ANALIZA MIKROUSZKODZEŃ W OBIEKTACH ZABYTKOWYCH PRZY UŻYCIU METOD OPTYCZNYCH I AKUSTYCZNYCH

MICHAŁ ŁUKOMSKI

Obszary badań nauk ścisłych w ochronie dziedzictwa

• przemiany w materiałach i obiektach zabytkowych

• techniki i procedury zapobieganie niszczeniu

• bezpieczne udostępnianie

Gentile da Fabriano, (ok. 1370-1427), tempera na desce

Powstawanie i narastanie uszkodzeń w obiektach wykonanych z materiałów higroskopijnych

sorpcja/desorcja pary wodnej spowodowana zmianą wilgotności względnej otoczenia

odpowiedź metryczna materiałów

powstanie naprężeń na granicach warstw

uszkodzenia: pękanie i odspajanie

Warunki przechowywania

Stan zachowania

Warunki przechowywania

Stan zachowania

Modelwłaściwości sorpcyjne,

mechaniczne, reologiczne

konstrukcja poszczególnych

elementów

zmęczenie materiału,degradacja biologiczna i

chemiczna

OBIEKT

PROCESY

MATERIAŁY

Powstawanie i narastanie uszkodzeń w obiektach wykonanych z materiałów higroskopijnych

Zmiany wywołane bodźcami klimatycznymi – powolne, kumulacyjne

obiektnieuszkodzony

widoczne uszkodzenie

czas

mikro-uszkodzenie

Cechy systemu pomiarowego:czułość; możliwość częstego powtarzania pomiarów

Bezpośrednie metody śledzenia narastania mikro-uszkodzeń wywołanych przez bodźce klimatyczne

• Interferometria plamkowa

• Emisja akustyczna

• Interferencyjne siatki Bragga

Interferometria plamkowa - digital speckle pattern interferometry (DSPI)

• wykrywanie uszkodzeń powierzchni• charakterystyka wykrytych uszkodzeń• monitorowanie zmian w czasie

wysoka czułośćłatwość użycia

automatyczna analiza wyników pomiarowych

DSPI ze wzbudzeniem termicznym

DSPI

pomiar lokalnych odkształceń wywołanych zmianą rozkładu temperatury powierzchni

• Bardzo czułaale• niepowtarzalna• jakościowa

Analiza wibracji powierzchni

DSPI

Częstotliwość rezonansowa

Rozmiar drgającego obszaru

Przestrzenny rozkład amplitudy wibracji

Time-averaged DSPI – zasada działania

),(cos2)(01 yxIIIIrI riri

nr 2)(

)12()( nr

maksymalna korelacja

minimalna korelacja

)()( 0102 rIrIrI

DSPI

),(),(cos2)(02 yxyxIIIIrI riri Przesunięcie powierzchni obiektu o δz powoduje powstanie dodatkowej różnicy faz

),(4)(

yxzr

δz

wibracja obiektu na jednej częstotliwości:

)cos()(4

),( trz

r

Time-averaged DSPI – analiza drgań

DSPI δz

czas obserwacji >> okres wibracji:

)(

4)(cos2)( 0 rzJrIIIIrI riri

dtrIrI )(

aJrIIIII oror

4cos2 0

Rejestrowane natężenie światła jest niemonotoniczną funkcją amplitudy wibracji obiektu

phase stepping

algorithm

aJIII or

42 0

12

34

Time-averaged DSPI – analiza fazowa

Pęknięcia i odspojenia warstwy malarskiej

Analiza jest tylko częściowo automatyczna.

Wymaga:• Podziału na oddzielnie drgające fragmenty

powierzchni• Określenia pozycji pierwszego maksimum

funkcji J0 w rejestrowanym obrazie interferencyjnym

Inne podejście

aJIII or

42 0

-0.5

0.0

0.5

1.0

J0

vibration amplitude

Amplituda wibracji ~ ciśnienie

Wykonywanie serii pomiarów ze zwiększającym się natężeniem dźwięku pozwala na "śledzenie" funkcji J0 i określenie w ten sposób amplitudy drgań w każdym punkcie obrazu niezależnie.

