ES2270841T3 - Metodo y dispositivo acustico para la determinacion no destructiva de desprendimientos de pinturas murales. - Google Patents

Abstract

Un método acústico no destructivo para la detección de desprendimientos en frescos y pinturas murales, por el que se realiza una exploración de un fresco o una pintura mural, empleando el método una fuente (1) acústica de impulsos, un detector (2) y medios (3, 10, 11, 12) de tratamiento de señales, posicionándose dicha fuente (1) acústica de impulsos y dicho detector (2) a una distancia predeterminada, distinta de cero, del fresco o de la pintura mural, comprendiendo el método los pasos siguientes: (i) la fuente acústica (1) de impulsos emite una onda acústica que es reflejada en un punto de la superficie del fresco o de la pintura mural, con el fin de permitir la detección de un posible desprendimiento merced a la excitación vibratoria de dicho desprendimiento, que actúa a modo de membrana, y, de ese modo, disipa parte de la energía acústica y reduce el valor de una señal reflejada obtenida a partir de la onda reflejada; comprendiendo dicha onda acústica emitida, bien a) una única frecuencia (fi) de entre todas las frecuencias (fi, ..., fr) posibles susceptibles de excitar desprendimientos de cualesquiera extensión y altura posibles tanto en frescos como en pinturas murales, que en el caso de frescos y pinturas murales la emisión de la onda sónica se repite para todas las frecuencias (fi; i=1, ..., r) citadas susceptibles de excitar los desprendimientos en frescos y pinturas murales de cualesquiera extensión y altura posibles en dicho punto de la superficie del fresco o de la pintura mural, o bien b) una señal de impulsos de banda ancha que incluya todas las frecuencias (f1, ...fr) posibles susceptibles de excitar desprendimientos en frescos y pinturas murales de cualesquiera extensión y altura posibles, en cuyo caso no se repite la emisión de la onda sónica; (ii) el paso (i) anterior se repite en una pluralidad (mxn) de puntos de exploración, recibiéndose cada onda acústica emitida, una vez reflejada, mediante un detector (2) y tratándose merced a medios (3, 10, 11, 12) detratamiento de señales; (iii) cada vez que se reciba una onda reflejada, dichos medios de tratamiento usan un algoritmo, preferiblemente un algoritmo Cepstro, con el fin de separar la señal reflejada Pr(t) de la onda reflejada, correspondiente a cierto valor de frecuencia, del ruido de fondo y de una señal directa Pd(t) que se desplace directamente desde la fuente (1) de impulsos al detector (2); y determinándose y representándose la absorción de energía máxima, en cada punto de exploración, mediante un mapa bidimensional que muestre la extensión de los posibles desprendimientos.

Description

Método y dispositivo acústico para la determinación no destructiva de desprendimientos de pinturas murales.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método y un dispositivo destinados a obtener un mapa (representación gráfica bidimensional) de la extensión y la magnitud de los desprendimientos (zonas de separación) de frescos, y, en general, de pinturas murales, con el fin de evaluar el daño causado por las condiciones ambientales (por ejemplo, fluctuaciones de temperatura, humedad) a tales obras de arte. Específicamente, la presente invención se refiere a un método y un dispositivo no invasivos o no destructivos para analizar las zonas de separación, es decir, de tal manera que se evite dañar una obra de arte.

Antecedentes de la técnica

La investigación relacionada con la detección y la determinación de la magnitud del desprendimiento de las zonas de separación en frescos es uno de los problemas más urgentes y difíciles en el campo de la conservación y la restauración de obras de arte (véase el documento de Danti C., Matteini M., Moles, "Le pitture murali, Tecniche, Problemi, Conservazione", Centro di Edit., Firenze, Italia, 1990). La necesidad de tratar un problema de este tipo de modo sistemática y científicamente válido se percibe aún más si se considera la importancia de los frescos en el patrimonio artístico italiano, en lo que se refiere al número de obras y al valor de estas obras maestras, únicas en su clase. Con el fin de definir mejor el problema que ha de tratarse, resulta útil recordar, brevemente, el tipo de procedimiento que se utilizó para realizar un fresco antiguo. En una capa de enfoscado, denominada "arriccio" (revestimiento flotante), se aplicó una capa más delgada de enlucido, en la que el artista esbozó su dibujo, y por último, se aplicó una capa final de enlucido ("intonachino" o "estuco"), hecha de mortero muy fino, que se pintó mientras estaba todavía fresca.

