Yapısal ses kaynaklarının konumunun akustik emisyon yöntemi kullanılarak belirlenmesi
Localization of structural noise sources using the acoustic emission method
Yazar: TOLGA MERİÇ
Danışman: PROF. DR. HALUK EROL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yapısal Sağlık İzleme (SHM) teknolojileri, mühendislik uygulamalarında giderek daha geniş bir kullanım alanı bulmakta ve teknolojik ilerlemelerle birlikte bu alanlar daha da çeşitlenmektedir. SHM uygulamaları içerisinde, yapıya zarar vermeden izleme kabiliyeti sunan ve önemi giderek artan akustik emisyon yöntemine dayalı yaklaşımlar dikkat çekmektedir. Bu yaklaşımlar, yapının üzerine yerleştirilen sensörler aracılığıyla yapının sürekli olarak izlenmesini sağlamakta ve toplanan veriler doğrultusunda hasara yol açan durumların tespit edilmesi ve konumlarının belirlenmesini hedeflemektedir.
Akustik emisyon yöntemine dayalı birçok teknik mevcut olup, her birinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Özellikle kompleks ve anizotropik özelliklere sahip yapıların yapısal ses kaynaklarının konumlandırılmasında kullanılan önemli yöntemlerden biri, Delta-T haritalandırma yöntemidir. Diğer tekniklerle karşılaştırıldığında, yenilikçi yaklaşımlara açık yapısıyla öne çıkan bu yöntem, konum tahmini konusunda gelişime son derece elverişlidir. Delta-T yönteminin geleneksel yaklaşımının geliştirilmesiyle elde edilebilecek yeni yöntemler, yapısal ses kaynaklarının konumlarını yüksek hassasiyetle ve düşük maliyetli sensörler kullanarak tespit etmeyi mümkün kılabilir. Bu sayede, SHM uygulamalarında maliyet etkin ekipmanlar kullanılarak yapı sağlığının izlenmesi mümkün hale gelebilir.
Tez çalışması, dört ana bölümden oluşmaktadır. Bu çalışmada, literatürdeki Delta-T tabanlı yöntemlerin incelenmesi, Delta-T uygulamasının geliştirilmesi gereken yönlerinin değerlendirilmesi, uygulama adımlarında optimizasyon teknikleri kullanılarak noktasal konum tahmini elde edilmesi ve uygun maliyetli sensörlerle daha hassas konum tahmini sağlamak amacıyla veri tabanı yapısının önerilen konum tahmin yöntemi doğrultusunda yeniden yapılandırılması amaçlanmaktadır. Ayrıca, tez çalışması kapsamında geliştirilen algoritmalarının açık kaynak kodlu programlar kullanılarak geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmalar kapsamında gerçekleştirilen test faaliyetlerinde, önerilen yöntem ve geliştirilen yazılımlar kullanılarak doğrulamalar yapılmış ve konum tahmininde iyileşme sağlandığı gözlenmiştir.
Çalışmanın ilk bölümünde, problemin tanımı, literatür araştırması, tezin kapsamı ve ulaşılması beklenen hedeflere yer verilmektedir. 
İkinci bölümde, akustik emisyon yaklaşımı, akustik emisyon sonucu oluşan elastik dalgaların detaylı incelenmesi, bu dalgaların yapıda iletim temelleri ve dalga yayılımında etkili olan parametrelerin analizi ele alınmaktadır. Çeşitli akustik emisyon yöntemlerinin incelemeleri yapılmıştır. Çalışmalar için seçilen Delta-T yönteminin sonucunu etkileyen parametreler ayrıntılı şekilde incelenmiş ve yöntemin adımları analiz edilmiştir. Bu bölüm, aynı zamanda deneysel doğrulamalarda kullanılacak yazılım uygulamasının teorik temellerini ve kullanılan algoritmik yaklaşımların ayrıntılı açıklamalarını içermektedir.
Üçüncü bölümde, önerilen yöntem ve hazırlanan yazılımın doğrulanmasına yönelik yapılan test çalışmaları, uygulama adımları detaylandırılarak açıklanmıştır. Deneysel faaliyetler sonucunda elde edilen zaman farkı haritaları, kontur çizgi grafikleri, noktasal konum tahminleri ve testlerin tutarlılık analizleri incelenmiş; grafikler üzerinde kapsamlı değerlendirmeler yapılmıştır.
Çalışmanın son bölümünde, tez çalışmasının sonuçları kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiş; ileride bu çalışmadan faydalanılarak yapılabilecek araştırmalar için öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Structural Health Monitoring (SHM) technologies are increasingly being integrated into engineering applications, with advancements in technology expanding their range of use. Within SHM applications, one increasingly important method is the acoustic emission-based approach, which enables monitoring of structures without causing damage. These approaches aim to monitor the structure through sensors placed on it, identify damage-inducing events, and locate them by analysing the collected data.
