Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Gutierrez, Felipe Derewlany
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34344
Resumo: One of the main non-destructive testing (NDT) techniques is ultrasound inspection and imaging, widely used in the oil and gas industry to verify the integrity of subsea equipment, parts, and welds. Inner surface imaging, a primary application, enables the evaluation of metallic structures and pipes. Although seemingly unrelated, seismic imaging shares the same foundation as ultrasound imaging: the propagation of mechanical waves. In seismic imaging, Full Waveform Inversion (FWI) reconstructs images of seabed layers through an iterative method that compares acquired signals with simulated signals. This method updates the simulation’s propagation medium until the differences between simulated and acquired signals meet stopping criteria, resulting in a model characterizing the studied region’s composition. FWI has the potential to produce more detailed images than classical Delay-and-Sum (DAS) methods by considering the physics of wave propagation. However, for FWI to be practical in NDT, fast and accurate wave propagation simulations are essential, as they constitute the most computationally demanding part of the regression. This dissertation examines graphics processing units (GPUs) for acoustic wave simulation with absorbing boundary conditions (ABCs) to prevent artificial reflections at domain borders in simulators for FWI. The theory of acoustic waves, Perfectly Matched Layers (PML), Convolutional PML (CPML) ABCs, and the finite difference method for solving the wave equation are studied. Implementation strategies and testing methodologies are detailed, with comparisons between simulations and analytical solutions, both formulations of the acoustic wave equation, and the speed-up achieved by GPU implementations. Additionally, the reflection absorption by PML and CPML for the same setup and the domain reduction achieved by using ABCs are compared. The results show a mean squared error (MSE) residue between simulations and the analytical solution in the range of 10−4 to 10−3, faster simulations with GPU PML achieving a 70.24x speed-up, and GPU CPML achieving a 77.77x speed-up, FWI regression in 1600 seconds, reflection absorption of PML at 99.80% and CPML at 99.92%, and a domain size reduction of 45.13%. Finally, the simulations are compared to real ultrasound acquisitions, and the challenges and future directions of NDT ultrasound simulation for FWI are discussed.
id UTFPR-12_51ca83a6b3448ed120eefc400a443b7d
oai_identifier_str oai:repositorio.utfpr.edu.br:1/34344
network_acronym_str UTFPR-12
network_name_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository_id_str
spelling Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivosUltrasound simulation in non-destructive testingUltrassom - Métodos de simulaçãoTestes não-destrutivosUnidade de Procesamento GráficoEngenharia acústicaSimulação (Computadores)Ultrasonics - Simulation methodsNon-destructive testingGraphics processing unitsAcoustical engineeringComputer simulationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAISEngenharia ElétricaOne of the main non-destructive testing (NDT) techniques is ultrasound inspection and imaging, widely used in the oil and gas industry to verify the integrity of subsea equipment, parts, and welds. Inner surface imaging, a primary application, enables the evaluation of metallic structures and pipes. Although seemingly unrelated, seismic imaging shares the same foundation as ultrasound imaging: the propagation of mechanical waves. In seismic imaging, Full Waveform Inversion (FWI) reconstructs images of seabed layers through an iterative method that compares acquired signals with simulated signals. This method updates the simulation’s propagation medium until the differences between simulated and acquired signals meet stopping criteria, resulting in a model characterizing the studied region’s composition. FWI has the potential to produce more detailed images than classical Delay-and-Sum (DAS) methods by considering the physics of wave propagation. However, for FWI to be practical in NDT, fast and accurate wave propagation simulations are essential, as they constitute the most computationally demanding part of the regression. This dissertation examines graphics processing units (GPUs) for acoustic wave simulation with absorbing boundary conditions (ABCs) to prevent artificial reflections at domain borders in simulators for FWI. The theory of acoustic waves, Perfectly Matched Layers (PML), Convolutional PML (CPML) ABCs, and the finite difference method for solving the wave equation are studied. Implementation strategies and testing methodologies are detailed, with comparisons between simulations and analytical solutions, both formulations of the acoustic wave equation, and the speed-up achieved by GPU implementations. Additionally, the reflection