Mediante la expresión "zona de separación" o "desprendimiento" en un fresco, se hace referencia a la falta de adherencia del revestimiento flotante a la estructura de pared subyacente y/o al estuco ("intonachino"), que da lugar, como consecuencia de la permeabilidad del material, a espacios libres cuyas conformaciones y dimensiones varían considerablemente. Casi siempre, la razón estriba en el exceso de humedad del aire en el entorno del fresco. Sin un trabajo de restauración apropiado, pueden producirse fisuras y la separación completa de partes de la superficie pintada. La técnica más usada por los restauradores para la detección de zonas de separación en frescos es una técnica empírica y muy invasiva (destructiva), denominada técnica "martillo", que consiste en golpear la superficie del fresco o la superficie de la estructura de la pared mientras se escucha la diferencia con el sonido emitido por la misma.

A nivel internacional, los problemas mencionados en lo que antecede afectan al patrimonio, más general, de las pinturas murales, que incluye, también, obras de arte no antiguas. Pero, aún cuando este problema no parezca tan importante como en Italia, hay países europeos, como Francia, Alemania, Austria y Grecia, en los que la necesidad de realizar diagnósticos precisos de los frescos es tan urgente como en Italia. Entre las técnicas científicas no destructivas, la única actualmente adecuada para proporcionar cierta información acerca de la existencia de zonas de separación en frescos, es la denominada "termovisión" (véase la publicación "Research Techniques in Nondestructive Testing"/"Técnicas de investigación mediante análisis no destructivos", de Segal, Y., et al., Edit. R.S. Sharpe, Academic Press, New York, EE.UU., 1977), pero que, con frecuencia, ofrece resultados difíciles de interpretar. Por otro lado, sus complejos instrumentos, difíciles de usar, así como su coste, muy elevado, limitan considerablemente el uso de esta técnica.

Los intentos destinados a ofrecer técnicas alternativas, en este campo, que puedan sustituir a la termovisión, y, en particular, a las técnicas acústicas, no han proporcionado, hasta ahora, resultados satisfactorios. Un ejemplo de estos intentos es la técnica "ecoespectrográfica" presentada por primera vez en el documento "Un progetto per Piero della Francesca" (Matteini M., et al., 1989, Indagini diagnostico-conoscitive per la conservazione della Leggenda della Vera Croce e della Madonna del Parto, Alinari, Firenze, Italia), pero no se conocen resultados positivos a este respecto, y, tampoco, de aplicaciones relativas a especímenes ni a frescos reales.

Otra técnica, más reciente, basada en un sistema de vibrómetro que mide la función de respuesta de frecuencia "aceleración/fuerza", o inertancia, parece haber alcanzado algún resultado útil con especímenes apropiados en condiciones de aislamiento de laboratorio ideales, pero no se han hecho, todavía, experimentos con frescos reales (véase el documento de Mannaioli A., 1992, "Progetto e realizzazione di un sistema vibrometrico per l'identificazione di distacchi negli affreschi", Tesi di laurea, Fac. Ingegneria, Università "La Sapienza", Roma, Italia, 1991/1992). Realmente, las dos técnicas acústicas antes mencionadas, independientemente de la consideración de los resultados de laboratorio que han proporcionado, presentan la seria limitación de no poder clasificarse como no destructivas.

De hecho, requieren que la pintura sea "golpeada" físicamente mediante una fuente mecánica, con el fin de excitar la estructura que tenga que analizarse, y tenga que "tocarse" mediante sensores destinados a detectar la respuesta acústica.

En lo que se refiere a la técnica que emplea un vibrómetro láser, se ha señalado su gran utilidad para estudiar los modos de vibración de estructuras, debido al hecho de que es totalmente independiente del ruido ambiental, pero el desarrollo de la investigación actual no permite usar únicamente análisis modal para discriminar, de manera unívoca, las resonancias de las zonas de separación en relación con todos los modos de vibración posibles de las estructuras excitadas que comprendan dichas zonas de separación.

