প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/আলট্রাসনিক মাধ্যমের জন্য নতুন শব্দ ফিল্টার

ভূমিকা

অ্যাকোস্টিক ফিল্টার বহু যন্ত্রে ব্যবহৃত হয়, যেমন সাইলেন্সার, শব্দ নিয়ন্ত্রণ উপকরণ (শোষণমূলক ও প্রতিক্রিয়াশীল), এবং লাউডস্পিকার সিস্টেম ইত্যাদি। যদিও সাধারণ (এক-মাধ্যমিক) অ্যাকোস্টিক ফিল্টারে তরঙ্গগুলো সাধারণত গ্যাসের মধ্যে (যেমন বাতাস বা কার্বন মনোক্সাইড — অটোমোবাইল সাইলেন্সারের ক্ষেত্রে) অথবা ফাইবারগ্লাস, পলিভিনাইলিডিন ফ্লোরাইড (PVDF) ফিল্ম, কিংবা পলিইথিলিন (সারান র‍্যাপ) এর মতো পদার্থের মধ্য দিয়ে চলে, তবুও কিছু ফিল্টার আছে যেগুলো কাঙ্ক্ষিত অ্যাকোস্টিক প্রতিক্রিয়া অর্জনের জন্য দুই বা তিনটি স্বতন্ত্র মাধ্যম একত্রে যুক্ত করে। মৌলিক অ্যাকোস্টিক ফিল্টার ডিজাইন সম্পর্কিত সাধারণ তথ্য নিচের উইকিবুক পাতায় পাওয়া যেতে পারে: Acoustic Filter Design & Implementation।

এই প্রবন্ধের মূল লক্ষ্য হলো এমন অ্যাকোস্টিক ফিল্টার নিয়ে আলোচনা করা, যেগুলো বহুস্তরীয় বায়ু/পলিমার ফিল্ম-যুক্ত মাধ্যমকে শব্দ তরঙ্গ চলাচলের জন্য ব্যবহৃত অ্যাকোস্টিক মাধ্যম হিসেবে ব্যবহার করে। প্রবন্ধটি শেষ হবে একটি উদাহরণ দিয়ে, যেটি দেখাবে কীভাবে এই ফিল্টারগুলো উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সির "ক্যারিয়ার" তরঙ্গে বহনকৃত অডিও সংকেতের ফ্রিকোয়েন্সি সংক্রান্ত তথ্য সনাক্ত ও বিশ্লেষণ করতে সাহায্য করতে পারে। তবে, এই নির্দিষ্ট ধরনের অ্যাকোস্টিক ফিল্টারে প্রবেশ করার আগে, আমাদের সংক্ষেপে আলোচনা করতে হবে শব্দ তরঙ্গ কীভাবে তার মাধ্যমে ভ্রমণকারী মাধ্যমের সঙ্গে আন্তঃক্রিয়া করে এবং ডিজাইন করার সময় এই উপাদানগুলো কীভাবে গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রাখে।

শব্দ তরঙ্গের বৈশিষ্ট্যের কারণে মাধ্যমে গুণগত পরিবর্তন

যেকোনো নকশাকৃত সিস্টেমের মতো, একটি অ্যাকোস্টিক ফিল্টারের ফিল্টার প্রতিক্রিয়া বৈশিষ্ট্যগুলো ইনপুট সংকেতের ফ্রিকোয়েন্সি স্পেকট্রাম এবং কাঙ্ক্ষিত আউটপুটের উপর ভিত্তি করে নির্ধারিত হয়। ইনপুট সংকেতটি ইনফ্রাসনিক (মানব শ্রবণের নিচে ফ্রিকোয়েন্সি), সোনিক (মানব শ্রবণ সীমার মধ্যে ফ্রিকোয়েন্সি), অথবা আল্ট্রাসনিক (মানব শ্রবণের উপরে ফ্রিকোয়েন্সি) হতে পারে। ইনপুট সংকেতের ফ্রিকোয়েন্সি উপাদানের পাশাপাশি, অ্যাকোস্টিক ফিল্টারে ব্যবহৃত মাধ্যম (বা একাধিক মাধ্যম) এর ঘনত্ব এবং, সেই অনুযায়ী, তার বৈশিষ্ট্যগত প্রতিবন্ধকতাও বিবেচনায় নিতে হয়। সাধারণভাবে, কোনো নির্দিষ্ট মাধ্যমে বৈশিষ্ট্যগত প্রতিবন্ধকতা $Z_0,$ প্রকাশ করা হয়...

