RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Metodi ed Algoritmi integrati per la diagnostica Non Distruttiva di Beni Architettonici

Università di riferimento

Università di PISA - SISTEMI ELETTRICI E AUTOMAZIONE - PISA(PI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Antonino MUSOLINO

Descrizione

Obiettivo della ricerca di questa Unità è quello di caratterizzare ed identificare dal punto di vista teorico-sperimentale nuove tecniche di indagine Non Distruttive (ND) basate su onde guidate ad ultrasuoni per l'ispezione strutturale di beni architettonici.

Sebbene i metodi ND ad ultrasuoni abbiano raggiunto un livello di utilizzo largamente soddisfacente in diversi settori industriali, nell'ambito dei Beni Culturali tali tecniche sono ancora oggetto di studio per un migliore adattamento alle particolari caratteristiche delle strutture da indagare.
L'interesse degli operatori nel settore della conservazione e del restauro dei beni storico-artistici è riconducibile a due problemi principali: da un lato vi è la necessità della conoscenza dello stato di conservazione e di sicurezza dei beni architettonici tramite la verifica dell'esistenza di lesioni strutturali non immediatamente visibili createsi nel corso degli anni; dall'altro la notevole importanza dal punto di vista culturale di un'analisi approfondita della caratterizzazione ed identificazione delle eventuali diverse tipologie di materiali costituenti il bene o la struttura architettonica anche per la messa in evidenza di possibili strati decorativi sottostanti la struttura superficiale.
Da questo punto di vista, le attrezzature di tipo commerciale attualmente utilizzate dai ricercatori del settore sono spesso incapaci di adattarsi allo specifico problema strutturale da indagare e le loro interfacce non rispondono ai requisiti richiesti in termini di possibilità di effettuare un controllo sulla validità dei dati acquisiti e sulla loro interpretabilità. Inoltre, i metodi classici ad ultrasuoni basati su prove ND di tipo convenzionale sono in grado di ispezionare soltanto una piccola zona (seppure in profondità) vicino al punto di applicazione dello strumento e necessitano quindi di un notevole numero di prove da ripetere in posizioni diverse per poter indagare un'intera struttura.
Per cercare di risolvere questi problemi si intende studiare un diverso tipo di tecnologia per l'ispezione strutturale di beni architettonici basata su una nuova tecnica di indagine ND ad onde guidate ultrasonore. L'indagine basata su onde guidate ultrasonore è una metodologia di indagine ormai affermata nell'ispezione a distanza sia di condutture che di strutture planari. Essa è attualmente utilizzata da questa Unità nell'ambito di una attività di ricerca volta alla rilevazione e all'identificazione dei difetti in condutture metalliche. Tale tecnica, classificata come metodo "a lungo raggio", potrebbe rivelarsi particolarmente vantaggiosa perché consente di ispezionare grandi volumi della struttura anche a distanza dal punto di applicazione dello strumento riducendo notevolmente i tempi necessari all'ispezione. Inoltre, cosa ancora più importante, potrebbe permettere l'ispezione di superfici non immediatamente accessibili delle costruzioni da indagare in quanto le onde guidate ultrasoniche si propagano per lunghe distanze ed in profondità e possono essere inviate e ricevute da opportuni trasduttori la cui applicazione richiede l'accessibilità alla struttura in postazioni che possono essere anche molto distanti tra di loro.

