Posudek vedoucího diplomové práce studentky KMI FJFI ČVUr
Bc.
Sár§ Vejvodové
" Nelineární ultrazvuková tomografie s časovou reversací signálů" ("Nonlinear ultrasonic tomography with time-reversed signals") Zadáni diplomové prácepro studentku Bc. Šá.ku Vejvodovollnayazoyalo na její bakalářskou práci a výzkumný úkol, v nichž navrhla, matematicky rigorózné zformulovala a do aplikačníhostadia rozpracovala zcela novou metodiku nedestruktivního testování materiálů a konstrukcí pomocí nelineární ultrazvukové spektroskopie s časově reversními zrcadly. Diplomantkou íozpracovaná metodika umožňuje zónovou lokalizaci a pseudo-tomografické zobrazení rozvijqících se strukturních defektů v tělese, které mají za následek lokálně nelineární odezvu materiálu a klasickými metodami nedestruktivního zkoušení jsou prakticky nezjistitelné. Původnínávrh vlastního způsobu extrakce nelinearit 3. řádu při harmonickém buzeni ultrazvukov;hni frekvencemi vycházi z analýzy synetrie excitací (ESAM), kterou v první variantě metody Šárka Vejvodová ještě doplnila o spektrální rozklad operátoru časové íeverzace (DORT), umožňujícílokalizaci a klasifikaci více přítomných defektů bez náročného iteračníhoprocesu. V dalších variantách rozpracovávané metodiky navrhla na základě hluboké teoretické analýzy podstatně zjednodušený experimentální postup, ktery ověřila v numerických simulacích a vypracovala pro něj programové vybaveni na bázi software MATLAB.Tento postup, doplněný o účinnýalgoritmus zobtazování odvozených parametru nelinearit pak aplikovala na experimentální ďata, ziskávaná při únavových testech letecké součásti. V diplomové práci diskutované výsledky potvrdily užitečnosta správnost navrženýchmatematických postupů. Diplomová práce Š,Vejvodové dokládá, že diplomantka vytešila zadaný úkol originálním způsobem v celé jeho šíři od teoretického rozboru problému, přes odvození náročnéhomatematického aparátu, až po konstrukci qipočetního algoritmu, vytvoření příslušnéhoprogramového vybavení, zpracováni reálných dat a efektivní zobrazování výsledků. Řešení diplomního úkolu představovalo mimořádné obtižnou úlohu, náročnou na komplexní matematické í jazykové znalosti diplomantky i její schopnosti pohotově se orientovat odbomé literatuře ve zcela novém matematicko-fyzikáIním oboru
akustických časově reversních zrcadel Spojení této problematiky s tomografic§im zobrazováním lokálních nelinearit v materiálu představuje originální metodologii, která se
prakticky uplatní jak v prumyslové, tak i v lékařské 9iagnostice. Již od začátku bakalářského studia byla Sárka Vejvodová částečnězaměstnána v Ústavu termomechaniky AV ČR, kde se v oddělení nedestruktivní diagnostiky významnou měrou podílela na řešení čtťnáročných grantových úkolů.Na základé dlouhodobé spolupráce ústavu s francouzskou universitou ENIVL v Blois, která je předním světovPn pracovištěm v oblasti ultrazvukové tomografie, absolvovala studentka v rámci programu ERASMUS ročni stíň na této universitě, během nížnejen že složlla ve francouzském jazyce s výbornlim prospěchem náročnézkoušky, ale vypracovala zde v anglickém jazyce také svůj samostatný výzkumný úkol, jehož výsledky dále rozpracovala v diplomové práci a v celé řadě následujících kvalitních publikací. Diplomovou práci napsala studentka celou v anglickém jazyce, což umožňuje, aby ji mohl bez problému čístjak zaltaniční konzultant diplomantky Serge Dos Santos z university v Blois, tak i dalšíspecialisté ze zahraničí,kteří jlž ďílve o práce studentky projevili velký zájem (např. z Katolické University v Leuven v Belgii, Los Alamos National Laboratory v USA, Politecnico di Torino v Itálii a další). Diplomová práce ŠartyVejvodové představuje ucelenou původní vědeckou prácí, jejíždí|čivýsledky byly v uplynulých dvou letech předmětem celkem 17 mimořádně
úspěšnýcha ceněqých publikací v odborných časopisech i na významných mezinžrodních konferencích (ve výčtu publikací diplomantka uvádí pouze 9 nejvýznamnějších). Jako vedoucí diplomové práce mohu konstatovat, že studentka Šárka Vejvodová splnila vynikajícímzpůsobem beze zbyrtku všechny body zadání velmi náročnéhoúkolu a svou diplomovou prací prokázala mimořádné znalosti, matematický talent i originalitu nápadů a pohotovost a schopnosti řešit obtižné úlohy vědeckého výzkumu na úrovni, která vysoko přesahuje nároky na magisterské studium. Diplomantka svou prací význarrtné přispěla km řešení vysoce perspektivní problematiky r.yužitíčasově reversních zrcadel v ultrazvukové diagnostice. Diplomová práce studentky ŠartyVejvodové má vynikajícíúroveň jak po odborné stránce, tak i co se týká formy a zplacoyání. S ohledem i na mimoŤádný ohlas dosud publikovaných ptaci diplomantky jak v ČR, tak v zahtaníčidoporučuji, iby práce byla přihlášena do soutěže o nejlepší diplomovou práci. Diplomovou práci Šart