$Z_0=\pm {\rho }_{0}c$ $(Pa\cdot s/m)$

যেখানে

$\pm {\rho }_0$ = মাধ্যমের (সমতাবস্থার) ঘনত্ব $(kg/m^3)$ $c$ = মাধ্যমের মধ্যে শব্দের গতি $(m/s)$

বৈশিষ্ট্যগত প্রতিবন্ধকতা গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এই মানটি একযোগে একটি ধারণা দেয় যে কণাগুলো কত দ্রুত বা ধীরে চলবে এবং যখন তারা কোনো শব্দ উৎস দ্বারা উদ্দীপ্ত হয় তখন তাদের প্রতি একক ক্ষেত্রফল বা আয়তনে কতটা ভর "ভার" হয়ে কাজ করছে। শব্দের মাধ্যমে ভ্রমণের গতি বিবেচনায় নেওয়া প্রয়োজন, কারণ এই উপাদানটি শেষ পর্যন্ত ফিল্টারের টাইম রেসপন্সকে প্রভাবিত করতে পারে (অর্থাৎ, যদি যথাযথভাবে ডিজাইন না করা হয়, তবে ফিল্টারটি যথাযথ দ্রুততার সাথে শব্দ বিকিরণ বা ক্ষয় করতে পারবে না)। শব্দ তরঙ্গের তীব্রতা $I_A,$ প্রকাশ করা হয় নিচের সমীকরণে...

$I_A=\frac{1}{T}{\int }_0^{T}pudt=\pm \frac{P^2}{2{\rho }_{0}c},$ $(W/m^2),$

$I_A,$ কে বোঝায় শব্দ তরঙ্গের একটি একক ক্ষেত্রফলের মধ্য দিয়ে (প্রসারণের দিকের লম্বভাবে) সময় গড়ে শক্তি সঞ্চালনের হার, এবং এটি অ্যাকোস্টিক ফিল্টার ডিজাইনে একটি গুরুত্বপূর্ণ উপাদান, কারণ প্রদত্ত মাধ্যমে শব্দ তরঙ্গ চলার সময় তার তীব্রতার তুলনায় মাধ্যমটির বৈশিষ্ট্য পরিবর্তিত হতে পারে। অন্যভাবে বললে, মাধ্যমের কণাগুলোর (পরমাণু বা অণু) প্রতিক্রিয়া শব্দ তরঙ্গের তীব্রতা যদি খুব বেশি বা খুব কম হয়, এবং তা যদি নিয়ন্ত্রণ ক্ষেত্রের আকার (এই ক্ষেত্রে, ফিল্টারের মাত্রা) এর তুলনায় বিভিন্ন হয়, তাহলে ভিন্নভাবে প্রতিক্রিয়া জানাবে।

অন্যান্য বৈশিষ্ট্য যেমন ইলাস্টিসিটি এবং শব্দ তরঙ্গের গড় প্রসারণ গতি-ও অ্যাকোস্টিক মাধ্যমে পরিবর্তিত হতে পারে, তবে ডিজাইন প্রক্রিয়ায় ফ্রিকোয়েন্সি, প্রতিবন্ধকতা এবং/অথবা তীব্রতার উপর ফোকাস করলে সাধারণত এই অন্যান্য উপাদানগুলো স্বয়ংক্রিয়ভাবে নিয়ন্ত্রিত হয়ে যায়, কারণ এগুলোর বেশিরভাগই উপরের উল্লিখিত মাধ্যমের বৈশিষ্ট্যগুলোর উপর নির্ভরশীল।

কেন অ্যাকোস্টিক ফিল্টারে সংযোজিত অ্যাকোস্টিক মাধ্যম ব্যবহৃত হয়?

