Η Ακουστική Εκπομπή είναι μία μέθοδος αναγνώρισης και εντοπισμού αστοχιών σε υλικά ή/και κατασκευές είτε κατά τη διάρκεια χρήσης ή λειτουργίας τους είτε με την άσκηση δύναμης σε αυτά. Με άλλα λόγια, με την τεχνική αυτή μπορούμε να προσδιορίσουμε το πότε και το πού μία αστοχία έχει πραγματοποιηθεί, όταν το αντικείμενο που εξετάζουμε είναι σε λειτουργία ή του ασκούμε κάποια πίεση. Στη διπλωματική αυτή εργασία, στόχος μας είναι η ανάπτυξη ειδικού λογισμικού για τον εντοπισμό αστοχιών σε υπό εξέταση αντικείμενα με τη χρήση ενός και μόνο αισθητήρα. Το εγχείρημα αυτό είναι ιδιαιτέρως ενδιαφέρον και τα αποτελέσματά του χρήσιμα, αφού σε αυτό προσπαθούμε να εντοπίσουμε πηγές αστοχιών χρησιμοποιώντας λιγότερο εξοπλισμό απ’ ότι συνηθίζεται, απλά με έναν αισθητήρα και ένα προγραμματιζόμενο ενσωματωμένο σύστημα. Έτσι, το κόστος κατασκευής είναι μικρό και εξοικονομείται χώρος για την εγκατάσταση του εξοπλισμού. / The Acoustic Emission is a method that we use in order to recognize and locate failures in materials or/and structures either while we are using them or they are operating or by exerting force upon them. In other words, implementing this technique, we are able to identify when and where a discontinuity has occurred while either the object, we examine, is working or we are pressing it. In this way, as we become aware of the exact place and extent of defects of useful objects at the time they happen, we are able to refit them readily. In this thesis, our goal is to configure a program for locating discontinuities in objects, which we examine, by the usage of a single sensor. This project is particularly interesting and the results that have been come out of it are useful as well, since we try to locate the sources of these failures by making use of less equipment than it is expected to; merely with a single sensor and one programmable embedded system. Therefore, the cost of the whole construction is little and we are in need of less space for the equipment to be established.

Τα βασικά προβλήματα που εμφανίζονται κατά τον μη καταστροφικό έλεγχο με την μέθοδο της ακουστικής εκπομπής (ΑΕ) είναι η απομόνωση του θορύβου, η αξιόπιστη επεξεργασία και αναγνώριση των σημάτων από πραγματικές αστοχίες του υλικού, ο προσδιορισμός της θέσης της αστοχίας και ο χαρακτηρισμός του τύπου και της κρισιμότητας της βλάβης στο υλικό. Κατά την διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην μεθοδολογία εύρεσης της θέσης της πηγής ΑΕ δεδομένου ότι είναι γνωστοί οι χρόνοι άφιξης κάποιων χαρακτηριστικών των σημάτων που έχουν καταγραφεί στους αισθητήρες. Αναπτύχθηκαν ολοκληρωμένες μέθοδοι στις οποίες επεξεργάζονται τα σήματα των αισθητήρων για να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά που θα αποτελέσουν την βάση για τον υπολογισμό της θέσης της πηγής. Έχοντας εξασφαλίσει την αξιόπιστη μέθοδο προσδιορισμού των χρόνων άφιξης ορισμένων χαρακτηριστικών των σημάτων αναπτύχθηκαν μέθοδοι οι οποίοι χρησιμοποιούν όσο το δυνατό περισσότερη πληροφορία για βελτίωση της ακρίβειας εκτίμησης και μικρότερες απαιτήσεις σε επιπλέον γνώση δεδομένων. / In non-destructive control, acoustic emission signals are used for reliable construction monitoring and damage recognition. In this thesis several methods for the acoustic emission (AE) source location are developed and evaluated. Automatic estimation of minimum number and optimal placement of sensors are derived at the minimum sum of localization errors at randomly positioning AE sources. A new method was proposed and evaluated for the estimation of optimum sensors position in problems of AE localization in spherically and cylindrical structures. The particular methodology can be easily adjusted in different structures, and is of paramount important in case where the sensors must be permanently placed in a structure. Six source location methods were developed using a parametric