A questo proposito, questa Unità ha recentemente acquisito uno strumento basato sul principio fisico della propagazione di onde elastiche. Questo strumento normalmente usato per l'ispezione di strutture metalliche verrà adattato per l'analisi ND di strutture in pietra e muratura per verificarne il loro stato di conservazione ed eventualmente riuscire a caratterizzarne la composizione.
Lo strumento si basa su un sensore di tipo magnetostrittivo (MsS) ed è in grado di innescare la propagazione di onde elastiche in strutture guidate di tipo cilindrico o planare e di rilevarne l'eco dovuta alla presenza di difetti da corrosione e/o frattura e/o discontinuità della costituzione del mezzo in cui l'onda si propaga. Le onde generate sono di tipo longitudinale e torsionale in oggetti cilindrici e di tipo Lamb (simmetriche e antisimmetriche) e di tipo trasverso in strutture piane.
La tecnica permette l'ispezione volumetrica della regione di interesse fino a distanze dell'ordine delle decine di metri dal punto in cui il sensore è applicato. Nel caso di strutture murarie in mattoni e in pietrame ci si attende una riduzione del raggio di azione dello stumento a causa delle costanti fisiche di propagazione del mezzo, pur restando nell'ordine di qualche metro. Lo strumento può operare utilizzando una interfaccia localizzata con la regione di interesse ed ha una buona sensitività fino a frequenze dell'ordine delle centinaia di kHz.
Si prevede di acquisire un corredo addizionale di trasduttori e di sensori capaci di funzionare in un intervallo fino alle decine di MHz e di alimentare il trasduttore utilizzando sorgenti esterne allo strumento. A tal fine si utilizzera' un generatore di forma d'onda arbitraria. L'uso di un analizzatore di spettro potra' poi fornire una caratterizzazione in frequenza del mezzo nel quale avviene la propagazione.

Per una utilizzazione su larga scala della metodologia in oggetto, essa dovrebbe fornire una immagine tridimensionale della parte ispezionata. A tal fine aspetti critici che saranno oggetto di indagine sono: la scelta del tipo di tecnica ottimale in termini di tipo di sollecitazione elastica, della sua frequenza, della distanze fra il punto in cui l'onda viene generata a quello in cui viene rilevata l'eco etc., la messa a punto di modelli numerici efficienti per la comprensione dei fenomeni fisici più importanti e la modalità migliore di elaborazione e interpretazione dei dati ricevuti e trasmessi nella struttura sottoposta ad indagine.
In particolare, quest'ultimo aspetto assume notevole importanza proprio per la possibilità di estrazione delle informazioni sulla struttura indagata (geometria, natura dei materiali, ecc.).
Questa Unità, oltre alla verifica della possibilità di utilizzo di una nuova tecnica untrasonica ad onde guidate, cercherà di analizzare quale fra alcune tipi di elaborazione dei segnali si adatti meglio all'estrazione delle informazioni necessarie per una valutazione completa delle struttura ispezionata.
L'elaborazione del segnale di ritorno degli strumenti ultrasonici, può essere effettuata tramite diversi metodi. Questa Unità di ricerca, si interesserà in particolare dell'utilizzo della trasfomata wavelet e la trasformata di Hilbert-Huang.
La trasformata wavelet è un potente strumento per l'analisi di segnali aperiodici. Le sue proprietà di focalizzazione rendono la risoluzione dei segnali alle alte e alle basse frequenze più accurata di altri metodi. Il fenomeno della conversione dei modi propagativi puo' essere interpretato nell'ottica dei risultati della trasformata wavelet.
Una seconda trasformata la cui possibilità di utilizzo verrà verificata è quella di Hilbert–Huang. L'elemento principale del metodo è la cosiddetta "decomposizione empirica dei modi", (EMD) con la quale un insieme di dati può essere decomposto in un numero finito e spesso piccolo di "funzioni di modo intrinseche" (IMF) per le quali si può valutare la trasformata di Hilbert .Utilizzando la trasformata di Hilbert sulle IMF ottenute, si ottiene una distribuzione energia-tempo-frequenza del segnale designata come spettro di Hilbert-Huang. Questo metodo è adattivo ed essendo la decomposizione basata sulle scale temporali locali proprie dei dati, è applicabile a processi non-stazionari e non-lineari.
Uno dei vantaggi della HHT sta nel fatto che il passo computazionalmente più rilevante, l'operazione EMD, non richiede una convoluzione o altre operazioni computazionalmente onerose, di conseguenza la HHT può trattare segnali costituiti da un grande numero di campioni. In più lo spettro di Hilbert–Huang non coinvolge il concetto di risoluzione in frequenza e nel tempo in quanto utilizza la frequenza istantanea, attraverso la quale si ottiene una precisa identificazione della struttura del segnale.

