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 Warunki przechowywania odpowiedź metryczna materiałów powstanie naprężeń na granicach warstw uszkodzenia: pękanie i odspajanie Stan zachowania
Powstawanie i narastanie uszkodzeń w obiektach wykonanych z materiałów higroskopijnych OBIEKT konstrukcja poszczególnych elementów Warunki przechowywania MATERIAŁY właściwości sorpcyjne, mechaniczne, reologiczne Model PROCESY zmęczenie materiału, degradacja biologiczna i chemiczna Stan zachowania
Zmiany wywołane bodźcami klimatycznymi powolne, kumulacyjne obiekt nieuszkodzony mikro-uszkodzenie widoczne uszkodzenie czas 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 czułość łatwość użycia automatyczna analiza wyników pomiarowych
DSPI ze wzbudzeniem termicznym DSPI pomiar lokalnych odkształceń wywołanych zmianą rozkładu temperatury powierzchni Bardzo czuła ale niepowtarzalna jakościowa
Analiza wibracji powierzchni Rozmiar drgającego obszaru DSPI Częstotliwość rezonansowa Przestrzenny rozkład amplitudy wibracji
Time-averaged DSPI zasada działania δz I01( r) Ii Ir 2 IiIr cos ( x, y) DSPI I02( r) Ii Ir 2 IiIr cos ( x, y) ( x, y) I r I r) I ( ) 02( 01 r Przesunięcie powierzchni obiektu o δz powoduje powstanie dodatkowej różnicy faz ( r) 4 z( x, y) ( r) 2n ( r) (2n 1) maksymalna korelacja minimalna korelacja
Time-averaged DSPI analiza drgań wibracja obiektu na jednej częstotliwości: 4 z( r) ( r, ) cos( t) czas obserwacji >> okres wibracji: δz DSPI I ( r) I r dt I 4 ( r) Ii Ir 2 IiIr cos 0 r) ( r) J z(
Time-averaged DSPI analiza fazowa I I r I o phase stepping algorithm 4 r J a 2 IrIo cos 0 1 2 3 4 I 2 I rio J 0 4 a Rejestrowane natężenie światła jest niemonotoniczną funkcją amplitudy wibracji obiektu
Pęknięcia i odspojenia warstwy malarskiej Analiza jest tylko częściowo automatyczna. Wymaga: Podziału na oddzielnie drgające fragmenty powierzchni Określenia pozycji pierwszego maksimum funkcji J 0 w rejestrowanym obrazie interferencyjnym
Inne podejście 1.0 0.5 I 2 IrIo J0 4 a J 0 0.0-0.5 vibration amplitude Amplituda wibracji ~ ciśnienie Wykonywanie serii pomiarów ze zwiększającym się natężeniem dźwięku pozwala na "śledzenie" funkcji J 0 i określenie w ten sposób amplitudy drgań w każdym punkcie obrazu niezależnie.
Odtworzenie amplitudy wibracji Amplituda wibracji jest wyznaczana przez numeryczne dopasowanie funkcji J 0 do zmierzonego natężenia światła w każdym punkcie obrazu. I 4 x y J a, 0
Automatyczna analiza wyników
Stabilność układu pomiarowego kolekcja Faras Nawet bardzo niewielkie drgania układu pomiarowego względem badanej powierzchni prowadzą do niekontrolowanych, skokowych zmian fazy i zaburzają procedurę pomiarową. DSPI
Układ szerograficzny - digital speckle shearing 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 Metoda jest: - pasywna - nieniszcząca - bardzo czuła sygnał EA: 10 μm 2 W objętości 30x15x15 cm
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 RMS analogue input card RMS sygnał sygnał czujnik przedwzm. +24V +24V odsprz. amplifier sygnał sygnał +30V sygnał W pobliżu obiektu bezpieczeństwo stabilność redukcja szumu zasilacz
Kalibracja układu pomiarowego kamera CCD czujniki EA próbka UTM Skumulowana energia EA (j. umow.) Zmierzona energia Emisji Akustycznej jest przeliczana na długość pęknięcia próbki. 12k 9k 6k 3k skumulowana energia EA powierzchnia pęknięcia 0 348 350 352 354 356 358 360 362 364 Czas (s) 200 160 120 80 40 0 Powierzchnia pęknięcia (mm 2 )
Komoda, XVIII w., konstrukcja dębowa, pokryta laką japońską
Instalacja czujników Dwa czujniki EA przyklejono (odwracalnie) do szuflady i ściany bocznej komody w pobliżu widocznych uszkodzeń drewna i laki.
Wstępne wyniki monitorowania 80 75 T szuflada 6000 70 RH bok 65 1 tygodniowa średnia 4000 T ( C) / wilg. wzgl. (%) 60 55 50 45 40 35 30 2000 300 200 Energia EA (j. umow.) 25 20 100 15 2013-11-15 2014-01-15 2014-03-15 2014-05-15 2014-07-15 0 czas
Analiza korelacji sygnału EA i wilgotności względnej w galerii 400 350 Średnia energia EA na spadek wilg. wzgl. (j. umow.) 300 250 200 150 100 50 0 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 wilg. wzgl. (%) Całkowity rozmiar uszkodzenia nie przekracza 1 mm 2
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 niestabilne geometrycznie Emisja Akustyczna luźna struktura i wysoki współczynnik tłumienia dźwięku Źródłem zagrożeń jest odkształcenie Potrzebujemy odpowiedniego tensometru
Światłowodowe siatki Bragga (FBG) Laser UV 244nm W wyniku interferencji ultrafioletowych wiązek laserowych następuje zmiana periodyczna współczynnika załamania światła rdzenia. światłowód L płaszcz 125um rdzeń 9um Szklany rdzeń Płaszcz szklany Płaszcz polimerowy Siatka dyfrakcyjna
natężenie natężenie natężenie Światłowodowe siatki Bragga (FBG) Warunek Bragga B 2nL B dł. fali dł. fali B L dł. fali Gdy stała siatki jest równa połowie długości fali przenoszonej przez światłowód następuje spójne odbicie.
dł. Fali (nm) dł. Fali (nm) natężenie Światłowodowe siatki Bragga (FBG) dł. fali Bragga zmienia się liniowo w funkcji odkształcenia i temperatury B dł. fali B ( nl nl B ) a + b T 1533.7 1533.6 1299.7 1299.6 1533.5 1533.4 1533.3 10 pm/ o C 1299.5 1299.4 1299.3 1299.2 1pm/m 1533.2 20 30 40 50 60 Temperatura ( o C) 1299.1 0 100 200 300 400 500 600 Odkształcenie (m)
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.
stopień przeniesienia odkształcenia z płaszcza do rdzenia odpowiedź czujnika na cykliczną zmianę odkształcenia Światłowód 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? Charakteryzowanie stanu obiektów na poziomie mikro Potwierdzanie autentyczności Określanie atrybucji Analiza materiałów i technik malarskich Simone Martini, Zwiastowanie (1333) - fragment