প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/হাইড্রোলিক সিস্টেমে কোলাহল

হাইড্রোলিক সিস্টেমে শব্দ

হাইড্রোলিক সিস্টেম বিদ্যুৎ সঞ্চালনের সবচেয়ে পছন্দের উৎস। বিদ্যুৎ ঘনত্ব, কম্প্যাক্টনেস, নমনীয়তা, দ্রুত প্রতিক্রিয়া এবং দক্ষতার সুবিধার কারণে বেশিরভাগ শিল্পে এবং মোবাইল সরঞ্জামে হাইড্রোলিক সিস্টেম বিদ্যুৎ সঞ্চালনের কাজে বেশি ব্যবহার হয়। তরল পদার্থের গতিবিজ্ঞান বা হাইড্রোলিক্স এবং বায়ুবিজ্ঞান বা নিউমেটিক্স এই দুই ক্ষেত্রের শক্তিকে প্রযুক্তিতে কাজে লাগিয়ে ‘ফ্লুইড পাওয়ার টেকনোলজি’ নামের উদ্ভব হয়েছে। তাই এই ক্ষেত্রটি ‘ফ্লুইড পাওয়ার টেকনোলজি’ নামেও পরিচিত। ফ্লুইড পাওয়ার বা তরল শক্তির বিভিন্ন ধরণের প্রয়োগ রয়েছে। শিল্পে, যানবাহনে, স্বয়ংক্রিয় সিস্টেম এবং বিমানের প্রযুক্তিতে তরল শক্তির বিভিন্ন ধরণের প্রয়োগ দেখা যায়। তরল শক্তির প্রয়োগে কিছু সুবিধা যেমন রয়েছে তেমনি কিছু অসুবিধাও থাকে। হাইড্রোলিক শক্তি ব্যবস্থার একটি প্রধান অসুবিধা হলো সেই ব্যবস্থার দ্বারা উৎপন্ন কম্পন এবং শব্দ। শব্দ, কম্পন এবং কঠোরতা (এনভিএইচ) সম্পর্কিত স্বাস্থ্য ও নিরাপত্তার সমস্যাগুলি বহু বছর ধরে স্বীকৃত। আইন এখন নির্মাতাদের উপর শব্দের মাত্রা কমানোর জন্য স্পষ্ট দাবি করে।[১] সেইজন্য শিল্পক্ষেত্র ও শিক্ষা প্রতিষ্ঠানের গবেষক উভয় পক্ষ থেকেই হাইড্রোলিক ফ্লুইড পাওয়ার সিস্টেমের শব্দ কমানোর উপর অনেক মনোযোগ দেওয়া হয়েছে। হাইড্রোলিক ফ্লুইড পাওয়ার সিস্টেমের এনভিএইচ কর্মক্ষমতা উন্নত করার জন্য শব্দ উৎপাদন, সঞ্চালন এবং বিস্তার সম্পর্কে ভালো ধারণা থাকা খুবই জরুরী।

তরল পদার্থে শব্দ

তরল পদার্থে শব্দের বেগ নিম্নলিখিত সমীকরণ ব্যবহার করে নির্ধারণ করা যেতে পারে।

$c={\sqrt {\frac {K}{\rho }}}$ যেখানে K — তরলের বাল্ক মডুলাস বা আয়তনাঙ্ক, $\rho$ - তরলের ঘনত্ব, c - শব্দের বেগ বাল্ক মডুলাসের সাধারণ মান '2e9 থেকে 2.5e9 N/m2' পর্যন্ত। '৮৮৯ কেজি/ঘন মিটার' ঘনত্বের একটি নির্দিষ্ট তেলের জন্য, শব্দের গতি $c={\sqrt {\frac {2e9}{889}}}=1499.9m/s$

শব্দের উৎস

হাইড্রোলিক সিস্টেমে শব্দের প্রধান উৎস হল পাম্প। আবার এই পাম্প অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ কারণ এটি তরল প্রবাহ সরবরাহ করে। শিল্পে অনেক জায়গায় পজিটিভ ডিসপ্লেসমেন্ট পাম্প ব্যবহৃত হয়। পজিটিভ ডিসপ্লেসমেন্ট পাম্পগুলির মধ্যে আবার অক্ষীয় পিস্টন সোয়াশ প্লেট টাইপ পাম্প বেশিরভাগ ক্ষেত্রেই বেশি পছন্দের কারণ সেগুলি নিয়ন্ত্রণ করা সহজ এবং এর কর্ম দক্ষতা বেশি।

একটি অক্ষীয় পিস্টন পাম্পে শব্দ উৎপন্নের কারণকে দুটি ভাগে শ্রেণীবদ্ধ করা যেতে পারে:

(i) তরলবাহিত শব্দ (ফ্লুইডবোর্ন নয়েজ বা এফবিএন) এবং

(ii) কাঠামোগত শব্দ (স্ট্রাকচারবোর্ন নয়েজ বা এসবিএন)

তরলবাহিত শব্দ (ফ্লুইডবোর্ন নয়েজ বা এফবিএন)

পজিটিভ ডিসপ্লেসমেন্ট পাম্পগুলির মধ্যে অক্ষীয় পিস্টন পাম্প থেকে সর্বোচ্চ স্তরের তরলবাহিত শব্দ (ফ্লুইডবোর্ন নয়েজ বা এফবিএন) তৈরি হয়। আর সর্বনিম্ন স্তরের শব্দ তৈরি হয় স্ক্রু পাম্প দ্বারা। এর মাঝখানে রয়েছে গিয়ার পাম্প এবং ভেন পাম্প।[১] এই পৃষ্ঠার আলোচনা মূলত নানা ধরনের 'অক্ষীয় পিস্টন সোয়াশ প্লেট পাম্প' নিয়ে। একটি অক্ষীয় পিস্টন পাম্পে একটি নির্দিষ্ট সংখ্যক ডিসপ্লেসমেন্ট চেম্বার থাকে যা একটি বৃত্তাকার প্যাটার্নে সাজানো থাকে এবং একে অপরের থেকে $\phi ={\frac {360}{n}}$ এর সমান কৌণিক পিচ দ্বারা পৃথক করা হয়। যেখানে n হলো ডিসপ্লেসমেন্ট চেম্বার-এর সংখ্যা। যেহেতু প্রতিটি চেম্বার একটি নির্দিষ্ট পরিমাণ তরল বের করে, তাই পাম্পের নির্গমন পথে তরলের যে প্রবাহ হয় তা হলো পৃথক চেম্বারগুলো থেকে আসা সমস্ত তরল প্রবাহের সমষ্টি। সংলগ্ন চেম্বারগুলির মধ্যে প্রবাহের বিচ্ছিন্নতার ফলে একটি গতিময় প্রবাহ তরঙ্গের সৃষ্টি হয়। পাম্পের আকার এবং ডিসপ্লেমেন্ট চেম্বারের সংখ্যা বিবেচনা করে তাত্ত্বিকভাবে গতিময় প্রবাহ তরঙ্গের প্রশস্ততা নির্ধারণ করা যেতে পারে। এই গতিময় প্রবাহ তরঙ্গ হলো তরলবাহিত শব্দের প্রধান কারণ। গতিময় প্রবাহ তরঙ্গের ব্যাপারটির তাত্ত্বিক মূল্য রয়েছে। পাম্পের নির্গমন নলের মুখে প্রকৃত পক্ষে "প্রবাহ তরঙ্গ" তাত্ত্বিক মানের চেয়ে অনেক বেশি হয় কারণ "গতিময় প্রবাহ তরঙ্গ" একটি "সংকোচনযোগ্য উপাদান" এর সাথে মিলিত হয়। আর তরলের সংকোচনযোগ্যতার কারণে এর মান বেশি হয়। পাম্পে উৎপন্ন এই গতিময় প্রবাহ তরঙ্গগুলি (যাকে প্রবাহ স্পন্দনও বলা হয়) পাম্পের সাথে সংযুক্ত নল বা পাইপ বা নমনীয় হোস পাইপের মাধ্যমে প্রেরণ করা হয় এবং হাইড্রোলিক সার্কিটের সমস্ত অংশে এই গতিময় প্রবাহ তরঙ্গগুলি ঘুরে বেড়ায়।