Decrizione dell'attività.
Si indagheranno le potenzialità del principio fisico sia dal punto di vista numerico che da un punto di vista sperimentale mediante l'uso di codici di calcolo e tramite indagini su provini realizzati in laboratorio ed eventualmente su strutture murarie di interesse architettonico esistenti.

Fase 1): Si verificherà teoricamente l'applicabilità della tecnica di indagine ND ad onde guidate ultrasoniche per l'ispezione di strutture architettoniche in calcestruzzo, in muratura di pietrame e/o in laterizi, si utilizzeranno codici di calcolo per studiare la propagazione delle onde elastiche in mezzi non omogenei con l'intento di determinare fra i molti parametri che governano la propagazione quelli che hanno maggior influenza sul fenomeno. A tale scopo verrà utilizzato il sotware commerciale CAPA del quale si è recentemente acquisita la licenza di uso e che è stato già utilizzato in una precedente attività di ricerca relativa alle indagini non distruttive sui tratti di tubature. Inoltre si indagherà su quali siano le frequenze che meglio caratterizzano i vari componenti costitutivi le strutture murarie. L'obbiettivo dell'utilizzo di modelli numerici sarà quello di costruire una base di dati per potere effettuare la classificazione dei più comuni difetti che possono essere presenti ed il riconoscimento delle varie composizioni e tipologie costruttive delle opere murarie.

Fase 2): I dati ottenuti dalle simulazioni svolte nella fase 1, in particolare quelli contenuti nei segnali di ritorno rilevati dai sensori, dovranno essere interpretati in modo da potere ricostruire a partire da essi le caratteristiche delle strutture da indagare. A tal fine si individuerà la tecnica di analisi dei dati ottenuti dalle simulazioni che meglio risponde ai requisiti richiesti in termini di completezza e ricostruibilità delle informazioni contenute nei suddetti segnali. Questa è una fase cruciale della tecnica proposta da questa Unità, in quanto allo stato attuale dell'arte la preferenza dei ricercatori per le prove soniche (sebbene di più lunga esecuzione per via del limitato raggio di azione di tale metodologia) è dovuto alla più semplice interpretazione dei dati ottenuti dai rilievi sperimentali. Le tecniche basate sulla trasformata wavelet e su quella di Hilbert Huang verranno utilizzate e confrontate ed integrate fra loro per ottenere una interpretazione più chiara e completa possibile sullo stato e sulla costituzione dell'opera.

Fase 3): I dati ottenuti dalle altre Unità utilizzando metodi diversi da quello qui proposto contengono spesso informazioni complementari a quelle ottenute utilizzando onde guidate ultrasonore. Sarà quindi necessaria un'armonizzazione dei risultati ottenuti con le varie tecniche che porterà ad una più precisa descrizione delle varie opere murarie. Questa attività sarà strettamente coordinata con le altre Unità di ricerca coinvolte nel progetto ad avrà lo scopo di applicare le tecniche di data fusion e soft computing ai risultati ottenuti al fine di realizzare le procedure per effettuare l'addestramento delle reti neurali.

Fase 4): Si effettueranno indagini di tipo sperimentale su casi a complessità ridotta per i quali siano note soluzioni di tipo analitico o numerico; verranno infatti realizzati provini di opere murarie e su di essi verranno realizzate campagne di misura allo scopo di validare i risultati ottenuti con i codici di calcolo e di mettere in relazione i risultati dei rilievi sperimentali con la presenza di fratture o con la struttura interna dell'opera.