RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "La Sapienza" - SCIENZA E TECNICA DELL'INFORMAZIONE E DELLA COMUNICAZIONE (INFOCOM) - ROMA(RM)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Raffaele PARISI

Descrizione

Il progetto di un sistema per il test non distruttivo (TND) in generale deve tenere conto di cinque fattori principali:
1) il grado di penetrazione nella struttura;
2) la risoluzione verticale e laterale richiesta per il raggiungimento di determinati obiettivi;
3) le proprietà fisiche di contrasto tra la parte oggetto della misura e l'ambiente circostante;
4) la bontà di stima (o il rapporto segnale rumore) della proprietà fisica misurata;
5) la memoria storica relativamente al metodo di misura effettuata e al tipo di struttura in esame.
Una attenta e accurata applicazione dei cinque punti sopra esposti può consentire la realizzazione di un sistema TND in grado di fornire le informazioni richieste sulla struttura di interesse, ovvero può orientare la scelta verso altri tipi di analisi, più adeguati per il problema specifico.
L'applicazione delle tecniche TND per le problematiche di monitoraggio delle strutture murarie o di ingegneria civile è molto spesso fatta con modalità non corrette. Ciò è dovuto principalmente alla inadeguatezza delle metodologie usate o alla limitata precisione ottenibile. In altre situazioni le condizioni fisiche della struttura sono molto complesse e l'interpretazione dei dati non produce l'informazione desiderata.
I componenti di questa Unità hanno acquisito nel corso degli anni una significativa esperienza nell'ambito delle tematiche riguardanti sia il settore del trattamento di segnali acquisiti da schiere di sensori ("array processing"), anche di tipo sonico (microfoni), che quello della progettazione e della realizzazione di antenne. L'utilizzo appropriato di metodologie proprie dell'array processing al problema specifico della diagnostica di strutture murarie consentirebbe di superare le limitazioni che caratterizzano le tecniche più frequentemente usate. Nell'ambito del presente progetto l'obiettivo dell'Unità è proprio quello di mettere a frutto l'esperienza acquisita nel settore dell'array processing, successivamente integrando opportunamente le tecniche sviluppate con quelle messe a punto in parallelo dalle altre unità.
In particolare, in linea con l'esperienza precedentemente acquisita, questa Unità intende approfondire le metodologie che utilizzano onde di tipo meccanico (soniche e ultrasoniche) e onde elettromagnetiche.
Più specificatamente, i metodi sonici e ultrasonici sono riferiti alla trasmissione e alla riflessione di onde meccaniche a frequenze soniche o ultrasoniche attraverso un mezzo. Il metodo di trasmissione sonica è basato sulla propagazione di onde di compressione di frequenze tra i 100Hz e i 10kHz attraverso una parete muraria (o la struttura) in esame. La sorgente di eccitazione è, in genere, dovuta all'impatto di un martello mentre il ricevitore è solitamente un accelerometro posizionato in una posizione opportuna a seconda del tipo di misura (diretta, semidiretta o indiretta) che si intende effettuare. La velocità di propagazione è calcolata su una media di stime locali di velocità lungo il percorso e non è possibile determinare la posizione di tutte le disomogeneità. Ciò consente una valutazione approssimativa delle condizioni interne della parete (in muratura, calcestruzzo, o altri materiali) e una grossolana localizzazione di cavità interne alla parete e di fessure in profondità. La stima di difetti è possibile poiché le onde soniche mal si propagano all'interno di "bolle" d'aria dovute a fessurazioni, cavità, assenza di malta tra i mattoni, etc.
La tomografia sonica/sismica rappresenta un miglioramento della semplice tecnica di trasmissione sonica in quanto consente, in linea di principio, di eseguire dei test in percorsi dell'onda non perpendicolari a quelli della propagazione diretta. Con tale tecnica è possibile, quindi, ricostruire una immagine 3D della distribuzione delle velocità della struttura o di una sua sezione in modo da poter identificare sue variazioni e correlarle a difetti, malformazioni, fessurazioni, etc. Per la misura è usuale considerare la risposta del mezzo lineare così che ogni variazione nella velocità di propagazione risulta attribuibile alla disomogeneità o a danneggiamenti del mezzo.
