Canalisations souterraines, certains aussi vieux que les villes qu'ils desservent, ont souvent dépassé leur durée de vie prévue et la nécessité de les remplacer constitue une dépense que la plupart des municipalités ne peuvent se permettre.

La nécessité d'un meilleur suivi de ces lignées vieillissantes est primordiale, et l'exploitation des ondes sonores – par le biais de la phononique – peut fournir aux municipalités une méthode rentable pour prévenir les ruptures et traiter en premier les zones les plus dangereuses.

Serife Tol, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université du Michigan, utilise des ondes sonores qui passent le long des pipelines pour fournir une mine d'informations que les opérateurs d'infrastructure peuvent utiliser.

Les derniers résultats de recherche de son équipe sont disponibles dans Lettres de physique appliquée .

Qu'est-ce que la phononique, et comment peut-elle être appliquée dans les capacités de détection ?

Phononics examine les ondes élastiques ou acoustiques et la façon dont elles se déplacent à travers des matériaux composés de répétitions, ou périodique, structure. Ces matériaux périodiques comprennent des cristaux phononiques et des métamatériaux pour des applications telles que l'amortissement des sons et des vibrations, ou des dispositifs d'occultation acoustiques.

Des structures périodiques artificiellement conçues peuvent être conçues à l'aide d'éléments tels que des tiges, poutres, plaques ou coquilles, qui présentent toutes des propriétés dynamiques extraordinaires que l'on ne trouve pas dans les matériaux naturels. Ces propriétés déterminent la façon dont les ondes élastiques ou acoustiques se déplacent.

Les ondes élastiques se propageant dans une canalisation peuvent servir d'outil de détection de fuites, fissures, virages et plus. Les défauts présents dans les structures perturberont les signatures des ondes élastiques ou acoustiques, et cette perturbation peut être détectée par des capteurs montés sur la surface du tuyau. L'analyse des temps d'arrivée des ondes dans le signal du récepteur détermine l'emplacement et le type de défaut présent dans la paroi du tuyau. Ce type de test par ondes guidées est déjà largement utilisé comme technique de surveillance de la santé structurelle non invasive.

En ce qui concerne les pipelines et leur intégrité structurelle, pourquoi la phononique n'a-t-elle pas été utilisée auparavant ?

La phononique est une nouvelle science encore explorée par les chercheurs, et c'est la première fois que nous l'examinons pour les applications de détection dans les pipelines. Nous démontrons son efficacité par rapport aux technologies de surveillance actuelles telles que les ondes guidées par ultrasons.

Les ondes ultrasonores se sont avérées économiques et faciles à utiliser, en partie parce que le pipeline lui-même sert de guide d'ondes. Cependant, la méthode souffre parce que l'amplitude des vagues devient plus petite et plus difficile à détecter lors des inspections à longue distance des pipelines.

Ce problème peut être surmonté avec la technologie multiéléments, qui focalise les ondes élastiques ultrasonores et améliore la détection et la localisation des défauts. Mais la technologie derrière la focalisation des ondes nécessite un contrôle actif via des dispositifs externes et une base de données des caractéristiques des ondes spécifiques à chaque pipeline.

Comment abordez-vous le problème ?

Avec notre approche, le pipeline lui-même peut être utilisé pour concevoir un guide d'ondes passif à la pointe de la technologie. Nous adaptons les cristaux phononiques pour guider et localiser l'énergie des ondes élastiques à un endroit souhaité sur le pipeline. Nous créons une lentille cristalline phononique, un peu comme une lentille optique, et l'intégrer aux structures de canalisations existantes.

L'objectif est d'amplifier l'énergie vibratoire aux emplacements des capteurs sur le pipeline. Le capteur produit un signal électrique correspondant, qui est ensuite converti pour nous donner la vitesse des vagues.

Dans quelle mesure la conception du pipeline s'est-elle avérée efficace ? Et comment pourrait-il être appliqué aux systèmes de pipelines actuels?

Nous avons vérifié la conception de notre lentille par des simulations numériques et des expériences en laboratoire sur un prototype de tube en acier. Nous avons observé deux fois l'amplification de l'énergie des vagues à l'emplacement focal par rapport au tuyau conventionnel. La conception à lentille unique peut focaliser plusieurs modes d'onde de tuyau couramment utilisés pour l'inspection par ultrasons des pipelines, chacun avec ses avantages spécifiques.

Notre conception concentre également l'énergie des vagues sur une large gamme de fréquences de 20 kHz à 50 kHz, les fréquences ultrasonores. Cela signifie que la focalisation des ondes à large bande multimode peut être obtenue avec notre objectif conforme, améliorant ainsi les capacités de détection et de détection dans les pipelines à longue portée.

La lentille serait un élément structurel de la conception actuelle des pipelines et peut être mise en œuvre à diverses échelles de longueur avec une mise à l'échelle appropriée des caractéristiques de conception. Aussi, la conception peut être mise en œuvre dans des canalisations enterrées souterraines avec la lentille intégrée dans la paroi de la canalisation ou rester comme couche externe pour les canalisations ouvertes. Nous étudions actuellement les lentilles conformes imprimées en 3D pour les tuyaux existants et développons des structures de pipeline intégrées aux lentilles de nouvelle génération.

Quels seraient les avantages d'un système intégré à cette technologie ?

Les défaillances de pipelines sont une préoccupation sérieuse qui affecte tous ceux qui en sont desservis ainsi que les municipalités chargées de les entretenir. Lignes rompues transportant du pétrole, les eaux usées et les produits pétrochimiques constituent de graves menaces pour les humains ainsi que pour l'environnement.

Un moyen efficace d'éviter ces défaillances consiste à effectuer une inspection/une maintenance régulière en surveillant la santé structurelle des pipelines. La prévention des pannes de ligne est une économie en soi. Mais avec notre technologie, la surveillance continue de l'état de la structure deviendrait beaucoup plus efficace grâce à des réductions de coûts pour les stratégies de remplacement des canalisations et la capacité d'aider à prolonger la durée de vie des pipelines.

Quelles autres utilisations potentielles voyez-vous pour votre technologie ?

Le concept de lentille conforme proposé peut être étendu à d'autres structures, y compris les pales d'éoliennes, poutres, et fondations, ainsi que d'autres civils, applications mécaniques et aérospatiales.