Underjordiska rörledningar, några lika gamla som städerna de betjänar, är ofta långt över sin avsedda livslängd och behovet av att ersätta dem är en kostnad som de flesta kommuner inte har råd med.

Behovet av bättre övervakning av dessa åldrande linjer är avgörande, och utnyttjandet av ljudvågor – genom fononik – kan ge kommunerna en kostnadseffektiv metod för att förhindra avbrott och ta itu med de farligaste områdena först.

Serife Tol, en biträdande professor i maskinteknik vid University of Michigan, använder ljudvågor som passerar längs rörledningar för att leverera en mängd information som infrastrukturoperatörer kan använda.

Hennes teams senaste forskningsresultat finns tillgängliga i Bokstäver i tillämpad fysik .

Vad är fononik, och hur kan det användas i avkänningskapacitet?

Phononics tittar på elastiska eller akustiska vågor och hur de rör sig genom material som består av repeterande, eller periodisk, strukturer. Dessa periodiska material inkluderar fononiska kristaller och metamaterial för applikationer som dämpning av ljud och vibrationer, eller akustiska maskeringsanordningar.

Konstgjorda periodiska strukturer kan utformas med hjälp av element som stavar, strålar, tallrikar eller skal, som alla uppvisar extraordinära dynamiska egenskaper som du inte hittar i naturmaterial. Dessa egenskaper bestämmer hur de elastiska eller akustiska vågorna färdas.

Elastiska vågor som utbreder sig i ett rör kan fungera som ett verktyg för att upptäcka läckor, sprickor, böjar och mer. Defekter som finns i strukturer kommer att störa de elastiska eller akustiska vågsignaturerna - och den störningen kan upptäckas av sensorer monterade på rörytan. Att analysera ankomsttiderna för vågor i mottagarsignalen bestämmer platsen och typen av defekt som finns i rörväggen. Denna typ av guidad vågtestning används redan i stor utsträckning som en icke-invasiv strukturell hälsoövervakningsteknik.

När det gäller rörledningar och deras strukturella integritet, varför har inte fononik använts tidigare?

Phononics är en ny vetenskap som fortfarande utforskas av forskare, och det här är första gången vi tittar på det för avkänningstillämpningar i pipelines. Vi visar dess effektivitet jämfört med nuvarande övervakningstekniker som styrda ultraljudsvågor.

Ultraljudsvågor har visat sig vara kostnadseffektiva och lätta att använda, dels för att själva rörledningen fungerar som en vågledare. Dock, Metoden lider av att vågornas amplitud blir mindre och svårare att upptäcka vid långdistansinspektioner av rörledningar.

Detta problem kan övervinnas med phased array-teknik, som fokuserar elastiska ultraljudsvågor och förbättrar defektdetektering och lokalisering. Men tekniken bakom vågfokusering kräver aktiv kontroll genom externa enheter och en databas med vågegenskaper som är specifika för varje pipeline.

Hur tacklar du problemet?

Med vårt tillvägagångssätt, själva pipelinen kan användas för att designa en passiv vågledare av den senaste tekniken. Vi skräddarsyr fononiska kristaller för att styra och lokalisera den elastiska vågenergin på en önskad plats på rörledningen. Vi skapar en fononisk kristalllins, ungefär som en optisk lins, och integrera den med befintliga rörkonstruktioner.

Målet är att förstärka vibrationsenergin vid sensorplatserna på rörledningen. Sensorn producerar en elektrisk signal som matchar, som sedan omvandlas för att ge oss vågornas hastighet.

Hur effektiv har pipelinedesignen visat sig vara? Och hur skulle det kunna tillämpas på nuvarande rörledningssystem?

Vi verifierade vår linsdesign genom numeriska simuleringar och laboratorieexperiment på en prototyp av stålrör. Vi observerade två gånger förstärkningen av vågenergi vid fokalplatsen jämfört med det konventionella röret. Den enda linsdesignen kan fokusera flera rörvågslägen som vanligtvis används för ultraljudsinspektion av rörledningar, var och en med sina egna specifika fördelar.

Vår design fokuserar också vågenergi över ett brett frekvensområde från 20 kHz till 50 kHz, ultraljudsfrekvenserna. Det innebär att multi-mode bredbandsvågsfokusering kan uppnås med vår konforma lins – vilket förbättrar avkännings- och detekteringsförmågan i långväga pipelines.

Linsen skulle vara en strukturell komponent till den nuvarande designen av rörledningarna och kan implementeras på olika längdskalor med korrekt skalning av designegenskaperna. Också, Designen kan implementeras i underjordiska nedgrävda rörledningar med linsen inbäddad i rörväggen eller förbli som ett yttre skikt för öppna rörledningar. Vi undersöker för närvarande 3-D-tryckta konforma linser för befintliga rör och utvecklar nästa generations linsinbäddade rörledningsstrukturer.

Vilka skulle fördelarna vara med ett system integrerat med denna teknik?

Rörledningsfel är ett allvarligt problem som påverkar alla som betjänas av dem samt kommuner som har till uppgift att underhålla dem. Brutna linjer som transporterar olja, avloppsvatten och petrokemikalier utgör allvarliga hot mot såväl människor som miljön.

Ett effektivt sätt att undvika dessa fel är att utföra regelbunden inspektion/underhåll genom att övervaka rörledningarnas strukturella hälsa. Förebyggande av ledningsfel är en kostnadsbesparing i sig. Men med vår teknik, kontinuerlig strukturell hälsoövervakning skulle bli mycket effektivare genom kostnadsminskningar för strategier för linjebyte och möjligheten att hjälpa till att förlänga rörledningarnas livslängd.

Vilka andra potentiella användningsområden ser du för din teknik?

Det föreslagna konforma linskonceptet kan utvidgas till andra strukturer, inklusive vindkraftsblad, balkar, och stiftelser, såväl som andra civila, mekaniska och rymdtillämpningar.