Bachelor's Thesis

Acoustic emission source localization

Final Thesis 10.43 MB Appendix 911.52 kB

Author of thesis: Jan Tomšej

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Fialka, Ph.D.

Abstract:

This thesis summarizes experiences related to the accuracy of acoustic emission (AE) source localization. The first part presents methods used for the detection of continuous AE signals generated by leakages in pressure equipment within the energy and chemical industries.

A demonstrative example of localization based on attenuation characteristics is presented, using results obtained from measurements of near-field and far-field attenuation on a calibration block with dimensions of $\Phi$ 960 × 430 mm and a mass of approximately 2.4 t. These measurements were also intended to determine the actual shape of the elastic wave generated by the Hsu–Nielsen test source. Due to the geometry of the calibration block, the signal from this source was not distorted by reflections in its initial phase.

According to the ČSN EN 14584 standard, discontinuous AE signals require source localization. A localized burst-type AE source is referred to as an emission event. Based on prescribed criteria, such events are subsequently evaluated according to the standard. The thesis presents experimental results obtained using an Olympus ultrasonic probe and various borrowed sensors (Dakel, Soundwell, and Vallen). Following the evaluation of these tests, the most suitable method for AE source localization was determined. Localization is performed based on measuring time differences of arrival (TDOA) of signals reaching individual sensors. The accuracy of source coordinate determination is discussed and is shown to be relatively difficult due to the geometry of the tested object (steel strip specimen).

The Hsu–Nielsen source used in this work cannot be considered an absolute calibration source and must therefore be interpreted with certain limitations. Conditions under which the reproducibility of elastic waves generated by the Hsu–Nielsen source improves were identified.

In addition to conventional methods (first threshold crossing), alternative approaches for determining time differences of signal arrival between sensors were investigated. The Akaike Information Criterion (AIC) method was tested and implemented in MATLAB. The accuracy of AE source localization depends on the detected elastic wave mode. This detected mode does not necessarily correspond to the mode assumed by threshold-based methods, resulting in different propagation velocities. Similarly, the wavelet transform approach proved beneficial, as narrowing the frequency window enhances frequencies relevant to AE analysis.

The influence of material inhomogeneity and anisotropy represents a significant issue negatively affecting source coordinate determination, since wave propagation velocity is not constant across different directions or source distances. This topic requires further investigation and is therefore discussed only in the form of a literature review.

Keywords:

Acoustic emission event, Count, Hit, Arrival time, delta-t, AIC, Wavelet transform, Burst signal parameters, Rise time, First threshold crossing, Continuous signal, Background noise

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student odprezentoval připravenou prezentaci a následně odpovídal na tři dotazy položené oponentem závěrečné práce. Student obhájil bakalářskou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student odpověděl na dotazy.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Fialka, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Petyovský, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D.

Cílem bakalářské práce bylo ověřit možnosti zpřesnění lokalizace zdrojů akustické emise (AE). Zadání práce považuji za středně obtížné, úspěšné řešení vyžadovalo nastudovat problematiku AE, experimentálně získat sadu referenčních dat a následně implementovat vybrané algoritmy zpracování dat. Student při řešení postupoval systematicky, postup chodil pravidelně konzultovat. Výslednou odevzdanou práci považuji za odpovídající rozvrhovanému času pro řešení, bakalářská práce splňuje všechny body zadání a doporučuji ji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 85

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Jiří Fialka, Ph.D.