পাম্পকে একটি আদর্শ তরল প্রবাহের উৎস হিসেবে বিবেচনা করা হয়। সিস্টেমের চাপ, প্রবাহের প্রতিরোধের দ্বারা নির্ধারিত হয়। এটি সিস্টেম লোড নামে পরিচিত। তরল পদার্থের প্রবাহের স্পন্দনের ফলে চাপ স্পন্দন হয়। চাপ স্পন্দনগুলি গড় সিস্টেম চাপের উপর অধিষ্ঠিত হয়। "প্রবাহ এবং চাপ স্পন্দন" উভয়ই সহজেই সার্কিটের সমস্ত অংশে ভ্রমণ করে এবং সিস্টেমের নিয়ন্ত্রণ ভালভ, অ্যাকচুয়েটর প্রভৃতি যন্ত্রাংশের কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করে। এটি যন্ত্রাংশে কম্পনের সৃষ্টি করে। আবার কখনও কখনও অনুরণিতও করে। সিস্টেমের যন্ত্রাংশগুলির এই কম্পন আবার প্রবাহ স্পন্দনের ফলে উৎপন্ন শব্দকে আরও বাড়িয়ে তোলে। সার্কিটে তরলবাহিত শব্দ (ফ্লুইড বোর্ন নয়েজ বা এফবিএন)-এর প্রেরণ নীচে ট্রান্সমিশনের অধীনে আলোচনা করা হয়েছে।

১০০০ আরপিএম-এ চলমান ৯টি পিস্টন বিশিষ্ট একটি সাধারণ অক্ষীয় পিস্টন পাম্প ৭০ ডেসিবল-এর বেশি শব্দ চাপের স্তর তৈরি করতে পারে।

কাঠামোগত শব্দ (স্ট্রাকচারবোর্ন নয়েজ বা এসবিএন)

সোয়াশ প্লেট ধরণের পাম্পের ক্ষেত্রে কাঠামোগত শব্দের প্রধান উৎস হলো সোয়াশ প্লেটের ওঠানামাকারী অস্থির বল এবং এর ভরবেগ। ডিসপ্লেসমেন্ট চেম্বার-এর অভ্যন্তরে বিভিন্ন চাপের ফলে এই ওঠানামাকারী অস্থির বলের উদ্ভব হয়। পাম্পের ভিতরের তরল উপাদানগুলি সাকশন স্ট্রোক থেকে ডিসচার্জ স্ট্রোকে যাওয়ার সাথে সাথে চাপ কয়েক বার চাপ একক থেকে কয়েকশ বারে পরিবর্তিত হয়। চাপের এই পরিবর্তনগুলি পাম্পের ভিতরের যন্ত্রাংশে (এই ক্ষেত্রে, পিস্টনগুলিতে) বল হিসাবে প্রতিফলিত হয়। আর এই বল সোয়াশ প্লেটের উপর এসে পড়ে যার ফলে সোয়াশ প্লেটটি কম্পিত হয়। সোয়াশ প্লেটের এই কম্পনই "কাঠামোগত শব্দ (স্ট্রাকচারবোর্ন নয়েজ বা এসবিএন)" এর প্রধান কারণ। পাম্পের সিস্টেমে থাকা অন্যান্য উপাদানও কম্পন সৃষ্টি করে কাঠামোগত শব্দের দিকে পরিচালিত করে। তবে সোয়াশ প্লেট কাঠামোগত শব্দ সৃষ্টির একটি প্রধান কারণ।

চিত্র ১-এ অক্ষীয় পিস্টন পাম্পের বিভিন্ন অংশ দেখানো হয়েছে। এছাড়াও পাম্পের ঘূর্ণনের জন্য সোয়াশ প্লেটের প্রবাহ স্পন্দন এবং স্পন্দন বা দোলন বলও দেখানো হয়েছে, যা যথাক্রমে তরলবাহিত শব্দ এবং কাঠামোগত শব্দ সৃষ্টি করে।