"A" (výbomě) Y Praze,
ďne
4,2,20ll
Zdeňěkf řevorovský :] r' a|
7,-,\ lt!, Ltr,
ltl-
il
/
OPONENINÍ POSUDEK DIPLOMOVÉ PnÁCP Název próce: Nelineární ultrazvuková tomografie s časovou reversací signálu Autor,, Bc. Sárka Vejvodová
Zaměření: MI, FJFI
ČVUr
Štrotnt rok:20I0l20ll
Práce předkládaná k obhajobě je věnována studiu nelineárních ultrazvukových metod pro nedestruktivní testování materiálů na přítomnost a lokalizaci defektů s použitím časové reversace signálu. Spojením dvou existujících metod ESAM a DORT vznikla metoda ESAMDORT, která se snažívyužítpředností každéz dotyěných dvou zmíněných metod a umožňuje tak lépe provést částečnouzónovou lokalizaci i vícečetnýchdefektů ve zkoumaném objektu a zároveň dokáňe i částečněkvantifikovat míru poškozeníu jednotlivých defektů (vše samozřejmě za vhodných experimentálních podmínek), Bylo provedeno několik jednoduchých virtuálních a praktických experimentů pro demonstraci vlastností a funkčnosti těchto třech zmíněných metod a nakonec je na jejich základě navržena vizualizační metoda ultrazvukové tomografie a proveden experiment na reálném velmi komplikovanémvzorku z prŮmyslové praxe, kde jsou výsledky této metody porovnány s výsledky v praxi velmi často používanémetody akustické emise.
Jižztohoto shrnutí je zřejmé, že zaďání práce staví před autorkou náročný mezioborový úkol, zahrnujicí (přinejmenším) témata znelineární matematické a signálové analýzy, teoretické a
experimentální aspekty ultrazvukových analytických technik apasáůe teorie šířeníultrazvukoqých vln v pevných látkách potřebné k porozumění a vytvoření předstaly o šířeníultrazvuku ve zkoumaných předmětech, stejně jako potřebu základních programovacích technik potřebných pro zpracování a
vyhodnocení měřených i viftuálních dat v Matlabu. Jelikož nedestruktivní testování nejrůznějších objektŮ a konstrukcí nachéní širokér,yužitív průmyslovépraxi a jeho ýznam v poslední době rozhodně narŮstá, ve snaze o vyššíbezpečnost a sníženínakladů na údržbu,má určitě studium metod, které mohou potenciálně zdokonalit takovou diagnostiku v praxi i značný praktický wýznam.
Po formální stránce je ptáce provedena pečlivě a obsahuje všechny náležitosti stanovené Studijním řádem. K úpravě, jazyku a srozumitelnosti textu bych uvedl.ještě několik dalších drobných výhrad:
.
Celkové využiti prostoru na stránkách by mohlo být intenzivnější, především lryužitím oboustranného
a jednoduchého řádkovárrí, namísto použitého 1.S-násobného, by mohl být text o něco kompaktnější , fidíži přehlednější a šetrnějšík našim lesům. (Práce by neměla být posuzována podle dostatečnétloušťkysvazku, tedy počtu listů, což občas zbytečrrě vede k takovýmtojevům, ale podle obsahu, kter,ý by v tomto případě byl v pořádku i kdyby byl v}.tištěn jen na podstatně méně jak polovině
tisku
listů papíru!)
.
. C
Vá|edem k tomu, Že práce obsahuje také velmi výrazné procento matematické teorie v podobě vzorců, rovnic, maternatickýchvýrazŮ a symboliky, lze si jen postesknout nad faktem, že práce nebyla napsána v nějaké verzi TeXu (byť i jen LaTeXu), kter"ý je pro sazbu matematiky zatim stále nejvhodnější, a na vzhledu některych (především některych matematických) částípráce je to bohužel poznat.
V referencích bud'omylem chybí neboje špatně citována literatura ťýkajicíse zdánlivých reflektivit zdrojŮ nelinearity, což se projevuje otazníkem na příslušných citovaných místech v textu. Konkrétně na straně l7, 5. řádek odspodu a na straně l9, první řádek pod rovnicí (1.22). Obrázky vzorkovaných a spočítanýchsignálů a spekter by si rozhodně zasl,oužily bud'l"ýrazně r,yšší rozlišení(rozlišení obriuku, nikoliv vzorkovaného signálu) nebo dokonce vektorové provedení, případně s lynesením vzorkovaných bodů. Vzhledem k tomu, že veškerésignály byly zpracovávané Matlabem, musely být k dispozici i explicitní hodnoty příslušných signálů v číselnépodobě atudížby neměl být problém takové obrázky vygerrerovat pomocí některé k tomu určenésoftwarové aplikace (např. GNU Plot). V práci prezentované obrázky signálu r.ypadají jako screensho§ s velmi nízkým
rozlišením, cožjednak nepůsobípříliš hezky a profesionálně, za druhé se tímještě více ztrácejí a zkreslujíjižtak na první pohled těžko viditelné efekty drobnýclr nelinearit, které chtěla autorka čtenáři ukázat (ako např. na obrázku 2.9 č|2.15 na straně 37 resp. 43, které by pro lepšíviditelnost efektu zasloužiliještě přiložit své spektrum, ze kterého byjev byl pravděpodobně mnohem vícepatrný) aza třetí tím u některyích obrázků dochází až k aliasingo.,ým efektům, které obrázek úplně znehodnocují (např. prostřední graf na obrázku 2.I0 na str. 38 nebo levý graf na obr.2.13 na stt. 42.
