Mode-selective transmission method of guided waves using data processing

تخيل أنك تحاول الاستماع إلى محادثة محددة في غرفة مزدحمة حيث يصرخ الجميع في وقت واحد، حيث يرتد الصوت عن الجدران بطرق مربكة. هذا هو التحدي الذي يواجه المهندسين عندما يحاولون فحص الهياكل الصلبة الكبيرة مثل الجسور أو الأنابيب أو هياكل السفن بحثاً عن شقوق مخفية. إنهم يستخدمون الموجات الصوتية، وتحديداً نوعاً يسمى الموجات الموجهة، والتي تنتقل على طول سطح مادة ما بدلاً من الانتقال عبر الهواء. هذه الموجات ممتازة للوصج إلى الأماكن المدفونة أو الطويلة جداً بحيث لا يمكن فحصها باستخدام مصباح يدوي أو كاميرا عادية. ومع ذلك، وعلى عكس شعاع الضوء البسيط، تتصرف هذه الموجات الصوتية بغرابة أثناء انتقالها؛ فهي تنقسم إلى "أنماط" مختلفة، أو أنماط اهتزاز، يتحرك كل منها بسرعة خاصة به ويتغير شكله أثناء سيره. وعندما تصطدم الموجة بعيب ما، مثل شق، فإنها تشتت وتخلط هذه الأنماط معاً، مما يجعل من الصعب للغاية معرفة ما كانت عليه الإشارة الأصلية أو شكل العيب. ولعقود من الزمن، حاول العلماء حل ذلك ببناء مستشعرات خاصة ومكلفة لا يمكنها إلا إرسال نمط واحد محدد في كل مرة، لكن هذه الأدوات غالباً ما تكون صلبة للغاية بحيث لا تستطيع التعامل مع المزيج المعقد من الإشارات الموجود في الأضرار الواقعية.

لقد وجد فريق من الباحثين من المعهد المركزي لأبحاث صناعة الكهرباء ومعهد العلوم في طوكيو طريقة مختلفة لحل هذا اللغز. فبدلاً من بناء آلة جديدة ومتخصصة، طوروا طريقة لاستخدام مستشعرات قياسية متوفرة في الأسواق واستخدام الكمبيوتر للقيام بالعمل الشاق. لقد تعامل نهجهم مع المشكلة ليس كقصور في الأجهزة، بل كتحدٍ في فرز البيانات. فقد أدركوا أنه من خلال تسجيل الموجات الصوتية أثناء انتقالها عبر مادة ما ثم معالجة تلك المعلومات باستخدام مجموعة محددة من القواعد، يمكنهم عزل نمط واحد نقي ومنفرد من المزيج الفوضوي. الأمر يشبه تسجيل المحادثة الصاخبة في الغرفة بأكملها ثم استخدام جهاز كمبيوتر لتصفية كل صوت باستثناء الصوت الذي تريد سماعه، دون الحاجة أبداً إلى الطلب من المتحدثين التوقف عن الكلام.

يكمن جوهر اكتشافهم في كيفية التلاعب بتوقيت وشكل الإشارات المسجلة. فعندما تنتقل الموجات الصوتية عبر لوح صلب، فإنها تنتشر، وتتحرك أجزاء مختلفة من الموجة بسرعات مختلفة. وجد الباحثون أنه إذا أخذوا التسجيلات من نقاط عديدة مختلفة على طول مسار الموجة وقاموا بإزاحتها زمنياً بحيث تصطف جميعها بشكل مثالي، فإن النمط المطلوب يصبح أقوى وأكثر وضوحاً. إنهم يسمون هذا "مزامنة السرعة الجماعية"، وهي في الأساس طريقة للتأكد من أن الكمبيوتر ينتظر وصول الجسم الرئيسي للموجة قبل إضافتها إلى المزيج. لكن التوقيت وحده لا يكفي لأن الموجة تغير أيضاً إيقاعها الداخلي أثناء حركتها. ولإصلاح ذلك، يطبقون خطوة ثانية تسمى "مزامنة الطور"، والتي تعدل التوقيت الداخلي لقمم وقيعان الموجة بحيث تدفع جميعها في نفس الاتجاه وفي اللحظة نفسها. وعند دمج هذين التعديلين، يتردد النمط المحدد الذي يبحث عنه الباحثون أو يتضخم، بينما تلغي الأنماط غير المرغوب فيها بعضها البعض.