model for the AE signal, genetic algorithm and simulated annealing. The magnitude of the Fast Fourier Transform or the position of the maximum peak of cross correlation function are extracted from the AE signals acquired by multiple sensors positioning at arbitrary locations in a plain or a cylindrical structure. The AE source is estimated at the minimum of the error function between the signal or the features derived from the acoustic signal, and the signal or features estimated from the AE signal model. Moreover, a novel source location method based on radial basis function network is presented and evaluated. The problem of AE localization in plane surfaces and cylindrical surfaces are solved in a close-form using the arrival-time differences using three or more sensors. A close-form solution for Acoustic-Emission source location (AESL) and material constant G is presented and evaluated in simulation experiments using the Time-of-Arrival (TOA) of several events detected in arbitrary positioning sensors in 3d-space in dispersive media. The normalized distances and the constant G are derived from the TOA at four arbitrary selected sensors using the events propagation velocities in a reference material. The actual AE position is derived using the multidimensional scaling method using the complete set of sensors. In simulation experiments, the advantages of the proposed method are demonstrated. Overcoming the most important weakness of the proposed method, the use of only four sensors for the estimation of the parameter G, an algorithm for successive estimation of the AESL is developed using the complete set of TOAs.An extension of the AESL method is developed using a successive approximation algorithm assuming a minimum of two known propagation velocities for the recorded events. It is proved that the proposed algorithm converges to the local minimum of the optimization function. Under few restrictions the proposed algorithm can be used to estimate the AESL even in case where the propagation velocities for all events are unknown.

Στη συγκεκριμένη εργασία ασχολήθηκα με την εκτίμηση της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας παραμέτρων που προέρχονται από σήματα πηγών ακουστικής εκπομπής που επεξεργάστηκα. Στο θεωρητικό κομμάτι το μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσίασαν ο Μη Καταστροφικός Έλεγχος και η Ακουστική Εκπομπή, καθώς και οι εφαρμογές τους. Τα δεδομένα που επεξεργάστηκα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: σε εκείνα που μου δόθηκαν έτοιμα και σε εκείνα που λήφθηκαν μετά από μετρήσεις. Στην επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος πρόβλεψης-μεγιστοποίησης, τον οποίο μελέτησα θεωρητικά και με βάση τον οποίο εξάχθηκαν οι παράμετροι για κάθε σήμα. Έχοντας βρει τις παραμέτρους, προχώρησα στην ταξινόμηση των σημάτων σε κατηγορίες με βάση τη θεωρία της αναγνώρισης προτύπων. Στο τέλος της εργασίας παρατίθεται το παράρτημα με τα αναλυτικά αποτελέσματα, καθώς και η βιβλιογραφία που χρησιμοποίησα. / In this diploma paper the subject was the calculation of the probability density function of parameters which come from signals of sources of acoustic emission. In the theoritical part, the chapters with the greatest interest were Non Destructive Control and Acoustic Emission and their applications. The data which were processed are divided in two categories: those which were given without requiring any laboratory research and those which demanded laboratory research. The expectation-maximization algorithm, which was used in the process of the laboratory data, was the basis for the calculation of the parameters of each signal. Having calculated the parameters, the signals were classified in categories according to the theory of pattern recognition. In the end of the paper, the results and the bibliography which was used are presented.