Hillemeier et al. (DGZfP-Berichtsband 66 CD - Vortrag 3; Fachtagung Bauwerkdiagnose (Sociedad alemana de ensayos no destructivos, Acta 66 - CD, Conferencia 3; Simposio de diagnóstico de edificios), Munich, Alemania (21-22-01.1999) propone un dispositivo de análisis, accionable manualmente, usado para detectar desprendimientos en la superficie de enlucido de paredes de edificios. Este dispositivo incluye una fuente de impulsos piezoeléctrica (transductor), un receptor, un amplificador y un voltímetro. Los desprendimientos son excitados por la fuente con el fin de provocar su vibración, de modo que produzcan sonido en el aire, que, a su vez, sea convertido, mediante el receptor, en una señal de tensión.

El documento JP 60 213 862 A (resumen) describe un dispositivo usado para inspeccionar la condición de exfoliación de la superficie de una pared. Una sección de percusión, usada para percutir la superficie de la pared, es movida hacia arriba y hacia abajo merced a un sistema de polea de tracción. La sección de percusión incluye un detector que se mantiene a cierta distancia, a lo largo de la superficie de la pared, para detectar un sonido de impacto mediante un receptor.

W. A. Grandia et al. (1995 IEEE Ultrasonic Symposium, Proceedings 697-709 (1995)/Simposio de ultrasonidos de IEEE, Actas 697-709 (1995)) describe transductores de acoplamiento mediante aire en el contexto de aplicaciones no destructivas.

Para la detección de fisuras microscópicas en sólidos se consideran transductores piezoeléctricos que emitan frecuencias muy elevadas (de hasta 20 MHz).

X.M.Lu et al., 1990 IEEE Ultrasonic Symposium, Proceedings pages 1571-1574/Simposio de ultrasonidos de IEEE, 1990, Actas, páginas 1571-1574, describe una "Técnica Cepstro para la caracterización de estructuras con múltiples capas"/"Cepstro technique for multilayer structure characterization", destinada a una aplicación biomédica. Propone una "técnica Cepstro triple" para caracterizar medios de dos capas, que constituye un modelo razonable para paredes de vasos sanguíneos. El patrón resultante de grosor e impedancia podría ser útil para la detección y clasificación de placas, particularmente en las etapas iniciales.

El documento de R. Shankar et al. "Ultrasonic signal processing for multilayered NDE"/``Tratamiento de señales ultrasónicas para evaluaciones no destructivas de múltiples capas, "Review of progress in quantitative nondestructive evaluation"/"Análisis de los progresos en evaluación cuantitativa no destructiva" ilustra una aplicación del Cepstro para inspeccionar estructuras de bronce-caucho con una pequeña capa intermedia de resina epoxídica. El transductor y el espécimen se sumergieron en agua de acuerdo con la figura 2 del documento que muestra la disposición experimental.

Descripción de la invención

La técnica acústica propuesta por los inventores se diferencia de las mencionadas anteriormente en lo que se refiere al uso de un parámetro acústico diferente (el coeficiente de absorción de energía acústica) como indicador físico de las zonas de separación, y, también, en lo que se refiere al método, absolutamente no destructivo, de análisis de la pintura.

De hecho, la fuente acústica usada para excitar la superficie y el sensor que detecta la señal acústica reflejada por la misma, se posicionan a una distancia apropiada del fresco, sin necesidad de "tocarlo", mientras que se usan ondas acústicas de amplitud limitada. El nuevo método propuesto utiliza un sistema de tratamiento de señales apropiado que permite discriminar las débiles señales que indiquen la zona de desprendimiento de otro tipo de ruido.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se explicará ahora con fines ilustrativos y no limitativos, en relación con una realización particular de la misma, mostrada en los dibujos, en los que:

la figura 1 es una representación general, esquemática, del dispositivo para la detección de zonas de separación en frescos, de acuerdo con la presente invención;

la figura 2 es una vista, esquemática, que muestra la transmisión y la recepción de una señal acústica reflejada mediante un reflector;

la figura 3 muestra un ejemplo de obtención de una respuesta h(t-\tau) de impulsos a partir del denominado "Cepstro", C(t), de la señal;

la figura 4 es un gráfico de una secuencia de nueve señales Cepstro reales, obtenidas mediante una exploración de medición, a lo largo de un eje vertical, en una pared que comprende zonas de separación artificiales;

la figura 5 es una ilustración, esquemática, del microprograma introducido en el microprocesador del dispositivo de la presente invención, mostrado en la figura 1, destinado al tratamiento de señales;

