|
5.1
Pengenalan
Sehingga kini, teknologi ultrasonik mempelopori suatu
bidang yang luas yang merangkumi bidang fizik, teknologi industri,
informasi dan teknologi dalam bidang pentukuran (measurement
technology), biologi dan perubatan. Istilah ultrasonik merujuk
kepada suatu cabangan bidang akustik yang menggunakan rangkaian
akustik dengan frekuensi yang melebihi tahap yang boleh didengari
atau audible limit. Contohnya, di antara parameter yang ditentukan
dalam pentukuran kuantiti mekanik ialah kedudukan, jarak, ketebalan,
halaju dan parameter-parameter lain seperti kebolehaliran, suhu,
tekanan, ketumpatan, vibrasi, sifat-sifat elastik dan komposisi
bahan (Kocis et al., 1996).
Teknik ultrasonik yang merupakan salah satu daripada ujian tanpa
musnah atau NDT (Non-Destructive Testing) dipelopori dengan meluas
di dalam pentukuran halaju gelombang kenyal di dalam batuan. Halaju
denyutan ultrasonik di dalam suatu bahan pepejal bergantung kepada
ketumpatan dan sifat elastik bahan tersebut (Obert & Duvall, 1976).
Lazimnya, ukuran halaju denyutan di dalam sesuatu bahan biasa
digunakan bagi menentukan sifat elastiknya (ASTM, 1976).
Ujian halaju denyutan ultrasonik juga digunakan dalam menentukan
nisbah luluhawa batuan berdasarkan pengukuran halaju gelombang P dan
S (Konstantinov & Konstantinov, 1990); serta digunakan sebagai ujian
konkrit dalam bidang kejuruteraan awam (Lim, 1993).
Bagi penggunaan alat ultrasonik yang lebih mantap dan efisyen,
pengetahuan dan pengalaman atau kefahaman tentang interaksi antara
ultrasonik dengan parameter yang diukur adalah penting. Misalannya
ialah dalam konteks pemindahan denyutan antara transduser dengan
bahan yang dikaji, hendaklah dipastikan bahawa pemindahan tenaga
tersebut berlaku secara efisyen dan kehilangan tenaga dapat
diminimumkan.
5.2 Kaedah kajian
5.2.1 Pengenalan
Ujian ultrasonik di makmal melibatkan teknik
ultrasonik yang dijalankan ke atas teras batuan berbentuk silinder
bergaris pusat 54mm (saiz jenis-NX) untuk menentukan halaju denyutan
gelombang P dan gelombang S. Nilai halaju gelombang P dan gelombang
S pula dapat digunakan dalam mengira pemalar keanjalan batuan
contohnya modulus Young dan nisbah Poisson, walaupun nilai
halaju-halaju ini mungkin berbeza dengan halaju seismik. Yakni,
nilai pemalar-pemalar ini mungkin berbeza dari keputusan yang
ditakrifkan dari ujikaji yang lain.
Sistem rangkaian ultrasonik merangkumi gabungan alatan ultrasonik
yang terdiri daripada PUNDIT (atau Portable Ultrasonic
Non-destructive Digital Indicating Tester), transduser
piezo-elektrik dan unit osiloskop. Gandingan akustik atau pendamping
(couplant) merupakan bahan pengisi tepu antara tranduser dengan
sampel batuan agar penghantaran dan penerimaan denyutan yang
berkesan didapati.
Ketepatan pengukuran masa perjalanan gelombang ultrasonik adalah di
sekitar  1
 . Sampel batuan
yang digunakan berupa teras silinder bergaris pusat 54mm dengan
ukuran panjang dalam julat 50 - 100 mm . Kerataan kedua-dua hujung
teras seharusnya tidak melebihi
0.025 mm atau
0.05 mm bagi
setiap 1 cm jarak pemisahan.
5.2.2 Sistem rangkaian ultrasonik
Sistem rangkaian ultrasonik merangkumi gabungan
alatan ultrasonik yang terdiri daripada PUNDIT, transduser
piezo-elektrik dan unit osiloskop. PUNDIT menjanakan denyutan
ultrasonik yang berfrekuensi tinggi dan mengukur masa yang diambil
untuk denyutan mengalih dari satu tranduser (pendenyut) ke tranduser
yang lain (pengesan atau penerima) melalui jasad batuan yang
diletakkan di antara kedua-dua tranduser tersebut (Rajah 5.1).