Η συσσώρευση της βλάβης σε σύνθετα υλικά κεραμικής μήτρας που υπόκεινται σε μηχανική φόρτιση είναι ένα ζήτημα που δεν έχει απαντηθεί ικανοποιητικά μέχρι σήμερα. Η βασικότερη αντικειμενική δυσκολία στο πρόβλημα αυτό είναι ο τρόπος προσέγγισης και προσδιορισμού της βλάβης στα σύνθετα υλικά καθώς πρόκειται για πολυπαραμετρικό πρόβλημα. Επίσης τίθεται το ζήτημα του τρόπου παρακολούθησης της βλάβης. Οι μη καταστρεπτικοί έλεγχοι αποτελούν μια πολύ καλή επιλογή για την παρακολούθηση και τη μελέτη της εξέλιξης της βλάβης. Ο βασικός σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της εξέλιξης της βλάβης και των μηχανισμών αστοχίας στα υλικά αυτά με τη χρήση δύο διαφορετικών τεχνικών μη καταστροφικών ελέγχων (Aκουστική Eκπομπή AE και Aκουστο-Yπέρηχο AY) κατά τη διάρκεια μηχανικών δοκιμών, καθώς επίσης και η εύρεση ποσοτικών δεικτών ικανών να παρακολουθούν τα διάφορα επίπεδα βλάβης του υλικού. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις μεθοδολογίες επεξεργασίας των σημάτων που προκύπτουν από κάθε τεχνική. Στην κατεύθυνση αυτή δοκιμάστηκαν τρεις τύποι υλικών C/C με ενίσχυση τύπου υφάσματος. Η διαφοροποίηση από τύπο σε τύπο υλικού έγκειται στις διαφορετικές ιδιότητες της διεπιφάνειας που επέλεξε ο κατασκευαστής να προσδώσει χωρίς να διατεθούν περαιτέρω λεπτομέρειες (βιομηχανικό απόρρητο). Παράλληλα, από τα αποτελέσματα της εφαρμογής των διαφορετικών μεθοδολογιών επεξεργασίας των σημάτων που προέκυψαν από κάθε μη καταστροφική μέθοδο, επιχειρείται η εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τον τρόπο που οι διαφορετικές ποιότητες της διεπιφάνειας επηρεάζουν τους μηχανισμούς συσσώρευσης βλάβης στα υπό εξέταση υλικά. Αναλυτικότερα οι στόχοι που επιδιώχθησαν στο πλαίσιο της διατριβής είναι οι ακόλουθοι: • Εκτέλεση ειδικά επιλεγμένων μηχανικών δοκιμών σε τρία είδη συνθέτων υλικών C/C με ενίσχυση τύπου υφάσματος, που δίδουν τη δυνατότητα ανάπτυξης βλάβης πολλαπλών επιπέδων στη δομή του υλικού • Χρήση μη καταστροφικών μεθόδων όπως η ακουστική εκπομπή (AE) και οι ακουστο-υπέρηχοι (AU) για την παρακολούθηση της βλάβης που αναπτύσσεται και εξελίσσεται κατά τη διάρκεια των μηχανικών δοκιμών • Αναγνώριση των μηχανισμών αστοχίας και εξέλιξης της βλάβης έπειτα από επεξεργασία των σημάτων ΑΕ • Ανάπτυξη και εφαρμογή καινοτόμων τεχνικών επεξεργασίας για τα σήματα του ΑΥ βασιζόμενες στο μετασχηματισμό κυματιδίων • Ανάπτυξη ποσοτικών δεικτών για την παρακολούθηση της συσσώρευσης της βλάβης από την επεξεργασία των σημάτων του ΑΥ • Εξαγωγή συμπερασμάτων για τον τρόπο που η διαφοροποίηση στις τελικές ιδιότητες της διεπιφάνειας επηρεάζει τον τρόπο εξέλιξης και συσσώρευσης στα υπό εξέταση υλικά / The accumulation of damage in compοsite materials of ceramic matrix under mechanic loading is a topic that has not been answered satisfactorily up to today. The most basic objective difficulty in this problem is the way of approach and determination of damage in compοsite materials as it is a multiparametric problem. The question of the way of monitoring the damage is also rised. Non destructive testing constitutes of a very good choice for the monitoring and the study of the development of damage. The basic aim of this work is the study of development of damage and the failure mechanisms in composite materials with the use of two different techniques of not destructive techniques (Acoustic Emission AE and Acousto-Ultrasonic AU) during the mechanical testing, as well as the development of quantitative indicators capable of monitoring the various levels of damage of the material. Particular accent is given in the signal processing methodologies for the signals that result from each technique. To this direction three types of woven C/C composite material were tested. The differentiation in type of material lies in the different interfacial properties that the manufacturer selected without further details (industrial secrecy). At the same time, from the results of the application of