের মাধ্যমে তারা নিজেদের প্রয়োজনে এগুলোকে অভিযোজিত করেছে। এর মধ্যে একটি বিশেষ বৈশিষ্ট্য হলো বড় কান, যা শ্রাব্য অ্যান্টেনা এবং যান্ত্রিক পরিবর্ধকের মতো কাজ করে। কান গতি করার মাধ্যমে আগত শব্দ তরঙ্গকে কেন্দ্রীভূত করা যায়, এবং তা শক্তিশালী অথবা দুর্বল করা যায়।

ডলফিনের প্রতিধ্বনি নির্ভর দৃষ্টিশক্তি

চিত্র ৬: ডলফিনের প্রতিধ্বনি নির্ভর দৃষ্টিশক্তি

প্রতিধ্বনি নির্ভর দৃষ্টিশক্তির মৌলিক ধারণাটি বাদুড় ও ডলফিন উভয়ের ক্ষেত্রে অনুরূপ, তবে যেহেতু এই দুই প্রাণী একেবারেই ভিন্ন পরিবেশে বাস করে, তাই তাদের মধ্যে কিছু নির্দিষ্ট বৈশিষ্ট্যগত পার্থক্য বিদ্যমান।

ডলফিনরা নাসা-গলনালীয় অঞ্চল ব্যবহার করে বিভিন্ন ধরনের শব্দ (ক্লিক, বার্স্ট পালস এবং হুইসেল) উৎপন্ন করে, যা প্রধানত দুটি উদ্দেশ্যে ব্যবহৃত হয়: প্রতিধ্বনি নির্ভর দৃষ্টিশক্তি এবং যোগাযোগ। ক্লিক হচ্ছে ধীরগতির পালস, যা ৭০ থেকে ২৫০ মাইক্রোসেকেন্ড স্থায়ী হয় এবং ৪০ থেকে ১৫০ কিলোহার্জ ফ্রিকোয়েন্সিতে সৃষ্টি হয়; অন্যদিকে বার্স্ট পালস অত্যন্ত দ্রুত গতিতে তৈরি হয়—এগুলি মূলত প্রতিধ্বনি নির্ভর দৃষ্টিশক্তির জন্য ব্যবহৃত হয় [1]। ক্লিক উৎপন্ন হওয়ার পর সংশ্লিষ্ট শব্দ তরঙ্গ ডলফিনের কপালের গোলাকার চর্বিযুক্ত অংশ *মেলন*-এর মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করে। মেলনের কাজ হলো একটি শ্রাব্য লেন্স হিসেবে কাজ করা, যা উৎপন্ন তরঙ্গকে একটি বিম বা রশ্মিতে কেন্দ্রীভূত করে সামনের দিকে প্রেরণ করে। এত উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সিতে শব্দ তরঙ্গ পানিতে খুব দূর পর্যন্ত ভ্রমণ করতে পারে না, ফলে প্রতিধ্বনির কার্যকারিতা সাধারণত ৫ থেকে ২০০ মিটার দূরত্বে সবচেয়ে বেশি হয়, যেখানে শিকার ৫ থেকে ১৫ সেন্টিমিটার দৈর্ঘ্যের হয়ে থাকে [6]।

যখন তরঙ্গ কোনো বস্তুর সাথে সংঘর্ষে প্রতিফলিত হয়, তখন বাদুড়ের মতো পিনা (বহিঃকর্ণ) না থাকায় ডলফিন এই প্রতিফলিত সংকেত গ্রহণ করে তাদের নিম্ন চোয়ালের হাড়ের চর্বিযুক্ত গহ্বরের মাধ্যমে (চিত্র ৬)। পানির উচ্চ শ্রাব্য প্রতিবন্ধকতার কারণে, ডলফিনের এই নরম টিস্যুগুলোর প্রতিবন্ধকতাও অনুরূপ হয়, ফলে শব্দ তরঙ্গ প্রতিফলিত না হয়ে সহজেই অভ্যন্তরীণ কানে পৌঁছাতে পারে। এরপর শব্দ মধ্যকর্ণ ও অভ্যন্তরীণ কর্ণে সঞ্চালিত হয়, যেখান থেকে তা মস্তিষ্কে প্রেরিত হয়।

তথ্যসূত্র

[1] Au, W. W. L., Popper, A. N., & Fay, R. R. (2000)। *Hearing by whales and dolphins*। Springer handbook of auditory research, v. 12। নিউ ইয়র্ক: স্প্রিংগার।
[2] Thomas, J. A., Moss, C., & Vater, M. (2004)। *Echolocation in bats and dolphins*। শিকাগো: দ্য ইউনিভার্সিটি অফ শিকাগো প্রেস
[3] Wave Reflection। (তারিখ নেই)। ১৭ অক্টোবর, ২০১০ তারিখে সংগৃহীত, http://www.sal2000.com/ds/ds3/Acoustics/Wave%20Reflection.htm থেকে
[4] Diracdelta.co.uk, বিজ্ঞান ও প্রকৌশল বিশ্বকোষ। (তারিখ নেই)। ৬ নভেম্বর, ২০১০ তারিখে সংগৃহীত, Interaural Level Difference: http://www.diracdelta.co.uk/science/source/i/n/interaural%20level%20difference/source.html থেকে
[5] Murat Aytekin, J. Z. (২০০৭, ২৭ নভেম্বর)। ১৫৪তম ASA সম্মেলন, নিউ অরলিন্স, LA। ১০ নভেম্বর, ২০১০ তারিখে সংগৃহীত, Sound localization by echolocating bats: Are auditory signals enough?: http://www.acoustics.org/press/154th/aytekin.html থেকে
[6] Seaworld। (২০০২)। ২০ সেপ্টেম্বর, ২০১০ তারিখে সংগৃহীত, Bottlenose Dolphins Communication and Echolocation: http://www.seaworld.org/infobooks/bottlenose/echodol.html থেকে
[7] Wikipedia। (২০১০, ৪ ফেব্রুয়ারি)। ১৯ সেপ্টেম্বর, ২০১০ তারিখে সংগৃহীত, Animal Echolocation: http://en.wikipedia.org/wiki/Animal_echolocation থেকে
[8] Wikipedia। (২০০৯, ১৪ মার্চ)। ১৯ সেপ্টেম্বর, ২০১০ তারিখে সংগৃহীত, Sound Localization: http://en.wikipedia.org/wiki/Sound_localization থেকে
[9] Kinsler, L. E. (১৯৮২)। *Fundamentals of acoustics*। নিউ ইয়র্ক: ওয়াইলি।