অ্যাকোস্টিক ট্রান্সডিউসারে, ট্রান্সডিউসারের প্রতিবন্ধকতা বাড়াতে বা কমাতে এবং সেইসাথে ট্রান্সডিউসারে প্রয়োগকৃত সংকেতের তীব্রতা ও গতি নিয়ন্ত্রণ করতে মাধ্যমে সংযোগ ব্যবহার করা হয়। এটি তখন ঘটে যখন ট্রান্সডিউসার প্রাথমিক শব্দ তরঙ্গ বা উত্তেজনাকে এক ধরনের শক্তি থেকে অন্য ধরনের শক্তিতে রূপান্তর করে (যেমন, অ্যাকোস্টিক শক্তিকে বৈদ্যুতিক শক্তিতে রূপান্তর)।

বিশেষভাবে, ট্রান্সডিউসারের প্রতিবন্ধকতা বৃদ্ধি করা হয় একটি কঠিন কাঠামো (যা অবশ্যই কঠোর হতে হবে এমন নয়) ট্রান্সডিউসার ও প্রাথমিক প্রসারণ মাধ্যমের (যেমন বাতাস) মাঝখানে প্রবেশ করিয়ে। এই সংযোজিত মাধ্যমে প্রতিফলন বৈশিষ্ট্যকে কাজে লাগিয়ে ইনসিডেন্ট শব্দ তরঙ্গের তীব্রতা ও প্রসারণ গতি বৃদ্ধি বা হ্রাস করা যায়।

মূল মাধ্যমে (যেমন, বাতাস) পাতলা, নমনীয় ফিল্মের মতো কঠিন কাঠামো (সময়কালীনভাবে) প্রবেশ করিয়ে একটি প্রসারণ মাধ্যমের প্রতিবন্ধকতা পরিবর্তন করার এবং এক্ষেত্রে তার ফ্রিকোয়েন্সি রেসপন্সও পরিবর্তন করার ক্ষমতাই অ্যাকোস্টিক ফিল্টারে মাল্টিলেয়ার মাধ্যম ব্যবহারের গুরুত্বকে ব্যাখ্যা করে।

প্রতিফলন ফ্যাক্টর এবং সংক্রমণ ফ্যাক্টর যথাক্রমে $\hat{R},$ এবং $\hat{T},$, দুইটি মাধ্যমে মিলনের স্থানে ইনসিডেন্ট তরঙ্গের কতটা অংশ প্রতিফলিত এবং কতটা অংশ সংক্রমিত হচ্ছে তার পরিমাপক মান:

$\hat{R}=\frac{pressureofreflectedportionofincidentwave}{pressureofincidentwave}=\frac{\rho c-Z_{in}}{\rho c+Z_{in}},$

এবং

$\hat{T}=\frac{pressureoftransmittedportionofincidentwave}{pressureofincidentwave}=1+\hat{R},$

এখানে লক্ষ্য করুন, $Z_{in},$ হলো ইনসিডেন্ট শব্দ তরঙ্গ যখন একটি বায়ু-কঠিন অ্যাকোস্টিক মাধ্যম স্তরে প্রথম প্রবেশ করে, তখন দেখা যায় এমন (মোট) ইনপুট প্রতিবন্ধকতা।

চিত্র ২-এ যেমন দেখানো হয়েছে, একাধিক বায়ু-কলামের ক্ষেত্রে $Z_{in},$ হল প্রতিটি বায়ু-কলাম স্তরের সম্মিলিত প্রতিবন্ধকতা, যা ইনসিডেন্ট তরঙ্গ ইনপুটে দেখে।

চিত্র ১-এ একটি সাধারণ চিত্র দ্বারা ব্যাখ্যা করা হয়েছে কী ঘটে যখন ইনসিডেন্ট শব্দ তরঙ্গ মাধ্যম (১)-এ ছড়িয়ে পড়ে এবং x=0-এ উভয় মাধ্যমের সীমানায় (medium 2-এ) পৌঁছায়, যেখানে শব্দ তরঙ্গগুলো ভেক্টর দ্বারা উপস্থাপিত হয়েছে।