the different signal processing methodologies that resulted from each non destructive method, conclusions are attempted to be exported with regard to the way that the different interfacial qualities influence the mechanisms of accumulation of damage. More analytically the objectives that were sought in the frame of this thesis are as follows: • Implementation of specifically selected mechanical tests in the three types of the woven composite C/C materials, that give the ability of development of multiple level damage in the structure of materials • Use of non destructive methods as the acoustic emission (AE) and the acousto-ultrasonics (AU) for the monitoring of damage that is developed during the mechanical tests • Recognition of the material’s failure mechanisms after the processing of AE signals • Development and application of innovative techniques for the processing of AU signals based on the wavelet transform • Development of quantitative indicators for the monitoring of damage accumulation from the processing of AU signals • Export of conclusions on the way that the differentiation in the final interfacial properties influences the way of development and accumulation of damage in the under review materials

Στα πλαίσια της διατριβής, πραγματοποιήθηκε μελέτη και ανάλυση σημάτων πηγών ακουστικής εκπομπής, προτάθηκαν νέες ολοκληρωμένες μεθοδολογίες βασισμένες σε συμβατικές αλλά και προχωρημένες τεχνικές επεξεργασίας και ανάλυσης δεδομένων για την εξαγωγή εκείνων των χαρακτηριστικών που διαχωρίζουν τα σήματα ακουστικής εκπομπής από τον περιβάλλοντα θόρυβο. Εξετάσθηκαν ποια χαρακτηριστικά γνωρίσματα (παράμετροι) περιέχουν σημαντικό τμήμα της “πληροφορίας” έτσι ώστε στη συνέχεια χρησιμοποιώντας προχωρημένες μεθόδους αναγνώρισης προτύπων να επιτευχθεί ανίχνευση και χαρακτηρισμός ρωγμοειδών αστοχιών σε θορυβώδεις συνθήκες αλλά και σε σύνθετες κατασκευές. Συνοπτικά στην παρούσα διατριβή προτάθηκε και αξιολογήθηκε μια νέα μέθοδος για την εκτίμηση της βέλτιστης τοποθέτησης αισθητήρων. Προτάθηκαν δύο μέθοδοι για τον εντοπισμό θέσης πηγής ακουστικής εκπομπής. Πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά εξαγωγή ενενήντα παραμέτρων, εκ’ των οποίων οι εξήντα επτά προσδιορίστηκαν μετά από επεξεργασία του σήματος στο πεδίο του χρόνου ενώ οι υπόλοιπες είκοσι τρεις με επεξεργασία του σήματος στο πεδίο της συχνότητας. H μείωση του αριθμού των παραμέτρων, χωρίς όμως να μειώνεται ταυτόχρονα και η αξιοπιστία του ταξινομητή, αποτελεί ένα μεγάλος μέρος έρευνας που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια εκπόνησης της παρούσας διατριβής. Προτάθηκαν και αξιολογήθηκαν τέσσερις μέθοδοι επιλογής παραμέτρων. Για πρώτη φορά κατασκευάστηκαν και αξιολογήθηκαν ολοκληρωμένα συστήματα ανίχνευσης αστοχιών τα οποία έχουν την δυνατότητα να ανιχνεύουν τη δημιουργία ρωγμών λόγω καταπόνησης σε καιρικές συνθήκες βροχής. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής κατασκευάστηκε και αξιολογήθηκε ένα καινοτόμο σύστημα χαρακτηρισμού ρωγμοειδών γεγονότων για τις ενισχύσεις πλοίων, υπό προσομοιωμένες συνθήκες λειτουργίας του πλοίου. / The present PhD thesis dealt with the following subjects: best sensors position, source location, features extraction and features selection, crack detection on raining conditions, crack characterization in ship structures. A new method, for the estimation of the best sensors position that used for accurate acoustic emission source location on empty spherical surfaces, is presented. Two acoustic emission source location methods are presented and evaluated. In this thesis, an extensive set of ninety features (forty-one novel features) are extracted from acoustic emission signals, sixty-seven in the time domain and twenty-three by processing the signal in the frequency domain. The features are estimated for two time-frames the first has 1msec duration (typically the signal does not contain all the reflections from the material edges) and the