absorption by PML and CPML for the same setup and the domain reduction achieved by using ABCs are compared. The results show a mean squared error (MSE) residue between simulations and the analytical solution in the range of 10−4 to 10−3, faster simulations with GPU PML achieving a 70.24x speed-up, and GPU CPML achieving a 77.77x speed-up, FWI regression in 1600 seconds, reflection absorption of PML at 99.80% and CPML at 99.92%, and a domain size reduction of 45.13%. Finally, the simulations are compared to real ultrasound acquisitions, and the challenges and future directions of NDT ultrasound simulation for FWI are discussed.Agência Nacional do Petróleo (ANP)Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP)Petróleo Brasileiro (Petrobrás)Uma das principais técnicas de ensaios não-destrutivos (END) é a inspeção e imageamento por ultrassom (US). O US é amplamente utilizado na indústria de óleo e gás para verificar a integridade de equipamentos submarinos, peças e soldas. A reconstrução de imagens de estruturas e tubulações metálicas é uma aplicação chave. Embora aparentemente não relacionados, o imageamento por ultrassom e o imageamento sísmico compartilham a mesma base na propagação de ondas mecânicas. Na sísmica, o Full Waveform Inversion (FWI) é um método iterativo que compara sinais adquiridos com simulados, atualizando o meio de propagação até que as diferenças atinjam um critério de parada. O FWI pode produzir imagens mais detalhadas que os métodos clássicos de Delay-and-Sum (DAS) ao considerar a física da propagação de ondas. No entanto, para aplicar o FWI em END, são necessárias simulações rápidas e precisas, pois são a parte mais computacionalmente exigente da regressão. Esta dissertação estuda a simulação de ondas acústicas em unidades de processamento gráfico (GPUs) com condições de fronteira absorventes (ABCs) para evitar reflexões artificiais nas bordas do domínio. Foram estudadas as teorias da onda acústica, das ABCs Perfectly Matched Layers (PML) e Convolutional PML (CPML), e o método das diferenças finitas para resolver a equação da onda. As estratégias de implementação e metodologias de teste são detalhadas, com comparações entre simulações e a solução analítica, ambas as formulações da equação da onda acústica e o speed-up obtido pelas implementações em GPU. Além disso, a absorção de reflexão pela PML e pela CPML para a mesma configuração são comparadas e a redução do domínio obtida pela utilização de ABCs é demonstrada. Os resultados mostram um resíduo de erro quadrático médio (MSE) entre as simulações e a solução analítica no intervalo de 10−4 a 10−3, simulações mais rápidas com a GPU PML alcançando um speed-up de 70,24x e a GPU CPML alcançando um speed-up de 77,77x, uma regressão FWI em 1600 segundos, absorção de reflexão da PML em 99,80% e da CPML em 99,92% e uma redução do tamanho do domínio de 45,13%. Por fim, as simulações são comparadas com aquisições reais de ultrassom e são discutidos os desafios e as direções futuras da simulação de ultrassom NDT para FWI.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática IndustrialUTFPRPipa, Daniel Rodrigueshttps://orcid.org/0000-0002-9398-332Xhttp://lattes.cnpq.br/5604517186200940Passarin, Thiago Alberto Rigohttps://orcid.org/0000-0003-1001-5911http://lattes.cnpq.br/1366903848418887Pipa, Daniel Rodrigueshttps://orcid.org/0000-0002-9398-332Xhttp://lattes.cnpq.br/5604517186200940Jahnert, Frederico Alveshttps://orcid.org/0000-0002-1265-6256http://lattes.cnpq.br/1572565832845346Guarneri, Giovanni Alfredohttps://orcid.org/0000-0003-2269-2522http://lattes.cnpq.br/7436484622054922Gutierrez, Felipe Derewlany2024-08-06T18:44:04Z2024-08-06T18:44:04Z2024-05-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfGUTIERREZ, Felipe Derewlany. Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34344enghttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2024-08-08T06:09:51Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/34344Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2024-08-08T06:09:51Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
dc.title.none.fl_str_mv Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos
Ultrasound simulation in non-destructive testing
title Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos
spellingShingle Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos
Gutierrez, Felipe Derewlany
Ultrassom - Métodos de simulação
Testes não-destrutivos
Unidade de Procesamento Gráfico
Engenharia acústica
Simulação (Computadores)
Ultrasonics - Simulation methods
Non-destructive testing
Graphics processing units
Acoustical engineering
Computer simulation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS
Engenharia Elétrica
title_short Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos
title_full Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos
title_fullStr Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos
title_full_unstemmed Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos
title_sort Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos
author Gutierrez, Felipe Derewlany
author_facet Gutierrez, Felipe Derewlany
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Pipa, Daniel Rodrigues
https://orcid.org/0000-0002-9398-332X
http://lattes.cnpq.br/5604517186200940
Passarin, Thiago Alberto Rigo
https://orcid.org/0000-0003-1001-5911
http://lattes.cnpq.br/1366903848418887
Pipa, Daniel Rodrigues
https://orcid.org/0000-0002-9398-332X
http://lattes.cnpq.br/5604517186200940
Jahnert, Frederico Alves
https://orcid.org/0000-0002-1265-6256
http://lattes.cnpq.br/1572565832845346
Guarneri, Giovanni Alfredo
https://orcid.org/0000-0003-2269-2522
http://lattes.cnpq.br/7436484622054922
dc.contributor.author.fl_str_mv Gutierrez, Felipe Derewlany
dc.subject.por.fl_str_mv Ultrassom - Métodos de simulação
Testes não-destrutivos
Unidade de Procesamento Gráfico
Engenharia acústica
Simulação (Computadores)
Ultrasonics - Simulation methods
Non-destructive testing
Graphics processing units
Acoustical engineering
Computer simulation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS
Engenharia Elétrica
topic Ultrassom - Métodos de simulação
Testes não-destrutivos
Unidade de Procesamento Gráfico
Engenharia acústica
Simulação (Computadores)
Ultrasonics - Simulation methods
Non-destructive testing
Graphics processing units
Acoustical engineering
Computer simulation
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::AUTOMACAO ELETRONICA DE PROCESSOS ELETRICOS E INDUSTRIAIS
Engenharia Elétrica
description One of the main non-destructive testing (NDT) techniques is ultrasound inspection and imaging, widely used in the oil and gas industry to verify the integrity of subsea equipment, parts, and welds. Inner surface imaging, a primary application, enables the evaluation of metallic structures and pipes. Although seemingly unrelated, seismic imaging shares the same foundation as ultrasound imaging: the propagation of mechanical waves. In seismic imaging, Full Waveform Inversion (FWI) reconstructs images of seabed layers through an iterative method that compares acquired signals with simulated signals. This method updates the simulation’s propagation medium until the differences between simulated and acquired signals meet stopping criteria, resulting in a model characterizing the studied region’s composition. FWI has the potential to produce more detailed images than classical Delay-and-Sum (DAS) methods by considering the physics of wave propagation. However, for FWI to be practical in NDT, fast and accurate wave propagation simulations are essential, as they constitute the most computationally demanding part of the regression. This dissertation examines graphics processing units (GPUs) for acoustic wave simulation with absorbing boundary conditions (ABCs) to prevent artificial reflections at domain borders in simulators for FWI. The theory of acoustic waves, Perfectly Matched Layers (PML), Convolutional PML (CPML) ABCs, and the finite difference method for solving the wave equation are studied. Implementation strategies and testing methodologies are detailed, with comparisons between simulations and analytical solutions, both formulations of the acoustic wave equation, and the speed-up achieved by GPU implementations. Additionally, the reflection absorption by PML and CPML for the same setup and the domain reduction achieved by using ABCs are compared. The results show a mean squared error (MSE) residue between simulations and the analytical solution in the range of 10−4 to 10−3, faster simulations with GPU PML achieving a 70.24x speed-up, and GPU CPML achieving a 77.77x speed-up, FWI regression in 1600 seconds, reflection absorption of PML at 99.80% and CPML at 99.92%, and a domain size reduction of 45.13%. Finally, the simulations are compared to real ultrasound acquisitions, and the challenges and future directions of NDT ultrasound simulation for FWI are discussed.
publishDate 2024
dc.date.none.fl_str_mv 2024-08-06T18:44:04Z
2024-08-06T18:44:04Z
2024-05-28
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv GUTIERREZ, Felipe Derewlany. Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34344
identifier_str_mv GUTIERREZ, Felipe Derewlany. Simulação de ultrassom aplicada a ensaios não-destrutivos. 2024. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024.
url http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/34344
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
UTFPR
publisher.none.fl_str_mv Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial
UTFPR
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron:UTFPR
instname_str Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron_str UTFPR
institution UTFPR
reponame_str Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
collection Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
repository.mail.fl_str_mv riut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.br
_version_ 1850498283142643712