উপরের বর্ণনার মতো, তিনটি পরপর বায়ু-কঠিন অ্যাকোস্টিক মাধ্যম স্তরের একটি উদাহরণ চিত্র ২-এ দেখানো হয়েছে এবং এর ইলেকট্রোঅ্যাকোস্টিক সমতুল্য বর্তনী চিত্র ৩-এ দেখানো হয়েছে, যেখানে $L={\rho }_s{h}_s,$ = (কঠিন পদার্থের ঘনত্ব) × (পদার্থের পুরুত্ব) = একক ক্ষেত্রফল বা আয়তনের ভর, $Z=\rho c=,$ মাধ্যমের বৈশিষ্ট্যগত অ্যাকোস্টিক প্রতিবন্ধকতা, এবং $\beta =k=\omega /c=,$ ওয়েভনাম্বর।

অ্যাকোস্টিক ফিল্টারে সংযোজিত মাল্টিলেয়ার অ্যাকোস্টিক মাধ্যমের ক্ষেত্রে, প্রতিটি বায়ু-কঠিন অংশের প্রতিবন্ধকতা নিচের সাধারণ উদ্দেশ্যের প্রতিবন্ধকতা অনুপাত সমীকরণ ব্যবহার করে গণনা করা হয় (যা ট্রান্সফার ম্যাট্রিক্স হিসেবেও পরিচিত):

$\frac{Z_a}{Z_0}=\frac{\left(\frac{Z_b}{Z_0}\right)+j\tan (kd)}{1+j\left(\frac{Z_b}{Z_0}\right)\tan (kd)}$

যেখানে $Z_b,$ হলো বায়ু-কঠিন স্তরের ডান প্রান্তে কঠিন পদার্থের পরিচিত প্রতিবন্ধকতা, এবং $Z_a,$ হলো বায়ু-কঠিন স্তরের বাম প্রান্তে বায়ুর অপরিচিত প্রতিবন্ধকতা।

অডিও ফ্রিকোয়েন্সি স্পেকট্রামে অ্যাকোস্টিক মাধ্যমে উচ্চ-তীব্রতা সম্পন্ন আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গের প্রভাব

যখন অডিও ফ্রিকোয়েন্সি প্রেরণের জন্য একটি আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গকে বাহক হিসেবে ব্যবহার করা হয়, তখন এই বাহক তরঙ্গ থেকে অডিও ফ্রিকোয়েন্সি তথ্য উদ্ঘাটনের সাথে তিনটি অডিও প্রভাব জড়িত থাকে: (ক) বিটিং প্রভাব, (খ) প্যারামেট্রিক অ্যারে প্রভাব, এবং (গ) রেডিয়েশন চাপ।

বিটিং ঘটে যখন দুটি ভিন্ন ভিন্ন ফ্রিকোয়েন্সির আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গ $f_1,$ এবং $f_2,$ একই দিকে প্রসারিত হয়, যার ফলে অ্যাম্প্লিটিউডে পরিবর্তন ঘটে এবং এর ফলে অডিও সংকেতের তথ্য পর্যায়ক্রমে ফেজে এবং ফেজের বাইরে চলে যায়, অর্থাৎ $f_1-f_2,$ ফ্রিকোয়েন্সিতে “বিট” সৃষ্টি হয়।

প্যারামেট্রিক অ্যারে প্রভাব ঘটে যখন কোনও নির্দিষ্ট মাধ্যমে আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গের তীব্রতা এতটাই বেশি হয় যে প্রতিটি তরঙ্গচক্রে কণার (অণু বা পরমাণু) উচ্চ স্থানচ্যুতি সেই মাধ্যমে এমন অ-রৈখিক পদ্ধতিতে গুণাবলি পরিবর্তন করে — যেমন স্থিতিস্থাপকতা, ঘনত্ব, প্রসারণ গতি ইত্যাদি। উচ্চ-তীব্রতা সম্পন্ন, পরিমিত আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গের ওপর এই প্রভাবের ফলাফল হলো সেই মাধ্যমে (বা সংযুক্ত মাধ্যমে) নতুন অডিও ফ্রিকোয়েন্সি তরঙ্গ সৃষ্টি ও বিস্তার, যা মূল অডিও সংকেতে উপস্থিত নাও থাকতে পারে। এই সৃষ্টি প্রক্রিয়া ডায়োড বর্তনীতে দেখা-যাওয়া অ-রৈখিক অ্যাম্প্লিটিউড ডিমোডুলেশনের মতো।