Odtworzenie amplitudy wibracji

Amplituda wibracji jest wyznaczana przez numeryczne dopasowanie funkcji J0 do zmierzonego natężenia światła w każdym punkcie obrazu.

aJyxI

4, 0

Automatyczna analiza wyników

Nawet bardzo niewielkie drgania układu pomiarowego względem badanej powierzchni prowadzą do niekontrolowanych, skokowych zmian fazy i zaburzają procedurę pomiarową.

Stabilność układu pomiarowego –kolekcja Faras

DSPI

Układ szerograficzny - digital speckleshearing pattern interferometry (DSSPI)

Rejestracja w układzie

interferometru Michelsona:

przesunięcie obrazu

uzyskiwane przy pomocy

obrotu lustra.

Dwa obrazy plamkowe

interferują w każdym punkcie

matrycy.

DSSPI • wysoka czułość• możliwość pomiaru w

niestabilnych warunkach

(poza laboratorium)

• możliwość zastosowania

automatycznej metody

analizy wyników pomiaru

(dla δx większego od

rozmiaru analizowanego

defektu)

ALE

Trudności w interpretacji gdy

analizowana jest duża liczba

defektów, lub gdy defekty są

bardzo duże.

DSPI oraz DSSPI w jednym urządzeniu pomiarowym

Analiza defektów powierzchni fresku

5 500 Hz

Inerferometr plamkowy

Może skutecznie wspierać proces zarządzania warunkami przechowywania obiektów dostarczając opiekunom zbiorów informacji na temat stanu zachowania obiektów.

Prosty w użyciu.

W pełni automatyczna analiza danych pomiarowych, szybka i odporna na propagację błędów.

Sprawdzony na rzeczywistych obiektach muzealnych również w warunkach in situ.

Emisja akustyczna w pomiarze rozwoju mikrouszkodzeń

Pomiar fali akustycznej powstającej podczas mikro-pękania struktury obiektu

sygnał EA: 10 μm2

W objętości30x15x15 cm

Metoda jest:- pasywna- nieniszcząca- bardzo czuła

Pomiar narastania uszkodzeń

• Metoda umożliwia ciągły pomiar mikro-pękania materiałów, wywołanego zmianami temperatury i wilgotności otoczenia.

• Pozwala lokalizować powstające uszkodzenia w przestrzeni i w czasie.

Emisja akustyczna w monitorowaniu obiektów zabytkowych

• Bezpieczeństwo

• Długoczasowa stabilność

• Redukcja środowiskowego szumu

• Ilościowa interpretacja wyników

System pomiarowy

czujnik przedwzm.

odsprz.

sygnał sygnał

+24V+24V

zasilacz

+30V

W pobliżu obiektu

amplifier

analogue input card

sygnał

sygnał

RMS RMS

sygnał

• bezpieczeństwo• stabilność• redukcja szumu

UTM

czujniki EA

kamera

CCD

próbka

Kalibracja układu pomiarowego

348 350 352 354 356 358 360 362 364

0

3k

6k

9k

12k

S

ku

mu

low

an

a e

nerg

ia E

A (

j. u

mo

w.)

Czas (s)

0

40

80

120

160

200

Po

wie

rzch

nia

pękn

ięcia

(m

m2)

skumulowana energia EA

powierzchnia pęknięcia

Zmierzona energia Emisji Akustycznej jest przeliczana na długość pęknięcia próbki.

Komoda, XVIII w.,konstrukcja dębowa, pokryta laką japońską

Dwa czujniki EA przyklejono (odwracalnie) do szuflady i ściany bocznej komody w pobliżu widocznych uszkodzeń drewna i laki.

