Estimação de parâmetros em ensaios não-destrutivos por ultrassom: diretividade e rugosidade

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Prado, Tatiana de Almeida
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
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/1/31564
Resumo: Ultrasonic methods for non-destructive testing are widely used for object inspection due to advantages such as the ability to detect and characterize defects in the internal structure of solid objects, low cost, and safety of operation. However, the performance of those inspections depends on prior knowledge about the parameters of the ultrasound system, the test environment, and the inspected object. The acoustic beam directivity in ultrasonic transducers and the surface roughness of the objects under test are difficult parameters to be measured. Normally, the directivity function is obtained through a specific test that takes measurements of the sound pressure field around the transducer using a hydrophone. While roughness measurements, in most cases, are performed through contact and optical methods, which have limitations regarding the access to the surface to be inspected and the inspection environment. This study presents a straightforward method to determine the directivity of phased array transducers. The method consists of an immersion test using only the transducer under test and a small reflector. The Ascans signals, acquired in pulse-echo mode, are processed to obtain the parameters that generate the experimental directivity function. This study also proposes two methods to estimate the roughness. The first method is based on several theoretical attenuation models and proposes a joint nonlinear regression to estimate the roughness of external and internal surfaces through ultrasound tests. The second method is based only on Phase-Screen Approximation and aims to estimate the surface roughness in submerged tests, using a smooth surface as a reference. The proposed method for estimating directivity was applied to simulated and experimental data. The results were compared to theoretical models. Two observations were highlighted: the arising of undefined lateral lobes for both simulated and experimental functions and the narrowing of the main lobe of the experimental directivity function. Reconstructed images by Corrected Total Focusing Method algorithm resulted in a better performance when the experimental directivity function was used instead of the theoretical one. Specifically, artifacts were reduced and the amplitudes of identical reflectors in different positions were more uniform throughout the reconstructed image. The first method to estimate roughness was partially evaluated using simulated signals. However, the divergences found between the theoretical models and the simulated data made unfeasible both the tests of the complete model with simulated signals and the performance of experiments. The second method allowed the adequate estimation of roughness in simulated signals and the application of the method in experimental signals.
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The acoustic beam directivity in ultrasonic transducers and the surface roughness of the objects under test are difficult parameters to be measured. Normally, the directivity function is obtained through a specific test that takes measurements of the sound pressure field around the transducer using a hydrophone. While roughness measurements, in most cases, are performed through contact and optical methods, which have limitations regarding the access to the surface to be inspected and the inspection environment. This study presents a straightforward method to determine the directivity of phased array transducers. The method consists of an immersion test using only the transducer under test and a small reflector. The Ascans signals, acquired in pulse-echo mode, are processed to obtain the parameters that generate the experimental directivity function. This study also proposes two methods to estimate the roughness. The first method is based on several theoretical attenuation models and proposes a joint nonlinear regression to estimate the roughness of external and internal surfaces through ultrasound tests. The second method is based only on Phase-Screen Approximation and aims to estimate the surface roughness in submerged tests, using a smooth surface as a reference. The proposed method for estimating directivity was applied to simulated and experimental data. The results were compared to theoretical models. Two observations were highlighted: the arising of undefined lateral lobes for both simulated and experimental functions and the narrowing of the main lobe of the experimental directivity function. Reconstructed images by Corrected Total Focusing Method algorithm resulted in a better performance when the experimental directivity function was used instead of the theoretical one. Specifically, artifacts were reduced and the amplitudes of identical reflectors in different positions were more uniform throughout the reconstructed image. The first method to estimate roughness was partially evaluated using simulated signals. However, the divergences found between the theoretical models and the simulated data made unfeasible both the tests of the complete model with simulated signals and the performance of experiments. The second method allowed the adequate estimation of roughness in simulated signals and the application of the method in experimental signals.Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Petróleo Brasileiro (Petrobrás)Ensaios não destrutivos por ultrassom são amplamente utilizados para a inspeção de equipamentos, pois têm a capacidade de detectar e caracterizar defeitos na estrutura interna de objetos sólidos com custo reduzido e segurança de operação. No entanto, a eficácia dessas análises dependem do conhecimento prévio de parâmetros do sistema de ultrassom, do ambiente de ensaio e do objeto inspecionado. A diretividade do feixe sonoro em transdutores ultrassônicos e a rugosidade superficial dos objetos em teste são parâmetros difíceis de mensurar. Normalmente, a função diretividade é obtida em um teste específico que realiza medições do campo de pressão acústica em torno do transdutor utilizando hidrofones. Quanto às medições de rugosidade, em geral, são realizadas por métodos de contato ou métodos ópticos que possuem limitações quanto ao acesso à superfície a ser inspecionada e ao ambiente de inspeção, enquanto a medição por ultrassom pode viabilizar aplicações in loco em estruturas submersas. Este documento propõe um método simples para determinar a diretividade de elementos transdutores retangulares usando sinais A-scans adquiridos no modo pulso-eco em um ensaio por imersão, com apenas um transdutor phased array e um refletor cilíndrico com diâmetro infinitesimal. Esses sinais são processados para obter os parâmetros que geram a função diretividade experimental. Também, propõe uma regressão não-linear conjunta baseada em modelos teóricos de atenuações para estimar a rugosidade de superfícies externas e internas em ensaios por ultrassom e outras atenuações do sinal ultrassônico. Adicionalmente, propõe uma regressão linear baseada apenas no modelo PhaseScreen Approximation para estimar a rugosidade superficial em ensaios submersos, usando como referência uma superfície lisa. O método proposto para estimar a diretividade foi aplicado a dados simulados e experimentais. Os resultados foram comparados com modelos teóricos, donde duas observações se destacam: as funções diretividade estimadas são suaves e não apresentam uma divisão clara entre o lóbulo central e os lóbulos laterais, e na função diretividade experimental corre um estreitamento do lóbulo central. As imagens reconstruídas utilizando o algoritmo Corrected Total Focusing Method resultam em melhor desempenho se a função diretividade experimental for utilizada em vez da função diretividade teórica. Especificamente, observam-se redução da intensidade de artefatos e maior uniformidade das amplitudes de refletores idênticos em diferentes posições na região de interesse. A regressão não-linear conjunta para estimar rugosidade e outros parâmetros de atenuação foi avaliada parcialmente com sinais simulados. Porém, as divergências encontradas entre os modelos teóricos e os sinais simulados inviabilizaram tanto os testes do modelo completo com sinais simulados, quanto a realização de experimentos. Em consequência, foi proposto um novo modelo baseado em regressão linear que possibilitou a estimação da rugosidade em sinais simulados e a aplicação do método em sinais experimentais.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/5604517186200940Neves Junior, Flaviohttps://orcid.org/0000-0002-1627-1425http://lattes.cnpq.br/0494282486171725Pereira, Gabriela Ribeirohttps://orcid.org/0000-0003-3719-1683http://lattes.cnpq.br/3243313265625272Brante, Glauber Gomes de Oliveirahttps://orcid.org/0000-0001-6006-4274http://lattes.cnpq.br/8347190422243353Valente, Solivan Aranteshttps://orcid.org/0000-0002-6774-6099http://lattes.cnpq.br/2640992264277310Prado, Tatiana de Almeida2023-06-14T18:20:22Z2023-06-14T18:20:22Z2023-05-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfPRADO, Tatiana de Almeida. Estimação de parâmetros em ensaios não-destrutivos por ultrassom: diretividade e rugosidade. 2023. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31564porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/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:UTFPR2023-06-15T06:08:02Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/31564Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2023-06-15T06:08:02Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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Neves Junior, Flavio
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