আরেকটি অডিও প্রভাব যা উচ্চ-তীব্রতা সম্পন্ন আল্ট্রাসোনিক শব্দ বিম থেকে দেখা যায় তা হলো একটি স্ট্যাটিক (DC) চাপ, যাকে রেডিয়েশন প্রেসার বলা হয়। রেডিয়েশন প্রেসার, প্যারামেট্রিক অ্যারে প্রভাবের মতোই, সংকেতের অ্যাম্প্লিটিউডের পরিবর্তনের মাধ্যমে শোনারযোগ্য ফ্রিকোয়েন্সির সৃষ্টি করে (অ্যাম্প্লিটিউড ডিমোডুলেশনের মাধ্যমে)।

তবে, প্যারামেট্রিক অ্যারে প্রভাবের বিপরীতে, রেডিয়েশন প্রেসারের ওঠানামা শুধুমাত্র ${\omega }_M,$ (মডুলেশন ফ্রিকোয়েন্সি) বা $f_1-f_2,$ (বীট ফ্রিকোয়েন্সি)-তে নয়, বরং যেকোনো নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি মডুলেশনের কারণেও শ্রাব্য সংকেত তৈরি করতে পারে।

অ্যাকোস্টিক ফিল্টারে সংযুক্ত মাধ্যমের একটি প্রয়োগ

চিত্র ১ - ৩ একটি গবেষণাপত্র থেকে নেওয়া হয়েছে যার শিরোনাম ছিল উচ্চ-তীব্রতা সম্পন্ন অ্যাম্প্লিটিউড-মডুলেটেড আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গ দ্বারা উদ্দীপিত অডিও সংকেত উপাদান পরিমাপের জন্য পর্যায়ক্রমিক পলিমার স্তর ব্যবহার করে নতুন ধরণের অ্যাকোস্টিক ফিল্টার। এই গবেষণাপত্রটি মিনোরু টোডো, যিনি পরিমাপ বিশেষত্ব, ইনকর্পোরেটেড-এর প্রধান উদ্ভাবক, কর্তৃক অক্টোবর ২০০৫ সালে অডিও ইঞ্জিনিয়ারিং সোসাইটি(AES) জার্নালে জমা দেওয়া হয়েছিল। নিচের চিত্র ৪ ও ৫-ও এই গবেষণাপত্র থেকে নেওয়া হয়েছে এবং এতে বর্ণিত পরীক্ষামূলক সেটআপগুলোর চিত্রায়ণ করা হয়েছে।

বিশেষভাবে, চিত্র ৪-এ একটি পরীক্ষামূলক সেটআপ দেখানো হয়েছে, যা চিত্র ১ ও ২-এ বর্ণিত অ্যাকোস্টিক ফিল্টারের মাধ্যমে আগত আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গের সঞ্চালন পরিমাপ করতে ব্যবহৃত হয়েছে। চিত্র ৫-এ এমন একটি ব্লক চিত্র দেখানো হয়েছে, যা পূর্ববর্তী অনুচ্ছেদে বর্ণিত একটি অডিও প্রভাব — রেডিয়েশন প্রেসার — পরিমাপের জন্য ব্যবহৃত পরীক্ষামূলক সেটআপ উপস্থাপন করে।

গবেষণায় দেখা গেছে, পূর্ববর্তী অনুচ্ছেদে বর্ণিত উচ্চ-তীব্রতা সম্পন্ন আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গ দ্বারা সৃষ্ট অডিও প্রভাবগুলোর মধ্যে, রেডিয়েশন প্রেসার দ্বারা উৎপন্ন শব্দ তরঙ্গ সনাক্ত করা সবচেয়ে কঠিন, যখন সনাক্তকরণ বা রিসিভার সিস্টেমে মাইক্রোফোন ও প্রি-অ্যাম্পলিফায়ার ব্যবহার করা হয়।