Un recente sviluppo del metodo sonico/ultrasonico, noto come "impact-eco system", è stato sviluppato per la misura dalla superficie della concretezza e di integrità di una parete. Tale metodo consente, con opportune trasformazioni nel dominio della frequenza, di stimare la funzione di trasferimento (FdT) e le riflessioni (o echi) delle onde di compressione come picchi di pronunciati (o risonanze) nella rappresentazione in frequenza della FdT. Tali picchi sono relativi allo spessore o alla frequenza di risonanza del difetto in profondità e la conoscenza della velocità dell'onda di compressione nella malta (o in altri tipi di materiale da costruzione) permette il calcolo della profondità del difetto. Le difettosità possono essere valutate con sufficiente accuratezza se viene usata una frequenza elevata (mezza lunghezza d'onda rispetto al difetto). La principale limitazione di tale metodo è dovuto all'ambiguità della misura, le cui cause sono principalmente la dispersione dell'onda attraverso la malta dovuta alla presenza di aggregati e altre disomogeneità, la possibile riduzione della frequenza dell'eco d'impatto dovuta alla frammentazione della malta (effetto passa-basso) e la possibile perdita di efficienza dei trasduttori ultrasonici.
La riflessione ultrasonica, infine, è una delle metodologie tipiche usate nei TND e consiste nel propagare onde acustiche generate da trasduttori piezoelettrici, d frequenze superiori a 20kHz e con lunghezze d'onda di 50-100mm. Nel caso di strutture in mattoni e/o malte, che hanno forti attenuazioni alle alte frequenze, occorre usare frequenze più basse per ottenere una ragionevole penetrazione.
Per quanto riguarda i metodi elettromagnetici, la tecnica più comune è quella del radar a impulsi, che tipicamente utilizza frequenze di antenna superiori a 1 GHz per ottenere la risoluzione desiderata. In alcuni casi una maggiore penetrazione dell'onda potrà essere ottenuta mediante frequenze di lavoro inferiori (100–500 MHz). E' probabile che questi metodi subiranno un significativo sviluppo nei prossimi anni, a causa dell'ampio spettro delle loro possibili utilizzazioni. Tra i metodi elettromagnetici, le misure di conducibilità forniscono un ulteriore strumento di analisi. La conducibilità dipende naturalmente dalle proprietà elettriche dei materiali e dalla percentuale di acqua presente. Lo studio della propagazione del campo e della sua variazione consente di dedurre informazioni utili sulla geometria e lo stato fisico della struttura. Tuttavia problemi possono sorgere in presenza di tondini di ferro, caratterizzati da elevati valori di conducibilità e in grado di alterare sostanzialmente le caratteristiche del campo.
OBIETTIVI
L'obiettivo generale di questo progetto è il superamento delle limitazioni delle tecniche attualmente disponibili mediante l'utilizzo di sistemi di misura basati su opportune configurazioni di trasduttori multipli (sorgenti e sensori), secondo l'approccio delle tecniche proprie dell'array processing. In particolare verranno innanzitutto individuate ed analizzate accurate ed efficienti procedure di modellazione delle strutture murarie, basate sulla disponibilità di misure multi-punto, che consentiranno la costruzione di matrici di funzioni di trasferimento, dipendenti dalle posizioni scelte di sorgenti e sensori. In secondo luogo verranno applicate le metodologie e gli algoritmi dell'array processing per determinare con accuratezza le posizioni e le proprietà dei difetti all'interno delle strutture in esame. In particolare verranno analizzate le problematiche relative alla progettazione dei segnali da trasmettere, alla calibrazione efficiente del sistema sorgenti-sensori e alla risoluzione minima necessaria per una affidabile caratterizzazione delle strutture. A tal fine si sfrutteranno le proprietà di metodi ad alta risoluzione basati sulla stima dei sottospazi di segnale per la localizzazione accurata delle discontinuità. Infine, i risultati ottenuti verranno confrontati in termini di complessità computazionale e accuratezza con quelli conseguiti dalle altre Unità (fase di "benchmarking"), con lo scopo di individuare la migliore strategia di fusione dei dati.
