密歇根大学詹姆斯·林奇 动画显示用梯度折射率透镜沿4英寸管道聚焦L(0，2)管道模式
学分:托尔实验室 地下管道，有些和它们所服务的城市一样古老，通常已经远远超过了它们的预期寿命，更换它们的需要成为大多数城市负担不起的费用
对这些老化线路进行更好监控的需求是至关重要的，通过声子学对声波的利用可能会为市政当局提供一种经济高效的方法来防止中断并首先解决最危险的区域
塞里弗·托尔是密歇根大学机械工程的助理教授，他正在利用管道中传播的声波来提供运营商可以使用的大量信息基础设施
她的团队的最新研究成果发表在《应用物理快报》上
什么是声子学，它如何应用于传感能力？ 声子学着眼于弹性波或声波，以及它们如何穿过由重复或周期性结构组成的材料
这些周期性材料包括声子晶体和超材料，用于阻尼声音和振动，或者声学隐形装置
人工设计的周期性结构可以用杆、梁、板或壳等元素来设计，所有这些元素都表现出你在自然材料中找不到的非凡的动态特性
这些特性决定了弹性波或声波的传播方式
在管道中传播的弹性波可以作为检测泄漏、裂缝、弯曲等的工具
结构中存在的缺陷会破坏弹性或声波信号——安装在管道表面的传感器可以检测到这种破坏
分析接收器信号中波的到达时间确定了管壁中存在的缺陷的位置和类型
这种类型的导波检测已经被广泛用作一种非侵入性结构健康监测技术
说到管道及其结构完整性，为什么以前没有使用声子学？ 声子学是一门研究人员仍在探索的新科学，这是我们第一次将它用于管道传感应用
与目前的监测技术(如超声波导波)相比，我们正在证明其有效性
超声波已被证明具有成本效益且易于操作，部分原因是管道本身起到了波导的作用
然而，这种方法受到了影响，因为在管道的长期检测过程中，波的振幅变得越来越小，越来越难检测到
这一问题可以通过相控阵技术来克服，相控阵技术聚焦超声弹性波并改善缺陷检测和定位
但是波聚焦背后的技术需要通过外部设备进行主动控制，并且需要针对每个管道的波特性数据库
你是如何解决这个问题的？ 通过我们的方法，管道本身可以用来设计最先进的无源波导
我们定制声子晶体来引导和定位管道上所需点的弹性波能量
我们创造了一个声子晶体透镜，很像光学透镜，并将其与现有的管道结构集成在一起
目标是放大管道上传感器位置的振动能量
传感器产生一个匹配的电信号，然后转换成波的速度
管道设计被证明有多有效？它如何应用于当前的管道系统？ 我们通过数值模拟和在原型钢管上的实验室实验验证了我们的透镜设计
与传统管道相比，我们在焦点位置观察到两倍的波能放大
单透镜设计可以聚焦多种常用于管道超声波检测的管道波模式，每种模式都有其独特的优势
我们的设计还将波能集中在20千赫至50千赫的宽频率范围内，即超声波频率
这意味着我们的共形透镜可以实现多模式宽带波聚焦，从而增强远程管道的传感和检测能力
该透镜将是管道当前设计的结构组件，并且可以通过设计特征的适当缩放在各种长度尺度上实现
此外，该设计可以在地下埋地管道中实施，透镜嵌入管壁中，或者作为开放管道的外层
我们目前正在研究现有管道的三维印刷共形透镜，并开发下一代透镜嵌入式管道结构
与这项技术集成的系统会有什么好处？ 管道故障是一个严重的问题，它影响到所有接受管道服务的人以及负责维护管道的市政当局
输送石油、污水和石化产品的管道破裂对人类和环境构成严重威胁
避免这些故障的有效方法是通过监测管道的结构健康状况进行定期检查/维护
防止线路故障本身就是一种成本节约
但是有了我们的技术，通过降低线路更换策略的成本和帮助延长管道寿命的能力，持续的结构健康监测将变得更加有效
您认为您的技术还有哪些潜在用途？ 提出的共形透镜概念可以扩展到其他结构，包括风力涡轮机叶片、大梁和基础，以及其他民用、机械和航空航天应用
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