second has 32msec of the normalized signal, which is not separated by its reflections, in small structures. To achieve robust performance both in accuracy and computational complexity of any classification method, it is necessary to pick up the most relevant features. Four features selection methods are proposed and evaluated. In outside constructions (e.g bridges, tanks, ships etc) real-life noises reduce significantly the capability of location and characterization acoustic emission sources. Among the most important types of noise is the rain, producing signal similar to crack. A completed system of detection crack on condition of rain is estimated. An efficient system for automatic and real-time characterization of crack events using a robust set of features to monitor crack events in ship structures is presented. In normal operation of ship, real-life noises (e.g engines, sea waves, weather conditions etc) reduce significantly the capability of location and characterization of crack events.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και το θέμα της αφορά τη σχεδίαση της ηλεκτρολογικής εγκατάστασης στα αρχιτεχνονικά σχέδια της κύριας αίθουσας του Συνεδριακού και Πολιτιστικού Κέντρου του Πανεπιστημίου Πατρών (Σ.Π.Κ) και στην ακουστική μελέτη του αμφιθεάτρου. Για τη σχεδίαση της ηλεκτρολογικής εσωτερικής εγκατάστασης χρησιμοποιήθηκαν τα σύμβολα και οι κανονισμοί από τον ΕΛΟΤ HD384. Για την κατασκευή των σχεδίων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό AutoCAD 2008 και για την ακουστική μελέτη το λογισμικό CATT-Acoustic v7.2I,το οποίο είναι ένας προσομοιωτής μοντέλου ακουστικής χώρου. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε 6 κεφάλαια όπου στο 1ο κεφάλαιο γίνεται μια γενική περιγραφή για το Σ.Π.Κ. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μια γενική περιγραφή για την Εσωτερική Ηλεκτρική Εγκατάσταση (Ε.Η.Ε) , γενικές οδηγίες-κανονισμοί και αναφορά στα διάφορα καλώδια και αγωγούς που χρησιμοποιούνται. Στο 3ο κεφάλαιο, εξετάζονται στοιχεία φωτοτεχνίας και εξηγείται αναλυτικά η σημαντικότητα της χρήσης του σωστού είδους τεχνητού φωτισμού στο Σ.Π.Κ . Στη συνέχεια, στο 4ο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση του κάθε ηλεκτρικού κυκλώματος που σχεδιάστηκε και τι αγωγοί, ασφάλειες και συσκευές προτείνονται για την υλοποίησή του. Στο 5ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η θεωρία ακουστικής και στο 6ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τη διεξαγωγή της ακουστικής μελέτης και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα της ακουστικής προσομοίωσης. / The present dissertation has been done in the department of Electrical and Computer Engineering in the University of Patras and the subject concerned the design of electrical installation for the architectural plans of Conference and Cultural Center of the University of Patras (C.C.C.), as well as the acoustic study of an amphitheatre inside C.C.C. For the design of this electrical installation symbols and regulations from ELOT HD 384 were used. The construction of the electrical plans was done on the software AUTOCAD 2008 and the acoustic study was done using the CATT-acoustic v.32, which is software for simulating rooms acoustic. The dissertation is divided in to 6 chapters. In the first chapter, a general description of C.C.C. is given. In the 2nd chapter a general description of the electrical installation is given, general instructions and regulations and reference to cables and wires that are used. In the 3rd chapter, elements of light are examined and the importance of using the correct kind of technical light in C.C.C. Next, in the 4th chapter, every electrical circuit that is designed is presented with the appropriate cables, fuses and appliances for its implementation. In the 5th chapter, the acoustic theory is explained and in the 6th chapter the methodology for the acoustic simulation and the results are presented.