la figura 6 es un mapa (representación bidimensional) de las zonas de separación existentes en una primera de tres estructuras murales preparadas en el laboratorio;

la figura 7 muestra la disposición de las zonas de separación, preparadas artificialmente en el laboratorio, junto con su configuración, de la estructura mural que dio lugar al mapa de la figura 6;

la figura 8 muestra el mapa de las zonas de separación de la segunda de las tres estructuras murales artificiales preparadas en el laboratorio, que presenta una única zona de separación central, circular, con un diámetro de 30 cm;

la figura 9 muestra el mapa de las zonas de separación de la tercera de las tres estructuras murales artificiales preparadas en el laboratorio, que presenta una única zona de separación central, circular, con un diámetro de 39 cm.

Mejor modo de poner en práctica la invención

El método y el dispositivo correspondiente para llevar a la práctica la detección y la realización del mapa de las zonas de separación se describirán con referencia al dibujo general, esquemático, de la figura 1. El dispositivo incluye dos partes separadas: la unidad (1) de transmisión/recepción de ondas acústicas, y un sistema (II) basado en un microprocesador destinado a la captación y el tratamiento de señales, para crear la imagen acústica de la zona de separación.

La unidad de transmisión/recepción comprende una fuente acústica S, indicada mediante 1, sintonizable con bandas de frecuencia apropiadas (véase la descripción siguiente, y, en particular, la figura 5), y un detector de banda ancha, M, indicado mediante 2, que recibe la señal acústica reflejada por la estructura que se esté analizando. La señal acústica reflejada es introducida en la unidad central de tratamiento del microprocesador, indicada mediante la referencia 3, que la trata adecuadamente de acuerdo con un método complejo basado en un algoritmo específico. Este tipo de tratamiento permite separar, perfectamente, las señales débiles que indiquen la absorción de sonido del ruido de fondo. Las señales obtenidas de esta manera se tratan adicionalmente con el fin de permitir la identificación automática, mediante el microprocesador, de las zonas de separación del fresco. De esta manera es posible obtener un mapa de dichas zonas de separación (figuras 6, 8, 9) merced a una correlación directa de las mismas con las "imágenes acústicas" de las anomalías de absorción de la energía acústica.

La fuente acústica 1 de impulsos genera una onda acústica merced a un generador 4 de ondas cuya señal se amplifica mediante el amplificador 5. La referencia 6 indica un reloj.

La señal del detector 2 de banda ancha se amplifica mediante un amplificador 7, y, después, se transmite a un filtro 8 de paso de banda y a la entrada de un convertidor 9 analógico/digital, y éste transmite una señal digital a la unidad central 3 de tratamiento.

Todo lo que se refiere a los equipos del dispositivo se muestra en la figura 1 mediante bloques rectangulares, mientras que la lógica se indica mediante partes ovales correspondientes.

La parte designada con 10 es el denominado "descriptor físico de desprendimiento" que se correlaciona con el coeficiente de absorción de energía acústica.

Dicho descriptor permite obtener la información relevante a partir de las distintas señales de medición y visualizarla en la pantalla 12 merced al procesador 11 de generación de imágenes.

El prototipo de laboratorio del dispositivo, usado para poner en práctica el nuevo método, funciona de la manera siguiente. La fuente acústica 1 que transmite la señal, y el receptor 2, se disponen en el mismo eje, perpendicularmente a la superficie de la pintura que se esté analizando, en un soporte que, a su vez, esté conectado con un bastidor de tipo X-Y (no mostrado); de esta manera es posible realizar la exploración paralelamente a dicha superficie, a lo largo de ejes vertical y horizontal, usando un pequeño motor eléctrico (no mostrado).