o
Taížůpoznámka o rozlišení a vektorovém provedení obrázků pak platí i pro některé dalšíobrázky, jako je obrázek 3.3 na straně 53 (zvláště, když2.7 a3.5 na straně 36 resp. 55 takto upraveny jsou).
Text práce je rozčleněn do pěti kapitol, které se postupně věnují principům použitíčasové reverse signálů a metodě DORT využívající tento efekt. Jednomu konkrétnímuzpůsobu modelování nelineárního chování trhlin v materiálu při šířenízvukových vln a metodě ESAM využívající tento model, podpořené simulacemi s jednou a dvěma trhlinami na demonstraci této metody. Odvození kombinované metody ESAM-DORT pro získánínelineárních parametrů materiálových poruch s použitímamplitudové variace i časovéhoposuvu pro náhradu metodou ESAM vyžadovaného buzení komplexními signály (čehožnelze v praxi dosáhnout) pomocí více reálných signálů, opět se simulacemipro případ jedné a dvou trhlin a popisem v praxi provedeného jednoduchého experimentu, vyhodnoceného pomocí této metody. Návrh postupu experimentu a poté výpočtůpro nově navrženou metodu ultrazvukové tomografie vycbázející zvýše zmíněných metod, umožňujícívizualízovatjimi získané nelineární parametry pomocí dvourozměrných prostorově lokalizovaných (tj. ze spodu omezených) Gaussovských pravděpodobnostních distribucí orientovaných oko1o trajektorií vzájemné spojujících jednotlivé použité snímačeatakzónově lokalizovat a orientačně kvantifikovat míru poškození zkoumaného objektu. Poslední kapitola demonstruje použití navrženévizualizační metody na skutečnémgeometricky komplikovaném vzorku z průmyslovépraxe (kritická část podvozku letadla L-410) v jednotlivých stádiích vývoje únavovéhopoškození a úspěšněji srovnává s výsledky běžně používanéNDT metody akustické emise.
Teoretické a metodologické pasáže jsou zpracovány přehledně a podávají přiměřený přehled potřebných faktů pro pochopení analytických metod a postupů při provádění experimentů. Příjemným oživenímje závěrečná demonstrace navrženémetody na reálném komplikovaném vzorku podvozkového braketu a fakt, že výsledky jsou ve viditelné shodě s akustickou emisí.
K obsahové stránce práce bych
rád uvedl alespoň jednu malou připomínku a dále položil
několik doplňujících dotazů:
o
.
.
vlastní příspěvek autorky: Myslím, že v práct není dostatečně zdůrazněno co všechno z popisovaných faktů je (vlastním či alespoň částečným)příspěvkem autorky, kde začiná a končíjejípráce a coje pouze shrnutím a referencí práce druhých. Po diskusi se školitelem si myslím, že se autorka rozhodně nemá v tomto ohledu za co sýdét a při obhajobě rozhodně doporučuji toto více zdůraznit.
u simulovaného experimentu
testujícího metodu ESAM, při spektrálním výpočtu charakteristických nelineárních parametrů N,, N, a N: na straně 40 a 4l je uvedeno, že řádová chyba u Nz a N: počítaných pomocí jedné Fourierovy transformace a jedné resp. dvou j ejích vzájemných konvolucí je způsobena,,něj akým normalizačním problémem v Matlabu", Nemyslíte si, že je to spíšúplně klasický případ zaokrouhlovací chyby? Dokážete alespoň rámcově vysvětlit proč? §a zaokrouhlovací chyby je třeba důkladně koukat při jakýchkoliv výpočtech prováděných na počítači.)
Máte představu jak velkou roli hraje v ultrazvukové tomografii rozmístění snímačů vůčipoloze defektu a jak by to případně mohlo ovlivnit shodu s akustickou ernisí?
Výše uvedené připomínky však nikterak nesnižujíkvalitu a provedení hodnocené ptáce ato jak po matematické a teoretické stránce, přes implementaění stránku realizovanou v Matlabu, ůpo praktické provedení experimenfu na skutečných vzorkách zrcálné prumyslové aplikace. Tudížhodnotím práci jako kvalitní. Po úspěšnéobhajobě proto navrhuji klasifikovat práci stupněm ,,v.Ýbomý" (A).
Praha, 4. únota2011
IL
Ing. Václav Koula, CSc.