PUNDIT terdiri daripada komponen peralatan yang direkabentuk kemas
di dalam kotak P.V.C bersalut aluminium dan keluli (Foto 5.1). Dua ukuran masa
laluan yang diberi ialah 0.1 dan 1
. Alatan PUNDIT
ini perlu ditentukurkan dengan satu bar rujukan setiap kali
memulakan ujian bagi tujuan kalibrasi.
Ujian ini melibatkan 2 unit tranduser piezoelektrik dengan frekuensi
50 kHz iaitu bertindak sebagai pendenyut dan pengesan atau penerima
denyutan ultrasonik (Rajah 5.2). Dalam ujikaji ini, pengesan dan pendenyut jenis
S digunakan. Setelah denyutan dijanakan oleh pendenyut, masa
perjalanan denyut ditentukan dengan menggunakan osiloskop (Rajah
5.3). Osiloskop
berfungsi untuk memaparkan denyut ultrasonik dan mengukur masa
perjalanan denyut melalui rumus berikut:
Masa yang diperolehi digunakan untuk menghitung
halaju gelombang primer (Vp) dan gelombang ricih (Vs).
Menurut panduan Piawaian British BS
1881: Bhg. 203:1986, terdapat 3 susunan radas bagi menentukan halaju
denyutan, iaitu kaedah pencaran terus, pancaran separa terus dan
pancaran permukaan atau tidak terus. Dalam ujian halaju denyutan ke
atas sampel batuan syis, kaedah pancaran secara terus digunakan (Foto
5.2).
5.2.3 Kalibrasi
Kalibrasi adalah penting bagi memastikan masa
perjalanan denyut yang diukur adalah tepat. Pembetulan sifar
dilakukan dengan merapatkan atau melekapkan tranduser pada kedua-dua
hujung bar rujukan yang diketahui masa perjalanan denyutannya.
PUNDIT dihidupkan dan tombol SET REF pada unit tersebut dilaraskan
sehingga memperolehi masa pancaran yang selaras dengan nilai yang
dinyatakan pada bar rujukan tersebut.
5.3 Hasil dan perbincangan
5.3.1 Keputusan dan pengiraan
Dalam kajian ujian halaju denyutan ultrasonik,
beberapa parameter yang diperolehi membolehkan beberapa hubungan
dikaji selidik. Di antaranya ialah modulus Young, modulus ricih,
modulus pukal dan nisbah Poisson (sila rujuk jadual 5.1).
Halaju mampatan (Vp) dan ricih (Vs) boleh
digunakan dalam mengira nisbah Poisson dan modulus kenyal apabila
ketumpatan sampel batuan diperolehi. Nilai nisbah Poisson
membayangkan darjah kesegaran batuan dan modulus kenyal khususnya
Modulus Young yang berguna dalam menyelesaikan masalah pendasaran
dalam kejuruteraan awam (Umar Hamzah dan Khairul Anuar, 1995). [
Jadual 5.2 ]
Plot Vs melawan Vp terdiri daripada
titik-titik yang tertabur (Rajah 5.4). Taburan ini mungkin
disebabkan oleh hubungannya dengan nisbah Poisson ataupun indeks
luluhawa batuan, yakni berjulat di antara 0.2 hingga 0.46. Umumnya,
nisbah Poisson yang lebih kecil mewakili batuan yang lebih keras;
dan batuan yang terluluhawa sedikit hingga sederhana diwakili oleh
nisbah Poisson yang lebih tinggi. Kira-kira 79% daripada sampel
teras batuan yang diuji mempunyai nilai taburan Vp yang
meluas di antara 4000 ms-1 hingga 8000 ms-1
dan 80% bagi Vs yang berjulat antara 2000 ms-1
hingga 4500 ms-1. Titik-titik yang mempunyai nilai
Poisson yang rendah berada di atas garis nisbah Poisson purata (u =
0.30); manakala titik yang rata-ratanya mewakili batuan yang kurang
utuh/ keras (nisbah Poisson tinggi) terletak di bawah garis tersebut.
Hubungan modulus kenyal dinamik dengan halaju mampatan (Vp)
ditunjukkan oleh Rajah (5.5), (5.6) dan (5.7); serta melawan halaju
ricih (Vs) iaitu dalam Rajah (5.8), (5.9) dan (5.10).
Kira-kira 84% nilai modulus Young adalah antara 1.0 x 10-10 dan 9.0
x 10-9 Nm-2 serta 92% berjulat antara 1.0 x 10-9 hingga
6.5 x 10-9 Nm-2 bagi modulus ricih. Nilai modulus pukal
pula berkisar antara 1.02 x 10-10 hingga 9.99 x 10-9 Nm-2.