PROGRAMMA
Per raggiungere gli obiettivi del progetto, il programma dell'Unità prevede lo sviluppo delle seguenti fasi, che avverrà in parallelo per i problemi di maggiore complessità:
I ANNO
1. Fase iniziale di coordinamento con le altre Unità del progetto.
L'obiettivo di questa fase è quello di stabilire i requisiti di massima della piattaforma comune. (2 mesi)
2. Fase metodologica
Questa fase sarà dedicata allo sviluppo delle metodologie di modellazione, acquisizione e trattamento dei dati e sarà articolata nelle seguenti sotto-fasi:
a) modellazione della struttura.
Questa fase avrà come obiettivo l'individuazione di un modello appropriato della struttura muraria di interesse e sarà svolta in collaborazione con le Unità IV e V per quanto riguarda lo studio delle caratteristiche meccaniche ed elettromagnetiche rispettivamente. In particolare verrà effettuata l'analisi della propagazione meccanica e elettromagnetica in mezzi disomogenei e con forme geometriche variabili non note. In aggiunta, uno dei problemi più comuni consiste nell'integrazione delle informazioni storiche della struttura con i risultati dell'esame non distruttivo. Prima di effettuare la misura vera e propria occorre quindi, stabilire un preciso modello sulla base delle informazioni ingegneristiche addizionali che riguardano la struttura stessa. Questi aspetti saranno opportunamente tenuti in considerazione in fase di modellazione. In particolare la collaborazione con l'Unità V consentirà di valutare le prestazioni necessarie per la diagnostica grazie alla disponibilità di codici agli elementi finiti estremamente versatili ed aperti che renderanno possibile l'analisi di mezzi fortemente disomogenei. L'esperienza acquisita invece da questa Unità nel campo della modellazione sonora verrà utilizzata per una efficace modellazione della propagazione delle onde sonore nella struttura muraria. La disponibilità di sorgenti e sensori multipli consentirà la stima delle matrici contenenti le funzioni di trasferimento tra le varie posizioni di ingresso e di uscita. (5 mesi)
b) Analisi degli algoritmi di elaborazione dei dati.
In questa fase si procederà allo studio degli algoritmi necessari per l'elaborazione dei dati, in conseguenza della configurazione prescelta ed anche in relazione alle esigenze evidenziate dalle metodologie di modellazione. In particolare si individueranno le tecniche di array processing più adatte ai fini della stima delle velocità di propagazione dei segnali (e quindi delle caratteristiche meccaniche ed elettriche), nell'ipotesi di conoscere la loro direzione di arrivo. Si indagherà sulla opportunità di ricorrere a tecniche ad alta risoluzione, robuste rispetto a incertezze e/o errori nel modello e soprattutto alla presenza di cammini multipli, dovuti a riflessioni originate in corrispondenza delle discontinuità della struttura (3 mesi).
c) Definizione delle specifiche di progetto del sistema di trasmissione e ricezione dei segnali, nei casi di onde meccaniche e elettromagnetiche.
Si dovranno valutare le caratteristiche ottimali, ai fini della diagnostica, sia del sistema in trasmissione che di quello in ricezione. Saranno oggetto di indagine gli aspetti legati alla forma d'onda generata, alla potenza ed al diagramma di radiazione del sistema in trasmissione, nonché le caratteristiche necessarie in termini di larghezza di banda, sensibilità, direttività del sistema in ricezione. (2 mesi)
d) Determinazione della configurazione ottimale delle sorgenti (sonore ed elettromagnetiche) e dei sensori (antenne e microfoni), eseguita confrontando le prestazioni delle varie possibili soluzioni. (2 mesi)
II ANNO
3. Fase sperimentale.
Questa fase avrà come obiettivo la realizzazione di un sistema sperimentale di misura e comprenderà le seguenti sotto-fasi:
a) acquisto o realizzazione dei dispositivi.