Instalacja czujników

Wstępne wyniki monitorowania

2013-11-15 2014-01-15 2014-03-15 2014-05-15 2014-07-15

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

T szuflada

RH bok

1 tygodniowa średnia

T (

°C)

/ w

ilg

. w

zg

l. (

%)

czas

0

100

200

300

2000

4000

6000

En

erg

ia E

A (

j. u

mo

w.)

Analiza korelacji sygnału EA i wilgotności względnej w galerii

Całkowity rozmiar uszkodzenia nie przekracza 1 mm2

54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Śre

dn

ia e

ne

rgia

EA

na

sp

ad

ek w

ilg. w

zg

l. (

j. u

mo

w.)

wilg. wzgl. (%)

Emisja akustyczna w monitorowaniu obiektów zabytkowych

• bardzo czuła, stabilna, odporna na szum środowiskowy,

• pozwala ustalić korelacje miedzy narastaniem uszkodzenia i wywołującym je bodźcami

• komplementarna względem metod optycznych

Obiekty tekstylne

Interferometria plamkowa

Emisja Akustyczna

niestabilne geometrycznie

luźna struktura i wysoki

współczynnik tłumienia dźwięku

Źródłem zagrożeń jest odkształcenie

Potrzebujemy odpowiedniego tensometru

Światłowodowe siatki Bragga (FBG)

rdzeń 9um

płaszcz125um

światłowód

Laser UV 244nm

L

W wyniku interferencji ultrafioletowych wiązek laserowych następuje zmiana periodyczna współczynnika załamania światła rdzenia .

Szklany rdzeń

Płaszcz szklany Płaszcz polimerowy Siatka dyfrakcyjna

L

L nB 2Warunek

Bragga

dł. fali

na

tęże

nie

B

dł. fali

na

tęże

nie

B

dł. fali

na

tęże

nie

Gdy stała siatki jest równa połowie długości fali przenoszonej przez światłowód następuje spójne odbicie.

Światłowodowe siatki Bragga (FBG)

Światłowodowe siatki Bragga (FBG)

1533.2

1533.3

1533.4

1533.5

1533.6

1533.7

20 30 40 50 60Temperatura (oC)

dł. F

ali

(nm

)

10 pm/oC

1299.2

1299.3

1299.4

1299.5

1299.6

1299.7

0 100 200 300Odkształcenie (m)

dł. F

ali

(nm

)1pm/m

400 500 6001299.1

dł. fali Bragga zmienia się liniowo w funkcji odkształcenia i

temperatury

L

L

n

n

B

B )(

a Tb+

B

dł. fali

na

tęże

nie

Czujniki FBG do monitorowania zabytkowych obiektów tekstylnych

• Dobór odpowiedniego światłowodu (rdzeń i pokrycie).

• Kompensacja wpływu temperatury i wilgotności względnej na deformację światłowodu w czasie pomiaru (dodatkowy czujnik).

• Połączenie czujnika z badaną tkaniną.

• Nie jest konieczna stabilizacja źródła światła.• Pomiar jest bardzo szybki.

Światłowód

stopień przeniesienia odkształcenia z płaszcza do rdzenia

odpowiedź czujnika na cykliczną zmianę odkształcenia

Właściwości mechaniczne czujników światłowodowych z pokryciem akrylowym (aFBG) oraz ceramicznym (cFBG).

Monitorowanie deformacji tkanin

Połączenie światłowodu z tkaniną : klejenie, wszywanie, wplatanie …

Uchwyty magnetyczne:

• nieniszczące

• zapewniają dobre przeniesienie odkształceń

• wielokrotnego użycia - łatwe do zamontowania i zdemontowania

Roczny monitoring gobelinu w Muzeum Narodowym w Krakowie

Zakres odkształceń występujących podczas ekspozycji

Nieliniowa zależność pomiędzy zmianą wilgotności względnej otoczenia a odkształceniem tkaniny

Co dalej?

Simone Martini,Zwiastowanie (1333) - fragment

Charakteryzowanie stanu obiektów na poziomie mikro

• Potwierdzanie autentyczności

• Określanie atrybucji

• Analiza materiałów i technik malarskich