Innowacyjna metoda identyfikacji sztywnych przeszkód o dowolnym kształcie, wykorzystująca zjawisko rozpraszania fal akustycznych

Zespół badaczy z Centrum Badawczo-Rozwojowego Netrix S.A. oraz Akademii WSEI w Lublinie, w składzie dr hab. inż. Tomasz Rymarczyk oraz prof. inż. Jan Sikora, opracował innowacyjną metodę identyfikacji sztywnych przeszkód o dowolnym kształcie, wykorzystując zjawisko rozpraszania fal akustycznych. Prace te, opublikowane na łamach czasopisma IAPGOŚ, stanowią istotny wkład w rozwój technik obrazowania akustycznego i rozwiązywania zagadnień odwrotnych w dziedzinie częstotliwości. 

Proponowana metoda opiera się na zastosowaniu metody elementów brzegowych (BEM) z oszczędną dyskretyzacją, co umożliwia skuteczną rekonstrukcję geometrii obiektów nawet przy zastosowaniu ograniczonej liczby czujników pomiarowych – od 8 do 16. Jest to podejście szczególnie cenne w kontekście zagadnień odwrotnych, gdzie dostępność danych eksperymentalnych bywa ograniczona, a precyzyjna rekonstrukcja kształtu wymaga zaawansowanych narzędzi numerycznych. 

Porównanie jakościowe wykresu rzeźby terenu dla problemu rozpraszania: a) rozwiązanie BEM b) rozwiązanie analityczne 

W toku badań autorzy przeprowadzili szczegółową analizę wpływu częstotliwości sygnału oraz geometrii przeszkód na jakość rekonstrukcji. Zidentyfikowano wyraźne różnice w zachowaniu fal akustycznych w przypadku obiektów wypukłych i wklęsłych. W szczególności, obecność elementów wklęsłych istotnie utrudnia proces odwzorowania z uwagi na intensyfikację zjawisk wielokrotnych odbić i dyfrakcji, które w zakresie wysokich częstotliwości znacząco komplikują analizę sygnału. 

Kluczowym elementem tej metody jest wykorzystanie danych z bliskiego pola, co stanowi odejście od klasycznych technik bazujących na analizie pola dalekiego. W bliskim polu obserwuje się najbardziej złożone interakcje pomiędzy falą a przeszkodą, dzięki czemu możliwe staje się uchwycenie subtelnych cech geometrycznych obiektu. Co istotne, skuteczność metody została potwierdzona również w warunkach zakłóceń – przy obecności nawet 10% szumu pomiarowego, zachowana została wysoka jakość rekonstrukcji. 

Rzetelność zaproponowanego podejścia potwierdzają wyniki weryfikacji numerycznej i eksperymentalnej. Dla prostych kształtów, takich jak okrąg, uzyskano bardzo niski błąd względny – na poziomie 0,5% przy zastosowaniu 64 elementów brzegowych. W przypadku bardziej złożonych struktur, jak kształt latawca, konieczne były dodatkowe działania optymalizacyjne, które jednak nie obniżyły znacząco efektywności metody. 

Opracowane rozwiązanie znajduje potencjalne zastosowanie w wielu obszarach techniki i nauki. Może być z powodzeniem wykorzystywane w obrazowaniu medycznym, na przykład w tomografii ultradźwiękowej, a także w monitoringu środowiskowym, do identyfikacji źródeł zanieczyszczeń akustycznych. Ponadto, metoda ta otwiera nowe perspektywy w diagnostyce przemysłowej, umożliwiając detekcję defektów i uszkodzeń w konstrukcjach technicznych. 

Zachęcamy do zapoznania się z pełnym artykułem, dostępnym pod adresem: 
link do publikacji