Εξετάζονται οι μελέτες τεσσάρων ελληνικών θεατρικών αιθουσών τόσο υπολογιστικά όσο και με αναλυση ηλεκτροακουστικών μετρήσεων κρουστικής απόκρισης. Εξάγονται επιμέρους και συγκριτικά συμπεράσματα. / The sound design of four theatre sound installations are examined. E.A.S.E. electroacoustic simulation results are presenteed.The final electrocoustic impulse response measurments of installed systems are presented and examined in correlation to the simulation results

H Διδακτορική Διατριβή μελετά το πρόβλημα της ψηφιακής ισοστάθμισης,σκοπεύοντας στην ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων εξάλειψης των ηχητικών παραμορφώσεων, που εισάγονται κατά την ηχητική αναπαραγωγή εξαιτίας της απόκρισης, είτε των ηχείων (ανηχωική ισοστάθμιση), είτε των χώρων ακρόασης (εξάλειψη αντήχησης). Αναπτύσσονται πρωτότυπες μέθοδοι που αφενός εξασφαλίζουν ακριβείς μετρήσεις των ανηχωικών ηλεκτρακουστικών αποκρίσεων μέσα σε μη ανηχωικούς χώρους, αφετέρου πετυχαίνουν κατάλληλη εξομάλυνση των πολύπλοκων αποκρίσεων των ακουστικών συστημάτων για χρήση στην ψηφιακή ισοστάθμιση αλλά και για χρήση σε άλλες εφαρμογές της ακουστικής χώρων που απαιτούν ανάλυση συγκεκριμένων ιδιοτήτων αυτών των συστημάτων. Η συστηματική μελέτη της μεθόδου εξάλειψης αντήχησης που βασίζεται στην ιδανική αντιστροφή των αποκρίσεων χώρων οδηγεί στο πρωτότυπο συμπέρασμα ότι τα ακουστά οφέλη από την εφαρμογή της μεθόδου σε πραγματικό χρόνο είναι σημαντικά υποδεέστερα από τα αναμενόμενα που προκύπτουν από τα αντίστοιχα πειράματα εξομοίωσης αυτής της μεθόδου. Το πρόβλημα της εξάλειψης αντήχησης αντιμετωπίζεται για πρώτη φορά με έναν πρακτικά βιώσιμο τρόπο, με την εισαγωγή πρωτότυπης μεθόδου ισοστάθμισης που βασίζεται στην Μιγαδική Εξομάλυνση των αποκρίσεων χώρων. / The dissertation studies the digital audio equalization problem, in order to develop methods that would effectively eliminate the audio distortions being introduced during the sound reproduction by either the loudspeakers(anechoic equalization) or the room response (dereverberation). Novel methods are introduced that ensure precise measurements of anechoic electracoustic responses inside reverberant enclosures and on the other hand, achieve appropriately smoothed acoustic responses, for use in digital equalization and also in other applications of room acoustics that require analysis of concrete properties of these systems. Novel conclusions have been drawn by the analytic study of the room acoustics dereverberation based on ideal inverse filtering, indicating that the application of such a method in real time yields a significantly degraded performance compared to that achieved by the corresponding simulated dereverberation experiments. The problem of dereverberation is faced with a practically viable solution, with the introduction of a novel method based on the room response Complex Smoothing.

Η θεωρία σκέδασης καλύπτει ένα μεγάλο φάσμα επιστημονικών και τεχνολογικών εφαρμογών, όπως μη καταστρεπτικός έλεγχος, ραντάρ, σόναρ, γεωφυσική έρευνα, απομακρυσμένη καταγραφή, ιατρική απεικόνιση, υποθαλάσσια ακουστική, σεισμολογία, αναγνώριση βιολογικών προτύπων και ειδικές τεχνικές που εφαρμόζονται στη διαγνωστική ιατρική. Στις περισσότερες από τις παραπάνω περιπτώσεις η υπόθεση πως το υλικό είναι ισότροπο δεν αρκεί και προκειμένου τα αποτελέσματα να προσεγγίζουν ικανοποιητικά την πραγματικότητα, θα πρέπει να γίνει η παραδοχή πως ο χώρος είναι ανισότροπος, πως οι ιδιότητές του εξαρτώνται δηλαδή από την κατεύθυνση. Παρόλο που η ιδιότητα της ανισοτροπίας ήταν ήδη γνωστή από την εποχή του Green (μέσα 19ου αιώνα), λόγω της αυξημένης μαθηματικής πολυπλοκότητας που παρουσιάζει, μόνο τα τελευταία χρόνια εμφανίζεται σημαντικός αριθμός δημοσιεύσεων που ασχολούνται με την ανισότροπη σκέδαση, οι οποίες στην πλειοψηφία τους αναφέρονται μόνο σε ανισότροπο σκεδαστή. Η παρούσα διατριβή ερευνά το