Потреба в кращому моніторингу цих ліній старіння є першорядною, і використання звукових хвиль – за допомогою фононіки – може забезпечити муніципаліям економічно ефективний метод запобігання розривів та вирішення проблем найнебезпечніших районів.
Серіф Тол, доцент кафедри машинобудування в Університеті Мічигану, використовує звукові хвилі, які проходять по трубопроводах, для доставки великої кількості операторів інформаційної інфраструктури, які можуть використовуватись.
Що таке фононіка і як її можна застосовувати в сенсорній здатності?
Фононіка розглядає пружні або акустичні хвилі та те, як вони рухаються через матеріали, що складаються з повторюваних або періодичних структур. Ці періодичні матеріали включають фононні кристали та метаматеріали для таких застосувань, як демпфуючі звуки та вібрації, або пристрої акустичного маскування.
Штучно спроектовані періодичні конструкції можуть бути спроектовані з використанням таких елементів, як стержні, балки, плити або оболонки, які всі мають надзвичайні динамічні властивості, яких ви не знайдете в природних матеріалах. Ці властивості визначають, як рухаються пружні або акустичні хвилі .
Пружні хвилі, що поширюються в трубі, можуть служити інструментом для виявлення витоків, тріщин, вигинів тощо. Дефекти, присутні в конструкціях, порушать еластичні або акустичні сигнали – і це порушення можна виявити датчиками, встановленими на поверхні труби. Аналіз часу приходу хвиль в приймальному сигналі визначає місце та тип дефекту, що присутній у стінці труби. Цей тип тестування керованою хвилею вже широко використовується як неінвазивна структурна техніка моніторингу здоров’я.
Що стосується трубопроводів та їх структурної цілісності, чому раніше фононіка не використовувалася?
Фононіка – це нова наука, яка все ще досліджується дослідниками, і ми вперше розглядаємо її для зондування додатків у трубопроводах. Ми демонструємо його ефективність порівняно з сучасними технологіями моніторингу, такими як ультразвукові керовані хвилі.
Ультразвукові хвилі виявились економічно вигідними та простими в експлуатації, частково тому, що сам трубопровід виконує роль хвилеводу. Однак метод страждає, оскільки амплітуда хвиль стає меншою і важче виявляється під час довготривалих перевірок трубопроводів.
Цю проблему можна подолати за допомогою технології поетапного масиву, яка фокусує ультразвукові пружні хвилі та покращує виявлення та локалізацію дефектів. Але технологія фокусування хвилі вимагає активного контролю за допомогою зовнішніх пристроїв та бази даних хвильових характеристик, характерних для кожного трубопроводу.
Як ви вирішуєте проблему?
З нашим підходом сам трубопровід може бути використаний для проектування найсучаснішого пасивного хвилеводу. Ми адаптуємо фононні кристали, щоб направляти та локалізувати енергію пружних хвиль у потрібному місці трубопроводу. Ми створюємо фононні кришталеві лінзи, подібні до оптичних лінз , та інтегруємо їх із існуючими трубними структурами.
Мета полягає в посиленні вібраційної енергії в місцях розташування датчиків на трубопроводі. Датчик виробляє електричний сигнал, який збігається, який потім перетворюється, щоб отримати швидкість хвиль.
Наскільки ефективним виявився дизайн трубопроводу? І як це можна застосувати до поточних трубопровідних систем?
Ми перевірили конструкцію лінз за допомогою чисельного моделювання та лабораторних експериментів на прототипі сталевої труби. Ми спостерігали подвійне посилення енергії хвилі у фокусному місці порівняно зі звичайною трубою. Конструкція з однією лінзою може фокусувати декілька режимів трубних хвиль, які зазвичай використовуються для ультразвукового контролю трубопроводів, кожен зі своїми особливими перевагами.
Наш дизайн також фокусує енергію хвилі в широкому діапазоні частот від 20 кГц до 50 кГц, ультразвукові частоти. Це означає, що за допомогою нашого конформного об’єктива можна досягти багаторежимного широкосмугового фокусування, що покращує можливості зондування та виявлення в трубопроводах великої дальності.
Лінза буде структурним компонентом поточної конструкції трубопроводів і може бути реалізована на масштабах різної довжини з належним масштабуванням конструктивних особливостей. Крім того, конструкція може бути реалізована в підземних заглиблених трубопроводах із вбудованою лінзою в стінку труби або залишатися зовнішнім шаром для відкритих трубопроводів. В даний час ми досліджуємо тривимірні друковані конформні лінзи для існуючих труб та розробляємо конструкції трубопроводів, вбудовані в лінзи наступного покоління.
Якими були б переваги системи, інтегрованої з цією технологією?
Несправності трубопроводів є серйозною проблемою, яка впливає на всіх, хто ними обслуговується, а також на муніципалітети, яким доручено їх утримувати. Перервані лінії, що перевозять нафту, стічні води та нафтохімікати, становлять серйозну загрозу для людей, а також для навколишнього середовища.
Ефективним способом уникнути цих несправностей є проведення регулярних перевірок / технічного обслуговування шляхом моніторингу стану конструкцій трубопроводів. Запобігання зривам ліній є економією витрат самі по собі. Але завдяки нашій технології постійний моніторинг структурного стану стане набагато ефективнішим завдяки зменшенню витрат на стратегії заміни ліній та здатності допомогти продовжити термін служби трубопроводів.
Які ще потенційні варіанти використання вашої технології ви бачите?
Запропонована концепція конформних лінз може бути поширена на інші конструкції, включаючи лопаті вітрових турбін, прогони та фундаменти, а також на інші цивільні, механічні та аерокосмічні програми.