যদিও প্রি-অ্যাম্পলিফায়ারে ওভারলোড হওয়ার কারণে কিছু অ-রৈখিক নয়েজ সৃষ্টি হয়, অধিকাংশ অ-রৈখিক নয়েজ আসে মাইক্রোফোনের নিজস্ব বৈশিষ্ট্যগত অ-রৈখিকতা থেকে। এমনকি যেসব মাইক্রোফোন বিশেষভাবে অডিও স্পেকট্রাম পরিমাপের জন্য ডিজাইন করা হয়েছে এবং যাদের সংবেদনশীলতা শ্রবণের প্রান্তসীমার চেয়েও বেশি, সেগুলোরও অ-রৈখিকতা থাকে, যা আল্ট্রাসোনিক ফ্রিকোয়েন্সিতে উল্লেখযোগ্যভাবে বেড়ে যায়।

এই অ-রৈখিকতা মূলত রেডিয়েশন প্রেসার দ্বারা উৎপন্ন অডিও সংকেতকে ঢেকে ফেলে, কারণ এই অ-রৈখিক নয়েজের মাত্রা রেডিয়েশন প্রেসারের চেয়ে অনেক গুণ বেশি হয়। এই গবেষণায় বর্ণিত অ্যাকোস্টিক (লো-পাস) ফিল্টারটি এমনভাবে ডিজাইন করা হয়েছিল যাতে সেই "ক্ষতিকর" আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গটি ছেঁকে ফেলা যায়, যা মাইক্রোফোনে উচ্চ অ-রৈখিক নয়েজ আরোপ করছিল।

এই উচ্চ-তীব্রতা সম্পন্ন আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গটি মূল অ্যাকোস্টিক মাধ্যমে (অর্থাৎ, বায়ুতে) রেডিয়েশন প্রেসার সৃষ্টি করছিল, যা শোনা যায় এমন সংকেত। আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গটি ছেঁকে ফেলার মাধ্যমে, মাইক্রোফোন কেবলমাত্র সেই শ্রাব্য রেডিয়েশন প্রেসারটিই সনাক্ত করতে পারবে, যা আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গ বায়ুতে সৃষ্টি করছিল।

এই ধরণের অ্যাকোস্টিক ফিল্টার ভবিষ্যতে যে-কোনো উচ্চ-তীব্রতা সম্পন্ন আল্ট্রাসোনিক সংকেত সনাক্ত করতে ব্যবহৃত হতে পারে, যা অডিও তথ্য ধারণ করতে পারে এবং যা একটি গ্রহণযোগ্য পর্যায়ের নির্ভুলতায় উদ্ঘাটন করা যেতে পারে।

তথ্যসূত্র

1. মিনোরু টোডো, "নতুন ধরনের অ্যাকুস্টিক ফিল্টার যা পিরিয়ডিক পলিমার স্তর ব্যবহার করে অ্যামপ্লিটিউড-মডুলেটেড উচ্চ-তীব্রতার আল্ট্রাসোনিক তরঙ্গ দ্বারা উদ্দীপ্ত অডিও সংকেত উপাদান পরিমাপ করে," *জার্নাল অব অডিও ইঞ্জিনিয়ারিং সোসাইটি*, ভল. ৫৩, পৃ. ৯৩০–৪১ (২০০৫ সালের অক্টোবর)
2. ফান্ডামেন্টালস অব অ্যাকুস্টিকস; কিন্সলার প্রমুখ, জন ওয়াইলি অ্যান্ড সন্স, ২০০০
3. এমই ৫১৩ কোর্স নোটস, ড. লুস মঞ্জো, পারডু ইউনিভার্সিটি
4. http://www.ieee-uffc.org/archive/uffc/trans/Toc/abs/02/t0270972.htm

---

প্রধান পাতায় ফিরে যান