πρόβλημα ανισότροπης σκέδασης βαθμωτών πεδίων για τη γενική περίπτωση, όπου όχι μόνο ο σκεδαστής αλλά και ο χώρος σκέδασης είναι ανισότροποι χώροι και μάλιστα έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά. Όπως προκύπτει, τα χαρακτηριστικά του ανισότροπου μέσου μεταφέρονται πλήρως από έναν τροποποιημένο τελεστή κλίσης, ο οποίος εμφανίζεται σε κάθε περίπτωση ανισοτροπίας και μας επιτρέπει να βρούμε τη θεμελιώδη λύση της τροποποιημένης εξίσωσης Helmholtz. Δεδομένης της θεμελιώδους λύσης, τοποθετείται το βασικό πρόβλημα σκέδασης σε ανισότροπα μέσα όπως και οι συνθήκες διαπερατότητας καθώς και οι συνοριακές συνθήκες. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μορφή και οι ιδιότητες των προσπίπτοντων πεδίων και παράγονται τα συναρτησιακά ενέργειας για αυτό το πρόβλημα σκέδασης. Αναπτύσσονται οι ολοκληρωτικές αναπαραστάσεις για το σκεδαζόμενο, το ολικό και το εσωτερικό πεδίο, ενώ παράλληλα προκύπτει η τροποποιημένη συνθήκη ακτινοβολίας και με αυτό τον τρόπο ολοκληρώνεται η βασική θεωρία. Με ασυμπτωτική ανάλυση προκύπτει το ανισότροπο πλάτος σκέδασης και έπειτα ορίζονται οι ενεργειακές διατομές που αντιστοιχούν στην περίπτωση που εξετάζεται. Ακολούθως αποδεικνύονται τα θεωρήματα αμοιβαιότητας, το γενικευμένο και το οπτικό θεώρημα σκέδασης για τα ανισότροπα μέσα. Ως εφαρμογή παρουσιάζεται το πρόβλημα σκέδασης χαμηλών συχνοτήτων για έναν ανισότροπο διαπερατό σκεδαστή. Τέλος, όλο το πρόβλημα ανισότροπης σκέδασης ανάγεται στο αντίστοιχο του ισότροπου χώρου, προς επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων. / Scattering theory covers a large spectrum of scientific and technological applications such as non destructive control, radars, sonar, geophysical exploration, remote sensing, medical imaging, under-water acoustics, seismology, biological pattern recognition and special techniques in medical diagnostics. In most of the above cases the assumption that the material is isotropic is inadequate. Therefore, in order to conform to reality, we have to accept that the space is anisotropic, i.e. its properties depend on the direction. Although the anisotropic property was already known, since Green’s era, only a few publications have appeared, due to the mathematical complexity related with the anisotropic property. It was during the last years that more references considered the anisotropic scattering, while most of them regarded only anisotropic scatterers. The thesis examines the problem of scalar field anisotropic scattering for the general case, where not only the scatterer but also the propagation space are anisotropic and they do not have the same characteristics. It comes out that the characteristics of an anisotropic medium are being fully carried by a modified gradient operator which appears in any case of anisotropy and allows the calculation of the fundamental solution for the modified Helmholtz’ equation. Once the fundamental solution is known, the basic problem of anisotropic scattering is postulated as well as the transmission and the boundary conditions. Incident fields’ forms and characteristics are being presented and the energy functional for this scattering problem is being produced. The integral representations for the scattered, total and internal field are also developed, while at the same time arises the modified radiation condition. Asymptotic analysis produces the anisotropic scattering amplitude and afterwards follows the definition of the energy functionals that correspond to our case. The reciprocity theorems, the general scattering, as well as the optical theorem for anisotropic medium are also proved. As an example, the theory developed in this thesis is applied to the low frequency problem for an anisotropic scatterrer. Finally, the results are verified by reducing the whole problem of anisotropic scattering to its equivalent of isotropic space.