শব্দের ট্রান্সমিশন বা প্রেরণ

তরলবাহিত শব্দ (ফ্লুইডবোর্ন নয়েজ বা এফবিএন)

তরলবাহিত শব্দের ট্রান্সমিশন বা প্রেরণ একটি জটিল প্রক্রিয়া। গত কয়েক দশক ধরে, পাম্পের সিস্টেমে চাপ এবং প্রবাহের ক্ষণস্থায়ীতার গাণিতিক মডেলিংয়ে নানা ধরনের গবেষণা করা হয়েছে। এর মধ্যে তরঙ্গ সমীকরণের সমাধান উল্লেখযোগ্য। পাম্পের সঙ্গে যুক্ত পাইপগুলোকে একটি বিতরণকৃত প্যারামিটার সিস্টেম হিসাবে বিবেচনা করা হয় যা ট্রান্সমিশন লাইন নামে পরিচিত।[১][৩]

চিত্র ২-এ দেখানো একটি পাম্পের সার্কিট বিবেচনা করা যাক। এতে রয়েছে পাম্প, সংযুক্ত পাইপ লাইন ও লোডিং ভালভ। সার্কিট পাইপের কোনও স্থানে চাপ এবং প্রবাহের তরঙ্গ সম্পর্ক এই পাম্প সার্কিট দ্বারা বর্ণনা করা যেতে পারে:

${\frac {}{}}P=Ae^{-kx}+Be^{-kx}$ .........(১)

$Q={\frac {1}{Z_{0}}}(Ae^{-kx}-Be^{-kx})$.....(২)

যেখানে ${\frac {}{}}A$ এবং ${\frac {}{}}B$ হলো ফ্রিকোয়েন্সি নির্ভর জটিল সহগ যা পাম্প (উৎস) প্রবাহ তরঙ্গের সাথে সরাসরি সমানুপাতিক, তবে উৎস প্রতিবন্ধকতা ${\frac {}{}}Z_{s}$, পাইপের বৈশিষ্ট্যগত প্রতিবন্ধকতা ${\frac {}{}}Z_{0}$ এবং সমাপ্তি প্রতিবন্ধকতার ${\frac {}{}}Z_{t}$ কার্যকারিতাও এর সঙ্গে রয়েছে। সিস্টেমের অপারেটিং বা কার্যকারি চাপ এবং তরলের প্রবাহ হারের পরিবর্তনের সাথে সাথে এই প্রতিবন্ধকতাগুলি সাধারণত পরিবর্তিত হয়। এগুলি পরীক্ষামূলকভাবে নির্ধারণ করা যেতে পারে।

'চিত্র ২ একটি হাইড্রোলিক লাইনের সাথে সংযুক্ত একটি পাম্পের চিত্র '

জটিল সিস্টেমের ক্ষেত্রে যেখানে একাধিক সিস্টেম উপাদান রয়েছে সেখানে চাপ এবং প্রবাহ তরঙ্গগুলি ট্রান্সফর্ম ম্যাট্রিক্স পদ্ধতি ব্যবহার করে অনুমান করা হয়। এর জন্য সিস্টেম উপাদানগুলিকে লম্পড ইম্পিডেন্স (একটি থ্রটল ভালভ বা অ্যাকিউমুলেটর), অথবা ডিস্ট্রিবিউটেড ইম্পিডেন্স (নমনীয় হোস পাইপ বা সাইলেন্সার) হিসাবে বিবেচনা করা যেতে পারে। চাপ স্পন্দনের পূর্বাভাস জানার জন্য আজকাল বিভিন্ন ধরনের সফ্টওয়্যার প্যাকেজ উপলব্ধ রয়েছে।

কাঠামোগত শব্দ (স্ট্রাকচারবোর্ন নয়েজ বা এসবিএন)