ولجعل هذا يعمل بشكل أفضل، أضاف الفريق خطوة ثالثة يسمونها "استثارة حزمة الموجة". فقبل البدء في محاذاة الموجات، يستخدمون الكمبيوتر لإنشاء نسخة افتراضية من الموجة التي يريدون العث_ها. يقومون بذلك عن طريق أخذ مجموعة صغيرة من الإشارات المسجلة وتشكيلها رياضياً لتبدو مثل النمط المحدد الذي يبحثون عنه. يعمل هذا بمثابة قالب، مما يضمن أن النتيجة النهائية ليست مجرد إشارة نظيفة، بل هي إشارة تهيمن عليها نوع الاهتزاز المحدد الذي يحتاجه المهندسون للفحص. ومن خلال الجمع بين خطوات معالجة البيانات الثلاث هذه، يمكنهم أخذ تسجيل فوضوي مليء بالإشارات المختلطة واستخراج نمط واحد نقي من الاهتزاز.

اختبر الباحثون هذه الطريقة على لوح من الفولاذ المقاوم للصدأ، باستخدام مستشعرات قياسية لإرسال موجات صوتية عبره. ضبط الباحثون المستشعرات لمسح اللوح في خطوات صغيرة، وتسجيل الموجات عند كل نقطة. وعندما عالجوا البيانات للبحث عن نمط محدد يُعرف باسم نمط (A0)، كانت النتائج مذهلة؛ حيث تحولت الإشارات الفوضوية والمختلطة إلى موجة واضحة وقوية برزت بوضوح عن ضوضاء الخلفية. كما اختبروا الطريقة على نمط آخر يسمى نمط (S0)، وفي هذه الحالة، عملت الطريقة بشكل جيد أيضاً، وإن كان التحسن أقل دراماتيكية لأن ذلك النمط كان قوياً بالفعل في البيانات الخام. أكدت التجربة أن نهجهم القائم على البرمجيات يمكنه بنجاح عزل أنماط موجية محددة دون الحاجة إلى تغيير المعدات الفيزيائية أو طريقة القياسات.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهماً هو أنه يلغي الحاجة إلى مستشعرات مخصصة وباهظة الثمن لكل نوع مختلف من عمليات الفحص. في السابق، إذا أراد مهندس اكتشاف نوع معين من العيوب، فقد يحتاج إلى مسبار متخصص مصمم خصيصاً لتلك المهمة. أما الآن، فيمكنهم استخدام مسبار قياسي، ومسح المنطقة، وترك الكمبيوتر يقوم بالعمل لفصل الإشارات. وهذا يعني أنه يمكن استخدام نفس المعدات منخفضة التكلفة للكشف عن مجموعة متنوعة من العيوب ببساطة عن طريق تغيير إعدادات البرامج. لقد أظهر الباحثون أنه من خلال التركيز على رياضيات كيفية تداخل الموجات مع بعضها البعض، استطاعوا إعادة إنشاء الظروف التي تتطلب عادةً أجهزة معقدة. وقد أثبتوا أن المفتاح لاختيار نمط موجة محدد ليس في المستشعر نفسه، بل في كيفية مزامنة ودمج البيانات بعد جمعها.

تؤكد الدراسة أن هذا النهج القائم على البيانات يعد بديلاً قابلاً للتطبيق للطرق التقنية العالية الموجودة. وبينما تستخدم تقنيات أخرى مصفوفات معقدة من المستشعرات أو المجالات المغناطيسية لاختيار أنماط الموجات، يحقق هذا الأسلوب نتائج مماثلة من خلال معالجة البيانات من مسبار مسح بسيط. وأشار الباحثون إلى أنه بينما تعمل الطريقة بشكل جيد جداً لأنماط معينة، فإن درجة التحسن تعتمد على الخصائص المحددة للموجة المدروسة. ومع ذلك، من خلال تطبيق الخطوات الثلاث لروتين معالجة البيانات الخاص بهم، يمكنهم ضمان الحصول على نتائج عالية الجودة بغض النظر عن الظروف المحددة. وهذا يشير إلى أن مستقبل الاختبارات غير التدميرية قد يعتمد أقل على بناء أدوات أكثر تخصصاً وأكثر على طرق أذكى لتفسير البيانات التي نمتلكها بالفعل. إن القدرة على توليد نمط موجة محدد افتراضياً من تسجيل عام تفتح الباب أمام طرق أكثر مرونة وفعالية من حيث التكلفة وقوة للحفاظ على سلامة بنيتنا التحتية.