A valle dell'indagine di cui alla fase precedente, si procederà alla realizzazione del sistema progettato o all'acquisto di eventuale sistema disponibile in commercio di prestazioni superiori (o costo inferiore). Prima di procedere alla realizzazione si verificheranno le prestazioni offerte dai vari tipi di strumentazione disponibili al momento in commercio. Questa Unità di ricerca ha già realizzato in passato antenne di vario tipo, la cui rispondenza alle specifiche è stata verificata sia nei laboratori del dipartimento che in laboratori accreditati. Il progetto prenderà in considerazione sia antenne già utilizzate per questo tipo di applicazioni che antenne di altri tipi (ad esempio antenne a microstriscia o a onde leaky), potenzialmente interessanti e già oggetto di studi precedenti. L'analisi delle prestazioni conseguibili mediante le varie configurazioni dell'array condurrà alla scelta finale. (3 mesi)
b) Acquisizione dei dati.
In questa fase verrà specificato e messo a punto il sistema di acquisizione dei dati, che saranno quindi opportunamente organizzati e resi fruibili alle altre Unità mediante condivisione telematica. (2 mesi)
c) Verifiche sperimentali in sede e tuning del sistema.
Si prevede di eseguire alcune prove in sede per verificare la funzionalità del sistema in presenza di murature di vario tipo e spessore, alcune delle quali in calcestruzzo, che probabilmente presentano cavità eterogenee all'interno e che potranno rappresentare un test abbastanza significativo del comportamento del sistema. (2 mesi)
d) Misure in campo.
Saranno effettuate prove in campo secondo modalità e in località individuate in accordo con le altre UdR durante lo svolgimento del progetto. (2 mesi)
4. Fusione dei dati
In questa fase le varie metodologie sviluppate dalle Unità partecipanti al progetto verranno integrate. In particolare l'utilizzo di sensori multipli di tipo eterogeneo consentirà di aumentare le capacità dei sistemi rispetto a soluzioni più tradizionali basate su sensori singoli. Nel caso più semplice l'uso di sensori multipli aumenterà l'affidabilità del sistema, nel senso che la ridondanza introdotta permetterà di far fronte in modo immediato al malfunzionamento o alla rottura del singolo sensore. Da un punto di vista più generale, la possibilità di acquisire informazioni da un gruppo di sensori eterogenei potrà essere opportunamente sfruttata per compensare l'inaccuratezza e gli ambiti operativi necessariamente limitati dei sensori individuali. La fusione dei dati ("Multisensor data fusion", MDF) sarà il punto chiave dell'intero sistema. Le metodologie adottate dovranno opportunamente associare tra di loro dati e "features" di natura differente, a vari livelli, combinando le informazioni provenienti dai vari sensori, aggregandoli e mettendoli in relazione con altri dati disponibili per esempio su base-dati. (4 mesi)
5. Disseminazione dei risultati.
Il progetto comprenderà lo sviluppo del software di gestione e di elaborazione necessario e di un dimostratore che consenta di validare le tecniche proposte su dati sintetici e reali. I principali risultati saranno pubblicati su riviste specializzate, presentati a convegni e resi disponibili su un sito web dedicato.
In conclusione, gli obiettivi verificabili della ricerca proposta possono essere riassunti nei seguenti punti:
- Sviluppo e analisi di modelli multi-punto delle strutture in esame (matrici di funzioni di trasferimento).
- Applicazione di tecniche di array processing ad alta risoluzione per la localizzazione accurata dei difetti.
- Sviluppo di un dimostratore (hardware e software).
- Disseminazione dei risultati tramite pubblicazione di articoli su riviste specializzate, presentazioni a congressi, organizzazione di workshop e seminari.