কাঠামোগত শব্দের ট্রান্সমিশন ক্লাসিক সোর্স-পাথ-নয়েজ মডেল অনুসরণ করে। কাঠামোগত শব্দের প্রধান কারণ হলো পাম্পের মধ্যে থাকা সোয়াশ প্লেটের কম্পন, পাম্পের কেসিং বা পাম্প আবরণে স্থানান্তরিত হয়। আর পাম্পের ভিতরের সমস্ত ঘূর্ণায়মান যন্ত্রাংশগুলি পাম্পের আবরণের মধ্যে থাকে। যার মধ্যে রয়েছে ডিসপ্লেসমেন্ট চেম্বার (সিলিন্ডার ব্লক নামেও পরিচিত), পিস্টন এবং সোয়াশ প্লেট। পাম্পের কেসিং-এ অনুভূত কম্পন ছাড়াও, উৎপন্ন কম্পন যেখানে পাম্পটি বসানো হয়েছে সেখানকার ভূমিতেও স্থানান্তর হয়। এখান থেকে কম্পনগুলি মূল সংযুক্ত কাঠামো বা যানবাহনে প্রেরিত হয়। এইভাবে কাঠামোগত শব্দ পাম্প কেসিং এবং পাম্পের মাধ্যমে সোয়াশ প্লেট থেকে প্রধান কাঠামো বা যানবাহনে স্থানান্তরিত হয়।

শব্দের ট্রান্সমিশন বা প্রেরণ পথে থাকা কিছু মেশিন কাঠামো এই শব্দ শক্তি প্রেরণে সাহায্য করে। এমনকি এটিকে অনুরণিত করে এবং শব্দ শক্তিকে শক্তিশালী করে তোলে। কাঠামোগত বিশৃঙ্খল শব্দের শতকরা মাত্র একভাগ মাত্র শব্দ সুশৃঙ্খল শব্দে রূপান্তরিত হয়। ট্রান্সমিশন পথে থাকা এটি পাম্পের চেয়ে বেশি বায়ুবাহিত শব্দ (এয়ারবোর্ন নয়েজ বা এবিএন) বিকিরণ করতে পারে।[৪]

বায়ুবাহিত শব্দ (এয়ারবোর্ন নয়েজ বা এবিএন)

তরলবাহিত শব্দ এবং কাঠামোগত শব্দ উভয়ই সিস্টেমের উপাদানগুলিতে উচ্চ ক্লান্তিকর শব্দের চাপ সৃষ্টি করে কম্পনের সৃষ্টি করে। এই সমস্ত কম্পন "বায়ুবাহিত শব্দ" হিসাবে বিকিরত হয়। একজন পাম্প অপারেটর এই শব্দগুলি শুনতে পান। এছাড়াও, প্রবাহ এবং চাপের স্পন্দনের ফলে সিস্টেমের উপাদানগুলি যেমন একটি নিয়ন্ত্রণ ভালভ অনুরণিত হয়। নির্দিষ্ট উপাদানের এই কম্পন আবার বায়ুবাহিত শব্দ বিকিরণ করে।