There are numerous techniques based on the acoustic emission method, each with unique advantages and disadvantages. One such method, particularly used for locating sound sources in structures with complex and anisotropic properties, is the Delta-T mapping technique. This method is adaptable to innovative approaches, enabling position estimation with potential for further development. By refining conventional techniques, it becomes possible to detect the positions of structural acoustic sources with high precision using cost-effective sensors. As a result, Delta-T mapping is open to optimizations that improve detection accuracy and cost-efficiency by employing economically viable sensors and equipment. By optimizing conventional approaches within this framework, SHM applications can incorporate cost-effective, reliable equipment, ensuring a feasible solution for structural health assessments. 
This study involves examining Delta-T approach methods found in the literature, evaluating areas for improvement in Delta-T applications, employing optimization approaches in the application steps to achieve accurate location estimation, and restructuring the database using the proposed approach. A database restructuring using the optimized Delta-T approach is also developed to ensure robust data handling and retrieval capabilities. In line with these improvements, the study integrates a Kernel Density Estimation (KDE)-based location prediction model, adding a new capability of accuracy to the Delta-T approach. The algorithmic implementations were developed using open-source software, aligning the thesis with modern principles of accessibility and cost-efficiency. Validation through extensive experimental activities demonstrated that the optimized method significantly improved accuracy in source localization, with results confirming the effectiveness of the approach in practical applications. 
This thesis is organized into four main sections. The thesis's first section introduces the problem statement, conducting a comprehensive literature review on SHM and acoustic emission-based methodologies. This section highlights the Delta-T mapping method's potential to improve the SHM process by refining localization accuracy, minimizing false detections, and reducing sensor-related costs. In addition, this section provides a detailed analysis of the factors that influence localization accuracy and discusses how these insights contribute to optimizing SHM processes.
In the second section, a theoretical foundation of the acoustic emission method is established, with a detailed examination of elastic wave propagation generated by acoustic emission events in structural components. The factors that influence wave propagation, such as material properties, geometric complexity, and environmental conditions, are analysed to provide context for the challenges encountered in acoustic emission source localization. A step-by-step breakdown of the Delta-T method is included and explaining the parameters affecting its efficacy and detailing each step within the mapping process. This section also introduces the theoretical bases for the software application used in the thesis, clarifying how algorithmic solutions address practical challenges in acoustic emission-based localization. 
In the third section, the thesis provides an in-depth account of the experimental studies conducted to validate the proposed optimization methods and developed software. Application steps are thoroughly documented to illustrate the process of implementing and testing the Delta-T mapping and KDE-based methods. Experimental data is presented in a structured format, with contour plots and graphical analyses comparing predicted source locations against actual locations, highlighting the accuracy improvements achieved through the optimization techniques. This section also evaluates the practical implications of the improvements in localization accuracy, discussing how cost-effective sensors can effectively support acoustic emission-based SHM when coupled with optimized Delta-T mapping and KDE-based algorithms. These results underscore the potential for Delta-T mapping to be effectively scaled across a variety of structures and materials.
The final section of the thesis presents a comprehensive evaluation of the study's findings and draws conclusions about the methodology's viability for SHM applications. This section discusses how the proposed approach reduced error margins and improved accuracy in acoustic emission source localization. By incorporating an optimized database and open-source software algorithms, the thesis presents a comprehensive framework for continuous structural monitoring and assessment. The results suggest that this method is particularly suitable for use in industries with stringent safety and reliability requirements, such as aviation, where precision and cost efficiency are paramount. The findings affirm the method's potential for improving SHM practices across various industries, delivering a solution that is both technologically feasible and economically sustainable. These results highlight the method's capability to enhance localization precision and its adaptability to varying structural conditions.
In conclusion, this thesis presents an innovative, open-source-compatible framework for SHM that addresses the inherent challenges of acoustic emission source localization within complex structures. The outcomes of this study suggest that by enhancing AE data accuracy and reliability, the proposed method significantly advances SHM capabilities, supporting safer and more cost-effective monitoring of critical infrastructure. 
The thesis contributes to the SHM literature by proposing a systematic, data-driven approach that integrates Delta-T mapping optimization with KDE-based localization to offer a scalable solution for acoustic emission-based monitoring. The optimized methodology reduces acoustic emission source localization errors while providing a robust data collection and analysis framework. This approach holds promise for extending the practical applications of SHM, making it accessible for safety-critical sectors where improvements in structural reliability, safety, and maintenance efficiency can provide significant advantages. This capability makes the methodology highly applicable to the aviation sector and other fields where accurate and reliable SHM is significant.