El aparato puede controlar electrónicamente el método de exploración más adecuado, y puede detectar las posiciones individuales ocupadas por el dispositivo transceptor, que corresponden a las zonas excitadas de la superficie de la pintura, y, además, puede captar, simultáneamente, la señal reflejada por dicha superficie. Pueden realizarse pruebas preliminares en ciertos puntos de la superficie de la pintura, antes de realizar la exploración propiamente dicha. La medición puede llevarse a cabo a una distancia apropiada de la superficie de la pintura, que, necesariamente, no está fijada de antemano, puesto que el aparato está calibrado de modo que pueda normalizarse cada medición en relación con cierta distancia predeterminada estándar. Una vez determinada, de modo aproximado, la posición de las zonas de la pintura que den lugar a absorción, se realiza una exploración a lo largo de ciertas líneas, de acuerdo con puntos que constituyan un patrón reticular predeterminado. De esta manera resulta posible conseguir un mapa de las zonas de separación existentes en toda la superficie de la pintura. La medición del valor absoluto del coeficiente de absorción es relativamente irrelevante, lo que interesa, en cambio, es su variación en relación con su valor mínimo, que corresponde a una zona de la pintura que da lugar a un valor de reflexión máximo. El microprocesador realiza esta comparación de manera automática, y el valor máximo del Cepstro se usa para normalizar los coeficientes de
absorción.

El aparato de tratamiento de señales acústicas de acuerdo con la presente invención hace uso de un método que toma como base el denominado algoritmo "Cepstro". Este algoritmo se empleó por primera vez en 1963 (Bogert, B.P., Healy, M.J.R., y Tukey, J.W., "Proceedings of Symposium on Time Series Analysis"/``Actas del Simposio de Análisis de series de tiempo, de Rosenblatt, M., (Editions), Wiley, N.Y., EE.UU. 1963, páginas 209-243) y se ha aplicado con éxito en el campo de la acústica submarina. El análisis de señales mediante el Cepstro se emplea en la presente invención como un punto de partida para el tratamiento de la señal que permita que el microprocesador reconozca automáticamente las zonas de separación en un fresco.

En lo que sigue, con el fin de destacar la importancia del método acústico innovador propuesto en relación con el método tradicional usado para la determinación del coeficiente de absorción acústica de estructuras sólidas, resultará apropiado describir ambos.

El enfoque preliminar en relación con la estructura a analizar es el mismo en ambos métodos. Una fuente acústica S de impulsos se posiciona a cierta distancia de dicha superficie, de tal manera que la onda directa recorra la distancia I_{1} y la onda reflejada la distancia I_{2} antes de llegar al receptor R (véase la figura 2).

La señal p(t) de presión acústica recibida por el micrófono, es la suma de la señal directa p_{d}(t) y la señal reflejada, modificada por la superficie, amortiguada como consecuencia de la mayor distancia que tiene que recorrer, y que, además, es retardada en el valor \tau.

En el dominio del tiempo esta señal puede expresarse, analíticamente, como sigue:

(1)p(t) = p_{d}(t) + \frac{I_{1}}{I_{2}} p_{d}(t) * h(t - \tau)

es decir, es la suma de la señal directa y la señal reflejada, pudiendo obtenerse ésta merced a la convolución de la señal p_{d}(t), "a la entrada" del reflector, con la respuesta h(t) de impulsos del reflector.

En el dominio de la frecuencia, al aplicar la transformada de Fourier, la fórmula (1) se convierte en

(2)P(f) = P_{d}(f) \left[1 + \frac{I_{1}}{I_{2}}H(f)e^{-i2\pi f \tau}\right]

Después de estas notas introductorias, puede procederse a la descripción de los dos diferentes métodos.

a) Método convencional, basado en la medición preliminar de la señal directa, p_{d}(t), y la de la señal reflejada
p_{r}(t)=p(t)-p_{d}(t).

La medición preliminar de la señal directa, p_{d}(t), (realizada usualmente en una cámara anecoica), permite obtener la señal reflejada p_{r}(t) restando p_{d}(t) de la señal compuesta detectada en el micrófono.

Luego, se calculan las transformadas de Fourier de p_{r}(t) y p_{d}(t), obteniéndose así P_{r}(f) y P_{d}(f), y, también, se calcula el coeficiente de reflexión, \rho(f), como la razón entre estos dos valores de medición

(3)\rho(f) = P_{r}(f) / P_{d}(f)

Por último, se obtiene el coeficiente de absorción, \alpha(f), mediante la fórmula

(4)\alpha(f) = 1 - \rho(f)

b) Determinación usando la técnica CEPSTRO

Este método presenta la considerable ventaja de permitir una medición in situ del coeficiente de absorción en situación de ambiente real de la estructura que tenga que analizarse, incluso en caso de superposición de las señales directa y reflejada, y/o cuando exista ruido de fondo. Ello no puede realizarse con el método convencional, ya que éste requiere una medición preliminar de p_{d}(t) en una cámara anecoica para conseguir resultados útiles.