অবাঞ্ছিত বিশৃঙ্খল শব্দের হ্রাস

হাইড্রোলিক সিস্টেম থেকে নির্গত শব্দের মাত্রা দুটি উপায়ে হ্রাস করা যেতে পারে।

(i) 'উৎসে হ্রাস' — অর্থাৎ পাম্পে শব্দ হ্রাস করা বা কমানো। পাম্পে শব্দ হ্রাস করা বা কমানোর কৌশল সম্পর্কে অনেক ধরনের গবেষণামূলক লেখা দেখতে পাওয়া যায়। কিছু কৌশলে উৎসে তরলবাহিত শব্দ হ্রাস করার উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করা হয়। অন্যগুলি কাঠামোগত শব্দ এর উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে। উৎসে তরলবাহিত শব্দ এবং কাঠামোগত শব্দ হ্রাস বিকিরণকারী বায়ুবাহিত শব্দ এর উপর বড় প্রভাব ফেলে। যদিও, তরলবাহিত শব্দ এবং কাঠামোগত শব্দ পৃথকভাবে হ্রাস করার ক্ষেত্রে অনেক অগ্রগতি হয়েছে তবে এখনও হাইড্রোলিক সিস্টেমে শব্দের সমস্যা সম্পূর্ণরূপে সমাধান করা যায়নি। এখনও অনেক কিছু করার প্রয়োজন রয়েছে। সমস্যা সম্পূর্ণরূপে সমাধান না হওয়ার কারণ হলো তরলবাহিত শব্দ এবং কাঠামোগত শব্দ একে অপরের সাথে সম্পর্কযুক্ত। সেই অর্থে, যদি কেউ পাম্পে তরলবাহিত শব্দ কমানোর চেষ্টা করে, তবে এটি কাঠামোগত শব্দের বৈশিষ্ট্যগুলিকে প্রভাবিত করে। বর্তমানে পাম্পের ক্ষেত্রে শব্দ হ্রাসের প্রধান গবেষণাগুলির মধ্যে একটি হলো, তরলবাহিত শব্দ এবং কাঠামোগত শব্দ-এর মধ্যে সম্পর্ক কি রকমের সেটি বোঝার। দুটি পৃথক উৎস হিসাবে বিবেচনা করার পরিবর্তে একই সাথে সমন্বিত পদ্ধতি হিসাবে বিবেচনা করা উচিত। এই ধরনের একটি সমন্বিত পদ্ধতির জন্য কেবল সুপ্রশিক্ষিত গবেষকদেরই প্রয়োজন তাই নয়, বরং পাম্পের অত্যাধুনিক কম্পিউটার ভিত্তিক গাণিতিক মডেলেরও প্রয়োজন হয়। কম্পিউটার ভিত্তিক গাণিতিক মডেল পাম্প ডিজাইনের অপ্টিমাইজেশনের জন্য প্রয়োজনীয় ফলাফল সঠিকভাবে দিতে পারে। হাইড্রোলিক অ্যাটেনুয়েটর ব্যবহার করে উৎসে তরল স্পন্দনের প্রশস্ততা হ্রাস করা যেতে পারে।(৫)

(ii) 'পাম্পের যন্ত্রংশে শব্দের হ্রাস' — পাম্পের বিভিন্ন যন্ত্রাংশ যেমন কন্ট্রোল ভালভ, পাম্প মাউন্ট, হোস পাইপ এবং ফিক্সচারের মতো পৃথক অংশ থেকে শব্দ হ্রাসের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করা হয়। এটি পাম্পের সার্কিটের উপযুক্ত নকশা পরিবর্তনের মাধ্যমে সম্পন্ন করা যেতে পারে যাতে এটি সর্বনিম্ন পরিমাণে শব্দ বিকিরণ করে। এক্ষেত্রে একটি উপায় হতে পারে কম্পিউটার ভিত্তিক মডেল ব্যবহার করে অপ্টিমাইজেশন করা।

হাইড্রোলিক সিস্টেমের শব্দ

'চিত্র ৩ হাইড্রোলিক সিস্টেমের শব্দ উৎপাদন এবং প্রেরণের ক্ষেত্র (চিত্র ১ থেকে পুনঃনির্মিত)

তথ্যসূত্র

১. Designing Quieter Hydraulic Systems - Some Recent Developements and Contributions, Kevin Edge, 1999, Fluid Power: Forth JHPS International Symposium.

২. Fundamentals of Acoustics, L.E. Kinsler, A.R. Frey, A.B.Coppens, J.V. Sanders. Fourth Edition. John Wiley & Sons Inc.

৩. Reduction of Axial Piston Pump Pressure Ripple, A.M. Harrison. PhD thesis, University of Bath. 1997

৪. Noise Control of Hydraulic Machinery, Stan Skaistis, 1988. MARCEL DEKKER , INC.

৫. Hydraulic Power System Analysis, A. Akers, M. Gassman, & R. Smith, Taylor & Francis, New York, 2006, আইএসবিএন 0-8247-9956-9

৬. Experimental studies of the vibro-acoustic characteristics of an axial piston pump under run-up and steady-state operating conditions, Shaogan Ye et al., 2018, Measurement, 133.

৭. Sound quality evaluation and prediction for the emitted noise of axial piston pumps, Junhui Zhang, Shiqi Xia, Shaogan Ye et al., 2018, Applied Acoustics 145:27-40.