Jään Ultraäänimittaus

Abstract

Jään pinnalta tapahtuvaa, liikuteltava ja rikkomatonta, mittauslaitteistoa ei ole ympäristöntutkimuskäytössä Pohjois-Euroopassa, joten opinnäytetyön puitteissa haluttiin selvittää ultraäänitutkimukseen käytettävien laitteistojen soveltuvuus vesistön jääkerroksen vahvuuden mittaukseen. Tavoitteena oli löytää mittaukseen soveltuva laitteisto, sekä arvioida mittaustarkkuus ja olosuhteiden vaikutus mittaukseen. Johdannossa ja teoriaosuudessa käsitellään merijääkerrosten mittaustapoja ja ultraääniteknologian keksimisen historiaa sekä kiinteiden aineiden akustiikkaa. Akustiikan teoriaosuudessa käydään läpi pitkittäisen ja poikittaisen aaltoliikkeen mekaniikkaa ja siihen liittyvät keskeiset käsitteet, kuten tiheys, kimmomoduuli, allonpituus, äänen nopeus, akustinen impedanssi, läpäisy ja heijastuminen rajapinnoilla sekä vaimeneminen eli absorptio ja sironta. Akustinen impedanssi on kiinteän aineen tärkein yksittäinen ominaisuus ultraäänitarkastuksen kannalta. Ultraäänen läpäisyä ja heijastumista mallinnetaan matemaattisesti eri aineiden impedanssierolla. Impedanssiero määrittää paljonko ääniaallosta heijastuu takaisin ja paljonko ääniaallon energiasta siirtyy rajapinnan läpi. Mikäli impedanssierot ovat erittäin suuret esimerkiksi 1000-kertainen, kuten teräksen ja ilman rajapinnassa, heijastuu ääniaalto käytännössä kokonaan takaisin. Mikäli impedanssiero on alle 10-kertainen, kuten anturin kosketuspinnan ja jään tapauksessa, läpäisee ääniaalto rajapinnan lähes kokonaan. Näin impedanssierot mahdollistavat ultraääniaallon etenemisen ja heijastumisen ja mittauksen onnistumisen. Teoriaosuudessa käsitellään myös ultraääniantureiden rakennetta ja pietsosähköisen ilmiön laskentaa, materiaaleja ja sovelluksia. Pietsosähköisen ilmiön, eli materiaalin kyky muuttaa sähköinen varaus mekaaniseksi venymäksi ja toisin päin, mekaanisen jännityksen muuttuminen sähköiseksi varaukseksi, matemaattinen mallinnus perusyhtälöillä selitetään ja sen keskeisinä käsitteinä mainitaan pietsosähköinen kerroin, elastisuuskerroin ja dielektrisyyskerroin. Ultraääniantureiden rakenne ja tärkeät komponentit sisältävät pietsosähköisen elementin lisäksi sovituspinnan, akustisen linssin ja taustaelementin. Näiden tarkoituksena on tuottaa sopiva ja mahdollisimman tasomainen, pitkittäinen ultraääniaalto. Jään ultraäänimittaus onnistui kohtuullisen hyvin, hyvällä tarkkuudella, metalliteollisuuteen tarkoitetulla materiaalintarkastuslaitteistolla Krautkramer USM 35. Jään vahvuuden mittaus ei onnistunut sisäelinten lääketieteelliseen tutkimukseen tarkoitetulla laitteistolla Philips Ultrasound CX50.