Aunque la medición del coeficiente \alpha(f) de absorción de acuerdo con el método convencional ilustrado en el párrafo (a) anterior no presente problemas en caso de un artículo fabricado industrialmente (por ejemplo, un panel), que puede introducirse en una cámara anecoica con el fin de realizar las mediciones, en el caso de un fresco, obviamente, debe usarse un método que permita obtener la débil señal de reflexión, también, cuando exista ruido y/o superposición de p_{d}(t) y p_{r}(t), como se ha mencionado anteriormente.

\newpage

De acuerdo con el método Cepstro, se calcula el espectro de potencia de la señal elevando al cuadrado el valor absoluto de la fórmula (2) anterior, y determinando su logaritmo natural

(5)1n \arrowvert P(f) \arrowvert^{2} = 1n \arrowvert P_{d}(f) \arrowvert^{2} + 1n \left[1 + \frac{I_{1}}{I_{2}}H(f)e^{-i2\pi f \tau}\right] + 1n \left[1 + \frac{I_{1}}{I_{2}}H^{\bullet}(f)e^{+i2\pi f \tau}\right]

Los dos últimos términos de la ecuación (5) pueden expresarse mediante el desarrollo en serie del logaritmo natural

(6)1n(1 + z) = z - \frac{z^{2}}{2} + \frac{z^{3}}{3} - ...

Una vez sustituida esta expresión en la fórmula (5) anterior, se calcula la transformada inversa, obteniéndose, de ese modo, el denominado Cepstro de potencia

C(t) = C_{d}(t) + \frac{I_{1}}{I_{2}} h(t - \tau) - \left(\frac{I_{1}}{I_{2}}\right)^{2} \frac{1}{2} h(t - \tau) * h(t - \tau) + ...

(7){}\hskip2.3cm+ \frac{I_{1}}{I_{2}} h(-t - \tau) - \left(\frac{I_{1}}{I_{2}}\right)^{2} \frac{1}{2} h (-t - \tau) * h(-t - \tau) + ...

En la ecuación (7), C(t) es el Cepstro de la señal compuesta (señal directa más señal reflejada) y C_{d}(t) es el Cepstro de la señal directa. Los términos siguientes constituyen el efecto de la presencia del reflector en la señal recibida por el micrófono. Aparecen en momentos +\tau, -\tau, +2\tau, -2\tau, etc.

El término que aparece en el momento +\tau, prescindiendo del factor I_{1}/I_{2}, constituye la respuesta de impulsos del reflector. Al comparar la relación (7) con la relación (1), resulta evidente que el método Cepstro, simplemente, transforma el efecto producido por el reflector, una convolución, en una sencilla adición. Si la determinación del Cepstro se hace de tal manera que el término h(t-\tau) pueda distinguirse con facilidad de las otras contribuciones de la señal, dicho término puede obtenerse a partir del Cepstro y puede calcularse su transformada de Fourier con el fin de obtener H(f), es decir, el coeficiente de reflexión del reflector. Puesto que el término que contiene h(t-\tau) sigue al término C_{d}(t), es deseable que éste disminuya rápidamente con el fin de que llegue a ser insignificante en relación con el tiempo \tau. Para este efecto es necesario escoger apropiadamente la señal de la fuente 1.

La figura 3 muestra una manera esquemática simple de obtener la respuesta h(t-\tau) de impulsos a partir del Cepstro, C(t), de la señal, mientras que en la figura 4 se representan las señales reales en función del tiempo, obtenidas realizando una serie de mediciones (nueve) en un panel (una pared) de prueba con desprendimientos artificiales, realizado de la manera descrita en lo que sigue (véase el apartado: Pruebas realizadas en frescos artificiales). Pueden apreciarse absorciones de la señal Cepstro en la tercera curva (diagrama), empezando por arriba, y en la segunda y la tercera curvas empezando por abajo, correspondiendo todas ellas a zonas de separación (desprendimientos). Se ha ejecutado un programa para el tratamiento de señales, descrito en lo que sigue, a partir de señales de este tipo, con el fin de hacer que el microprocesador reconozca, automáticamente, las zonas de separación y la magnitud de su desprendimiento.

