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MISURE SONICHE E ULTRASONICHE

Tecnica non distruttiva per l’analisi della continuità materica nei Beni Culturali.

Dove non si possono fare 1000 endoscopie o carotaggi affidarsi alla misura della velocità del suono può essere una valida soluzione.

Qui a fianco esempio di tomografia 3D sulle murature perimetrali di un edificio storico.

ALCUNI LAVORI ESEGUITI

Statua del Nettuno – Firenze

La tecnica ultrasonica è stata efficacemente impiegata per il monitoraggio della statua del Nettuno di Firenze. Con una serie di tomografie 2D si è verificata la presenza di fessurazioni

Palatium Vetus – Alessandria

Nello storico palazzo del centro di Alessandria la tecnica sonica è servita a verificare l’efficacia del consolidamento di alcuni elementi, mediante tomografie 3D. La tecnica si è dimostrata particolarmente efficace ed adattabile a elementi di geometria variabile grazie all’impiego del software di processamento dei dati sviluppato direttamente da noi ed alla capacità di integrare rilievi 3D.

 

Campanile Torcello – Venezia

La tecnica sonica viene felicemente impiegata per valutare l’efficacia degli interventi di consolidamento.

 

Torre della Ghirlandina – Modena

Gli ultrasuoni sono efficacemente impiegati per monitorare nel tempo alcuni elementi lapidei delle balconate, nell’ambito del Piano di Manutenzione.

 

STRUMENTAZIONE

Le indagini ultrasoniche e soniche consentono la determinazione delle caratteristiche elastico-dinamiche dei materiali, valutando il grado di omogeneità, presenza di eventuali fratturazioni o di cavità, e, in combinazione con le prove sclerometriche, la resistenza del materiale in esame.

Lo strumento è costituito da una centralina di acquisizione dati, da un sistema sorgente di onde sonore e da uno ricevente.

La sorgente o trasmittente può essere costituita da una sonda ultrasonica o un martello strumentato nel caso di indagine sonica, entrambe equipaggiate con sensori piezoelettrici; quella ricevente è costituita da un sensore piezoelettrico o da un accelerometro, meglio se con un ampio spettro-broadband e un ottimo rapporto segnale/disturbo su una larga banda di frequenze.

Le misure vengono effettuate assicurando il massimo e costante contatto tra le sonde (o il martello per le soniche) e i materiali da indagare. Lo strumento misura il ‘tempo di volo’ che l’onda sonora o ultrasonora ci mette a partire dalla sorgente e arrivare alla ricevente, misurando lo spazio del percorso tra i punti in cui sono posizionate le sonde, si ottiene la velocità dell’onda sonora. I dati vengono registrati sulla centralina e successivamente processati grazie ad un software sviluppato direttamente da noi in grado di assecondare anche geometrie particolari, che nel campo dei Beni Culturali non sono rare.

I dati quindi vengono forniti corredati da un grafico tomografico tridimensionale in grado di descrivere efficacemente la situazione.

COSA SI PUO' VEDERE?

Tecnica non distruttiva che consente di:

 

  • Verificare la presenza di discontinuità, fessurazioni, fratture, microfessurazioni
  • Valutare le condizioni anche in profondità
  • Verificare lo stato di coesione del materiale
  • Verificare l’integrità strutturale
    Verificare lo stato di conservazione
  • Individuare aree critiche per guidare il restauro
  • Validare interventi di consolidamento e/o restauro
  • Verificare la compatibilità fisico-elastica (abbinando misure sclerometriche)
  • Verificare lo stato di conservazione a intervalli di tempo prefissati al fine di supportare le scelte del Piano di Manutenzione
  • Monitoraggio del comportamento del manufatto
  • Individuare l’insorgenza di fenomeni di degrado prima di evidenti manifestazioni visive

CHIEDI INFORMAZIONI

LA TECNICA

 

intervalli delle frequenze per le onde sonore

 

Si tratta di una analisi che ci permette di avere buone informazioni nel totale rispetto del monumento mediante una tecnica non distruttiva e non invasiva, raggiungendo aree difficilmente osservabili con altre tecniche.

La misura della velocità sonora attraverso i materiali non è sicuramente una tecnica di ricerca nuova ed è già stata impiegata efficacemente, ma ciò che rappresenta una novità è lo sviluppo di un ‘modus operandi’ ed una nuova serie di parametri che ci permette di adattarla ai Beni Culturali, minimizzando l’errore sperimentale e massimizzando la qualità delle informazioni che possiamo ricavare.

La principale differenza tra l’impiego delle onde sonore e quelle ultrasoniche consiste nella capacità di evidenziare fessurazioni e/o discontinuità di entità minore all’aumentare della frequenza delle onde, ovviamente a scapito della lunghezza dei percorsi indagabili.

Le misure sono realizzate misurando il ‘tempo di volo’ di un’onda sonora che parte da una sonda trasmittente per arrivare ad una ricevente; risulta necessario assicurare un ottimo contatto tra le sonde e il materiale indagato.

Si possono realizzare tre tipi di misurazioni a secondo della posizione delle sonde sul materiale (fig. 1):

  • per trasmissione diretta o in trasparenza (il materiale è contenuto tra le due sonde parallele) – misura più precisa
  • per trasmissione semi-diretta o in semi-trasparenza (il materiale è contenuto tra le due sonde ma queste non sono in asse) – misura di media precisione
  • per trasmissione indiretta o in superficie (le sonde si trovano sulla superficie del materiale) – queste misure hanno un maggiore imprecisione vista la perturbazione del materiale più accentuata in superficie

 

Fig. 1 tipologie di misure soniche/ultrasoniche

 

La velocità sonora in un materiale dipende dalle sue caratteristiche fisiche e dal grado di omogeneità di queste nel materiale, la presenza di discontinuità, decoesioni o interruzioni di continuità portano ad una variazione della velocità sonica. Su questo principio si fonda questa metodologia di indagine.

L’esecuzione di una misura ultrasonica o sonica quindi è soggetta ad una serie di variabili, fisiche e chimiche, in grado di incidere significativamente sulla precisione del risultato, aspetto quest’ultimo che limita molto il significato della singola misura su un percorso unico. Si è reso quindi necessario individuare un metodo operativo in grado di realizzare molte misurazioni, coordinandole e armonizzandole in sede di processamento dei dati.

Per questo abbiamo sviluppato una metodologia che sfrutti il principio di tomografia tridimensionale, dove il numero di misure superiore sia in grado di assicurarmi una buona affidabilità sui risultati.

Il cuore di tale metodologia è sicuramente rappresentato dalla elaborazione matematica mediante l’applicazione di un algoritmo che descriva compiutamente il risultato e tenga presente di altri fattori quale ad esempio l’attenuazione del segnale, per questo è stato necessario sviluppare il software direttamente nei nostri laboratori sulla scorta di una ampia serie di dati e prove.

Proviamo a vedere un esempio, esecuzione di una analisi sonica su una colonna in elementi di laterizio; una prima difficoltà è rappresentata dalla sua geometria particolare, difficilmente ascrivibile a forme regolari (e quindi difficilmente rappresentabili da software presenti in commercio che prevedono l’uso di forme regolari).

Questo aspetto viene superato effettuando un rilevo 3D dell’elemento di media precisione, sufficiente ad avere una base di lavoro per la produzione della tomografia finale.

La colonna viene suddivisa in diversi punti che rappresenteranno le aree di contatto tra la sorgente trasmittente e quella ricevente. Nella foto successiva (fig. 2) si riportano i punti di misura considerati (punti di arrivo e partenza dell’onda sonora), di seguito si evidenziano i percorsi indagati (fig. 3).

 

Fig. 2 punti di partenza e arrivo dell’onda sonora

  

Fig. 3 percorsi indagati

 

Le misure soniche di tutti i percorsi indagati, appositamente processate, permettono la realizzazione di una tomografia tridimensionale molto chiara ed eloquente. Una volta ottenuta la tomografia è possibile indagare l’elemento in tutte le sue parti rispondendo a diverse esigenze di informazione sullo stato di conservazione dell’elemento.

Qui sotto si riportano, a titolo di esempio (Fig. 4), alcuni estratti della misura tomografica, nelle aree di colore giallo rosso i valori delle velocità soniche sono modesti e si registra una certa decoesione, rappresentando così i punti critici dell’elemento.

    

Fig. 4 estratti della tomografia tridimensionale 

 

Ogni ciclo di misure deve necessariamente essere preceduto da una fase di taratura e di creazione di una tavola di riferimento che dipende dalla natura del materiale e dal suo ruolo architettonico. Tale fase viene normalmente svolta da noi e curata in collaborazione con la DL al fine di costituire un valido riferimento per l’intera campagna d’indagine.

A secondo delle dimensioni, della geometria e della tipologia degli elementi da indagare si possono scegliere diversi stadi di approfondimento, facendo variare il numero di percorsi da indagare e la loro posizione.

La metodologia messa a punto ci ha permesso di realizzare controlli e verifiche (anche a seguito di interventi di consolidamento) su diversi monumenti tra i quali il Palazzo delle Prigioni, Palazzo Ducale, Procuratie Vecchie, il campanile di Torcello a Venezia, la Cappella della Sindone a Torino, la statua del Biancone di Firenze, la Torre della Ghirlandina a Modena, il Tempio di Giunone e il Tempio di Concordia ad Agrigento, ecc. ecc…