Daripada plot-plot tersebut, didapati modulus-modulus Young dan
ricih berkurang dengan meningkatnya nisbah Poisson. Keadaan ini
sebaliknya bagi modulus pukal yang bertambah dengan peningkatan
nilai nisbah Poisson. Lumrahnya, titik bacaan yang tertabur boleh
dikaitkan dengan ketakhomogenan jasad batuan syis kuarza-mika yang
diwakili oleh nisbah Poisson yang berbeza-beza.
Perhubungan di antara modulus-modulus kenyal dinamik (modulus Young,
ricih dan pukal) dengan halaju sekunder (Vs) pula
memperlihatkan cirian graf kurvilinear kuadratik yang berkecerunan
positif. Korelasi antara modulus-modulus Young, ricih dan pukal
dengan nilai Poisson ditunjukkan oleh Rajah (5.11), (5.12) dan
(5.13). Kedudukan titik-titik dan garis-garis mewakili halaju
menunjukkan bahawa modulus Young dan ricih berkurang dengan nisbah
Poisson; tetapi keadaan sebaliknya berlaku dengan modulus pukal.
Plot-plot tertabur pada graf-graf tersebut mungkin disebabkan oleh
atau taburan halaju Vp (Sjorgen et al., 1979).
Perkaitan antara modulus Young dan ricih yang ditunjukkan oleh
Rajah
5.14 merupakan suatu hubungan yang linear. Kedudukan titik-titik
yang agak tertabur pada plot tersebut mungkin disebabkan oleh
pertambahan sifat kenyal dinamik pada bahan batuan.
Rajah 5.15 pula menunjukkan hubungan di antara nisbah modulus pukal
kepada modulus ricih dengan nisbah Vp kepada Vs.
Tujuan graf ini diplot adalah untuk memastikan pengiraan yang dibuat
terhadap paramater-parameter seismos adalah tepat. Selain itu,
susunan titik-titik di atas lengkung yang agak tertabur membayangkan
ketakhomogenan pada batuan yang mungkin disebabkan oleh kehadiran
ketakselanjaran ataupun disebabkan oleh komposisi batuan itu sendiri
(Sjorgen et al., 1979).
5.3.2 Perbincangan
Hanya sampel batuan bergred I dan II sahaja yang
memberi bacaan Vp dan Vs; manakala hanya Vp
diperolehi dari sampel teras bergred III. Ini mungkin disebabkan
oleh kekasaran (roughness) pada permukaan kedua-dua hujung teras
sampel yang menyebabkan gelombang ricih tidak dapat direkodkan.
Dalam penentuan halaju denyut ultrasonik, beberapa faktor yang
mempengaruhi keputusan ultrasonik telah dapat dikenalpasti. Di
antaranya ialah:
- Sentuhan antara tranduser dengan permukaan sampel yang kurang
memuaskan memberikan bacaan data tidak tepat menjejaskan ketepatan
dalam mengenalpasti nilai tempoh masa pengalihan (time delay).
- Pemegangan tranduser yang tidak tetap akan menyebabkan amplitud
gelombang berubah-ubah atau tidak malar. Maka, ini menyukarkan
petentukuran masa peralihan yang tepat pada skrin osiloskop.
- Sambungan antara peralatan mesin PUNDIT perlu dipastikan
senantiasa dalam keadaan baik. Sambungan yang tidak sempurna atau
longgar menjejaskan penghantaran dan penerimaan gelombang dan boleh
menyebabkan kelisihan pada bacaan yang diterima.
- Amplitud awalan, iaitu amplitud gelombang dalam paparan pada skrin
osiloskop tanpa bahan sampel antara kedua-dua tranduser penghantaran
dan penerimaan perlu disemak atau diuji dari masa ke semasa untuk
memelihara kekonsistenan bacaan pada ujikaji yang dijalankan.
5.4 Kesimpulan
Teknik ultrasonik yang dipelopori dalam ujian halaju
denyutan ultrasonik merupakan cara yang mudah dan pantas dalam
mengganggar dan mengukur parameter keanjalan dan sifat elastik bahan
yang dikaji. Walaubagaimanapun, ujian ini tidak berupaya menunjukkan
ketepatan yang muktamad dalam apa jua keadaan ujian. Kelemahan ini
disebabkan oleh ciri-ciri atau sifat-sifat asas batuan seperti
anisotropi ataupun disebabkan oleh kaedah ujian itu sendiri.
Namun, kajian ini dapat melaporkan dan menghasilkan data halaju
ultrasonik dan modulus kenyal batuan syis kuarza-mika yang berguna
dalam geologi kejuruteraan, khususnya dalam mencirikan sifat fizikal
batuan tersebut.
|
...