This thesis presents novel signal processing algorithms for speech and music dereverberation. The proposed algorithms focus on blind single-channel suppression of late reverberation; however binaural and semi-blind methods have also been introduced. Late reverberation is a particularly harmful distortion, since it significantly decreases the perceived quality of the reverberant signals but also degrades the performance of Automatic Speech Recognition (ASR) systems and other speech and music processing algorithms. Hence, the proposed deverberation methods can be either used as standalone enhancing techniques or implemented as preprocessing schemes prior to ASR or other applied systems. The main dereverberation method proposed here is a blind dereverberation technique based on perceptual reverberation modeling has been developed. This technique employs a computational auditory masking model and locates the signal regions where late reverberation is audible, i.e. where it is unmasked from the clean signal components. Following a selective signal processing approach, only such signal regions are further processed through sub-band gain filtering. The above technique has been evaluated for both speech and music signals and for a wide range of reverberation conditions. In all cases it was found to minimize the processing artifacts and to produce perceptually superior clean signal estimations than any other tested technique. Moreover, extensive ASR tests have shown that it significantly improves the recognition performance, especially in highly reverberant environments. / Η διατριβή αποτελείται από εννιά κεφάλαια, δύο παραρτήματα καθώς και την σχετική βιβλιογραφία. Είναι γραμμένη στα αγγλικά ενώ περιλαμβάνει και ελληνική περίληψη. Στην παρούσα διατριβή, αναπτύσσονται μεθόδοι ψηφιακής επεξεργασίας σήματος για την αφαίρεση αντήχησης από σήματα ομιλίας και μουσικής. Οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών αρχικά εστιάζοντας στην τυφλή (“blind”) αφαίρεση για μονοκαναλικά σήματα. Στοχεύοντας σε πιο ειδικά σενάρια χρήσης προτείνονται επίσης αμφιωτικοί αλγόριθμοι αλλά και τεχνικές που προϋποθέτουν την πραγματοποίηση κάποιας ακουστικής μέτρησης. Οι αλγόριθμοι επικεντρώνουν στην αφαίρεση της καθυστερημένης αντήχησης που είναι ιδιαίτερα επιβλαβής για την ποιότητα σημάτων ομιλίας και μουσικής και μειώνει την καταληπτότητα της ομιλίας. Επίσης, επειδή αλλοιώνει σημαντικά τα στατιστικά των σημάτων, μειώνει σημαντικά την απόδοση συστημάτων αυτόματης αναγνώρισης ομιλίας καθώς και άλλων αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας ομιλίας και μουσικής. Έτσι οι προτεινόμενοι αλγόριθμοι μπορούν είτε να χρησιμοποιηθούν σαν αυτόνομες τεχνικές βελτίωσης της ποιότητας των ακουστικών σημάτων είτε να ενσωματωθούν σαν στάδια προ-επεξεργασίας σε άλλες εφαρμογές. Η κύρια μέθοδος αφαίρεσης αντήχησης που προτείνεται στην διατριβή, είναι βασισμένη στην αντιληπτική μοντελοποίηση και χρησιμοποιεί ένα σύγχρονο ψυχοακουστικό μοντέλο. Με βάση αυτό το μοντέλο γίνεται μία εκτίμηση των σημείων του σήματος που η αντήχηση είναι ακουστή δηλαδή που δεν επικαλύπτεται από το ισχυρότερο σε ένταση καθαρό από αντήχηση σήμα. Η συγκεκριμένη εκτίμηση οδηγεί σε μία επιλεκτική επεξεργασία σήματος όπου η αφαίρεση πραγματοποιείται σε αυτά και μόνο τα σημεία, μέσω πρωτότυπων υβριδικών συναρτήσεων κέρδους που βασίζονται σε δείκτες αντικειμενικής και υποκειμενικής αλλοίωσης. Εκτεταμένα αντικειμενικά και υποκειμενικά πειράματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη τεχνική δίνει βέλτιστες ποιοτικά ανηχωικές εκτιμήσεις ανεξάρτητα από το μέγεθος του χώρου.