蔡曜隆、陳耀明、林家欣 / 工研院材化所
近年來管路設施事故頻繁發生，對公共安全與環境永續造成嚴重威脅，對於即時且高精度的管路安全監測技術的需求日益迫切。傳統被動式管路洩漏偵測系統多於事故發生後方能發揮作用，且其特徵頻率易受環境雜訊干擾，加上高頻聲波在管線中的傳播距離有限，導致監測效能與可靠度受限，存在先天瓶頸。本研究旨在驗證一種創新的主動式低頻聲波管路安全偵測系統之可行性，藉由主動激發聲波訊號，將管路監測模式由反應式轉型為預防式。系統核心技術包含改良型浸入式低頻聲波發射器，以及具變頻能力之駐波時頻安全診斷模組。透過頻率掃描與駐波聲壓分析，可有效放大管線缺陷所引發之聲學異常特徵。實驗結果顯示，該系統能穩定傳遞低頻聲波至超過一公里之距離，並可藉由駐波聲壓變化精準判定管線缺陷的位置與嚴重程度。研究成果證實，本技術具備高性價比、高靈敏度與長距離監測能力，為未來工業管線安全監測提供一項具實用潛力之解決方案。
【內文精選】
研究方法、系統架構與實驗分析
2. 浸入式低頻聲波發射器開發與性能驗證
(2) 性能測試與長距離傳輸驗證
為驗證該發射器在實際工程環境下的可行性，本研究於工研院院區建置長距離測試平台進行性能量測（圖三），其相關條件與測試結果如下：
① 實驗場域：長度1公里、口徑4吋的鑄鐵水管，作為低頻聲波傳輸測試平台。
② 測試條件：驅動頻率固定於100 Hz（非共振條件），輸入功率於80 W~190 W範圍內調變。
③ 量測方法：於3 m、22 m、500 m與1,000 m處布置水聽器量測聲壓。
④ 實測結果：輸入功率190 W時，聲源附近量測音壓達140 dB；於1公里處仍可量測到139.6 dB之低頻訊號，此一實驗結果與模擬聲波在管線內水介質的傳遞衰減趨勢接近（圖四），證實其具有長距離傳輸能力。
圖三、改良版浸入式低頻聲波發射器於工研院1 Km長4吋管線（水）上線測試
圖四、1 Km長4吋管線（水介質）聲波傳遞距離衰減關係（模擬與實測數據）
結果與討論
此部分討論分析系統三大核心模組的實驗結果，及其對主動式低頻聲波偵測系統可實施性的重大意義。
1. 低頻聲波發射器：長距離傳輸的突破性驗證
長距離傳輸結果是本計畫最關鍵的技術突破之一。本研究在190 W輸入功率下，100 Hz的聲波在4吋水管中傳輸近1公里（圖四），音壓衰減僅4 dB (140 dB → 136 dB)。
(1) 衰減分析與理論符合性
① 極低衰減率：4 dB/km的衰減率遠優於傳統高頻偵測聲波（高頻聲波在數百公尺內即可衰減數十dB）。此結果充分證明了使用低頻主動聲波進行長距離管線監測的優越性與可行性。
② 設計優化確認：實測結果與2025年模擬聲波在管線內水介質的傳遞衰減趨勢接近，印證了改良後的活塞式推動設計、壓力平衡機制以及超薄壓電陶瓷的高位移輸出，有效克服了流體阻力與聲波散射損耗，將能量高效耦合至管內流體中。
③ 工業應用意義：此性能意味著在實際工業管線上，僅需每隔數公里設置一個發射/接收單元，即可實現全線覆蓋監測，大幅降低了監測系統的布設密度與總體成本---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》471期，更多資料請見下方附檔。