Předložená práce se věnuje problematice lokalizace zdrojů akustické emise a ověření možností zpřesnění lokalizace zdrojů AE. Zadání práce lze po odborné i časové stránce hodnotit jako středně náročné. Celkový rozsah práce činí 68 stran a je rozdělen do šesti kapitol zakončených závěrem, přičemž 17 stran tvoří přílohy obsahující naměřená data.
Po úvodní části a stanovení cílů práce začíná samotná teoretická část. Ta je rozdělena do čtyř kapitol a zahrnuje popis současného stavu metod lokalizace zdrojů AE se zaměřením na metody detekce času příchodu vlny generované zdrojem AE. Na návrh a implementaci vhodných algoritmů pro zpřesnění detekce času příchodu impulzního signálu AE a zvýšení odolnosti lokalizačních algoritmů pro zašuměné signály. Z hlediska struktury jsou jednotlivé kapitoly řazeny logicky a působí jako relativně ucelený celek.
V teoretické části postrádám podrobnější rozbor jednotlivých typů elastických vln a definici jejich rychlostí v různých materiálech. Vzhledem k tomu, že se jedná o důležitou část práce, očekával bych, že jí bude věnováno více prostoru. Dále bych doplnil popis rezonančních a širokopásmových piezoelektrických snímačů, například jaký je mezi nimi rozdíl a jaké materiály kromě křemene se v současné době používají jako aktivní prvek snímače. Vhodné by bylo stručně doplnit také popis dalších zmíněných snímačů a jejich použití (kapacitní, optické apod.).
V navazující páté a šesté kapitole je uvedena praktická část, kde se autor zaměřuje na podrobnější popis měřicí ústředny společnosti DAKEL, experimentální ověření lokalizace zdroje AE na ocelové pásovině a vyhodnocení naměřených výsledků pomocí osciloskopu a systému ZEDO od firmy DAKEL. Na sérii laboratorních experimentů se autor pokusil diskutovat vliv jednotlivých faktorů na přesnost lokalizace.
Za slabší část práce považuji interpretaci rychlosti šíření elastických vln v materiálu. V práci je stanovena proměnná rychlost šíření vlny v ocelové pásovině, aniž by byl dostatečně analyzován vliv jednotlivých vlnových módů nebo experimentálně ověřeno, zda se jedná o různé typy vlnění, či chybu odečtu na osciloskopu. V textu nejsou dostatečně vysvětleny podélné, příčné ani Lambovy vlny a jejich předpokládané rychlosti v ocelové pásovině. Problematika jednotlivých typů vlnění je krátce zmíněna až později v kapitolách 5.5.1 a 6, přestože je důležitá pro interpretaci výsledků experimentů uvedených v praktické části.
V praktické části dále postrádám alespoň částečné experimentální ověření diskutovaných jevů. Autor v textu uvádí více možných zdrojů nepřesnosti lokalizace, například vliv velikosti snímače, odrazů, neurčitosti určení počátku signálu nebo rozdílné akustické vazby, avšak tyto vlivy nejsou experimentálně ověřeny ani kvantifikovány. Navazující výpočet nejistot není podrobně popsán a nezahrnuje všechny relevantní zdroje nejistot měření, například přesnost odečtu počátku signálu, rozměr snímače nebo přesnost měřicí aparatury.
Další připomínku mám k prezentaci výsledků. Přestože je v práci popsán systém ZEDO, v navazující části autor přechází k měření pomocí osciloskopu, aniž by tento krok podrobněji vysvětlil. V textu nejsou téměř uvedeny reprezentativní průběhy přímo ze systému ZEDO ani jejich detailnější analýza. Větší část experimentů je prezentována pouze pomocí odečtů z osciloskopu. Očekával bych, že použití osciloskopu bude sloužit především pro zkušební část a pro finální měření již bude použit systém ZEDO. Rovněž nejsou uvedeny některé zmiňované experimenty, například podrobnější srovnání různých snímačů nebo testování reprodukovatelnosti PEN testu.
K práci bych měl dále několik formálních doporučení.
V textu se opakovaně objevují nejednotnosti v číslování a popisu tabulek a některých rovnic. Zápis rovnic stanovených metodou nejmenších čtverců (MNČ) u grafů, popisujících daný průběh neodpovídá jednotkám na osách. Obrázek 5.7 by bylo vhodné upravit a oříznout tak, aby došlo ke zvýraznění vlastní experimentální části. Při zápisu rozměrů průměru by bylo vhodné používat standardní symbol průměru.
Práci navrhuji k obhajobě s celkovým hodnocením 72 b (C). Topics for thesis defence:
  1. Otázka č. 1: Jaké typy vln se mohou na použité pásovině objevit a které jsou pro uvedené měření důležité? Jaké jsou předpokládané rychlosti jednotlivých typů vln v oceli?
  2. Otázka č. 2: Při ověření lokalizace zdroje AE na ocelové pásovině nastavujete vzdálenost mezi snímači na 850 mm při použití osciloskopu a vzdálenost 890 mm při použití systému ZEDO. Z jakého důvodu volíte různé počáteční vzdálenosti?
  3. Otázka č. 3: V textu je uvedena různá rychlost šíření elastické vlny v materiálu při použití osciloskopu a systému ZEDO. Jak se volba různé rychlosti projevila na výsledných hodnotách vzdálenosti zdroje AE?
Points proposed by reviewer: 72

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová