Sayısal holografi tekniğine dayalı ses kaydedici ve tahribatsız muayene için kullanılması
Optical voice recorder based on digital holography and usage for nondestructive testing
Yazar: GÜLHAN USTABAŞ KAYA
Danışman: PROF. DR. ZEHRA SARAÇ
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, eksen dışı (off-axis) sayısal holografi tekniğine dayalı optik ses kaydedici üzerinde yapılan çalışmalar sunulmaktadır. Çalışma üç ana kısımdan oluşmaktadır;

1-Optik ses kaydedici ile elde edilen ses hologramlarından sesin (normal ses ve ses ötesi dalgaların) yeniden elde edilmesi, geri elde edilen seslerin dinlenmesi ve ses dalgalarının frekans spektrumlarının çıkartılması.
2-Ses hologramlarından elde edilen ses dalgalarının geri elde edilmesi (reconstruction)  işleminde farklı sinyal işleme algoritmalarının kullanılması, bu algoritmaların gürültü bastırma kabiliyetlerinin araştırılması ve herbir sinyal işleme algoritması ile elde edilen sonuçlardan sistemin işaret gürültü oranlarının (İGO) hesaplanması.
3-Off-axis sayısal holografi tekniğine dayalı optik ses kaydedici ile malzemelerde darbe ile veya zamanla meydana gelen çatlakların tespitini yapabilen bir dedektörün geliştirilmesi.

Birinci kısımda, sinyal işleme algoritması olarak Fourier Dönüşüm metodu (FDM) kullanılmıştır. Sistemde geri elde etme işleminde FDM kullanılmasıyla sayısal ses hologramlarından elde edilen ses dalgaları multimedya dosyası olarak kaydedilmiştir ve kaydedilen bu sesler yeniden dinlenmiştir. Frekans spektrumlarının incelenmesi ile bu ses dalgalarının kayıt için sisteme verilen ses dalgalarına eşit olduğu ortaya koyulmuştur.

İkinci kısımda, sinyal işleme algoritması olarak Fourier Dönüşüm metodu (FDM), Fresnel- Dönüşüm metodu (F-DM) ve bir boyutlu sürekli dalgacık dönüşüm metodu (1B-SDDM) kullanılmıştır. Bahsi geçen sinyal işleme algoritmalarının sistemde var olan gürültüyü bastırma kabiliyetinin ne derecede olduğu işaret gürültü oranlarının (İGO) hesaplanmasıyla analiz edilmiştir. İGO değerlerinin hesaplanması için, herbir sinyal işleme algoritması ile geri elde edilme sürecinde çıkartılan zamansal faz işaretleri ve sisteme verilen ses dalgası kullanılmıştır. İGO değerleri, FDM için % 66.90, F-DM için % 8.70 ve 1B-SDDM için % 4.78 olarak hesaplanmıştır. Bu doğrultuda sistemde var olan gürültüyü bastırma kabilitiyeti en iyi olan metodun FDM olduğu söylenmiştir. 

Son kısımda ise önerilen optik ses kaydedici ile malzemelerde çeşitli sebeplerden kaynaklanarak meydana gelen çatlakları tespit edebilecek bir dedektörün geliştirilmesi için yapılan çalışmalar sunulmuştur. Burada çatlak tespiti için, çatlağın gözle kolaylıkla görülebildiği cam ve tahta malzemeler ve çatlağın çıplak gözle görülemediği metal malzeme kullanılmıştır. Bu tespit, ses hologramlarından geri elde edilen frekans spektrumunun kullanılması ve ses dalgasının malzemeden geçerken sergilediği davranışın maksimum zamansal faz dağılımlarının üç boyutlu olarak çıkartılmasıyla yapılmıştır. Elde edilen frekans spektrumlarında, çatlak malzeme için bulunan frekans değerinin sağlam malzeme için bulunan frekans değerine göre daha fazla kaydığı gözlemlenmiştir. Ayrıca 3 boyutlu görüntülere bakılarak, ses dalgasının çatlak olmayan bölgeden yüksek şiddetle, çatlak bölgeden ise düşük şiddetle geçtiği tespit edilmiştir. Her iki durum arasındaki fark görüntülerinde ise çatlak olan bölgenin bir çıkıntı olarak karşımıza çıktığı görülmüştür.

Abstract:
In this study, studies on optical voice recorder based on off-axis digital holography technique are presented. The work is presented in three main sections; 

1-The reconstruction of sound wave (normal sound and ultrasonic sound waves) from recorded sound hologram obtained by optical voice recorder,  listening reconstructed sounds and obtaining the frequency spectrum of sound waves. 
2-The implementation of different signal processing algorithms for reconstruction process of sound waves obtained from sound holograms, the investigation of noise suppression capabilities of choosen algorithms and the calculation of the signal-to-noise ratio (SNR) of system for each signal processing algorithm. 
3-The design of a detector that can be detect cracks in materials occurred with stroke or over time by using optical voice recorder based on off-axis digital holography technique. 

In the first section, Fourier transform method (FTM) is used for reconstruction. The sound waves obtained from sound holograms by using FTM are recorded into multimedia files and these recorded sound waves are listened. When the frequency spectrums are compared, it is proved that the reconstructed sound waves and the original sound waves – the sound waves applied to systems as input for recording- are exactly the same. 

In the second section, Fourier transform method (FTM), Fresnel-Transformation method (F-TM) and one dimensional-continuous wavelet transform method (1D-CWT) are implemented as signal processing algorithms. To compare the success of the above-mentioned algorithms in terms of supressing the noise in the system, the signal-to-noise ratios (SNR) are calculated in the system in cases each algorithm is implemented. In order to calculate the SNR values, the temporal phase profile obtained by using signal processing algorithm in reconstruction process and the input sound waves at the system are used. The SNR values are calculated as 66.90%, 8.70% and 4.78% for FTM, F-TM and 1D-CWTM respectively. One can easily see that FTM is the best method to suppress the noise in the system.

In the last section, the studies are presented to design a detector that can detect the cracks in the materials formed by various reasons by using the proposed optical sound recorder. For crack detection,  glass and wood materials in which the crack can be easily seen and metal in which the crack cannot be seen with the naked eye are used. This detection is performed by using the frequency spectrum obtained from sound hologram and obtaining the 3 dimensional behavior of sound wave while passing through the material. It is observed in the obtained frequency spectrums that the frequency of the cracked material is shifted more than the frequency of the solid material. In addition, from the 3D images, it is seen that the sound wave passes through the non-cracked part with more intensity than the cracked part. When comparing the 3D images for two cases, the cracked area is seen as a bump.