En cada posición de la superficie que tenga que analizarse, se determina, primero, un promedio de cierto número de determinaciones de la señal Cepstro (representándose cada una de ellas mediante una curva del tipo mostrado en la figura 4), y, después, se usa un filtro de lógica del tipo de pasa-bajos para reducir el ruido de fondo. Ello mejora la razón señal/ruido. Después, se aplica una ventana de tiempo muy estrecha en torno al valor medio de la cresta h(t-\tau), con el fin de obtener la información acerca de la intensidad de la señal reflejada contenida en ella (véase la figura 3). Este método se aplica a todos los puntos de la superficie a analizar, y los resultados obtenidos se normalizan tanto en relación con el valor máximo detectado del Cepstro como con una distancia predeterminada del dispositivo transceptor con respecto a dicha superficie. Los resultados obtenidos de esta manera pueden representarse mediante una matriz (nxm) cuyos elementos correspondan al valor de la respuesta h(t-\tau) de impulsos en cada punto del fresco. A continuación, se trata la información contenida en esta matriz mediante un programa de tratamiento de imágenes, de modo que pueda visualizarse en forma de "imágenes acústicas" del valor relativo de la absorción, como se muestra en las figuras 6, 8 y 9. Debe hacerse notar que en la figura 3 el número 13 señala el Cepstro de la señal directa ("Cepstro directo"), el número 14 indica la función ventana, y la curva 15 es la respuesta h(t-\tau) de impulsos.

La información relativa a la zona de separación, que puede obtenerse mediante el dispositivo, es de dos tipos distintos. El primer tipo de información se refiere a la extensión del desprendimiento, si se considera que éste es un sistema vibrante, como, por ejemplo, una membrana circular fijada por su borde, y esta información se ofrece mediante el mapa de absorción bidimensional del tipo mostrado en las figuras 6, 8 y 9.

El segundo tipo de información se refiere a la altura de la zona de separación (desprendimiento), que es el valor máximo de la distancia entre las dos interfaces del espacio libre formado dentro del desprendimiento. Esta altura está relacionada -siempre que otras condiciones no varíen- con la frecuencia de resonancia a la que se registre el valor máximo de la absorción, de acuerdo con una relación del tipo f(x)=k/(x\alpha), en la que f(x) es la frecuencia, x es la altura del desprendimiento, k y \alpha son parámetros que dependen de la velocidad del sonido en el aire, la densidad del aire, y el grosor y la densidad de la masa de enlucido desprendida.

La determinación de la altura de la zona de separación o desprendimiento requiere un análisis de la señal en diferentes bandas de frecuencia, para lo cual el dispositivo repite las mismas operaciones de tratamiento de la señal. Por tanto, resulta posible obtener una pluralidad de mapas, correspondiendo cada uno de ellos a la frecuencia dominante que caracterice la banda analizada. Mediante una comparación de los mapas, es posible obtener el valor relativo de la altura de cada desprendimiento a la frecuencia especificada. El resultado final es un mapa tridimensional que muestra la extensión del desprendimiento y su altura relativa máxima.

Este mapa tridimensional corresponde a una frecuencia bien definida que es la frecuencia de resonancia del desprendimiento, que da lugar a la absorción máxima de energía acústica. En los dibujos no se ha incluido un mapa tridimensional que sea una representación exacta de los desprendimientos; los dibujos muestran, solamente, mediante gradaciones de color diferentes (figuras 6, 8, 9), las alturas y las extensiones de los desprendimientos. La figura 5 es un dibujo general, esquemático, del microprograma introducido en el microprocesador, destinado al tratamiento de señales descrito en lo que antecede.

La parte superior de esta figura muestra, esquemáticamente, el proceso empleado para realizar un solo mapa bidimensional, que se repite para cada banda de frecuencia f_{1}, f_{2},...,f_{r}, como puede verse en la parte inferior de la misma figura, en la que se crea el mapa final de los desprendimientos en tres dimensiones.

En la figura 5, las tres flechas verticales indican cierto número de mediciones realizadas usando la misma señal de la fuente 1, el bloque 16 indica el promedio de tales señales (que corresponde a un único punto del "patrón reticular"), el bloque 17 indica el filtro de lógica mencionado anteriormente y el bloque 18 indica la determinación de la intensidad de cresta.

Después de haber determinado la matriz de nxm valores de cresta que correspondan al patrón reticular de los puntos de medición que hayan sido seleccionados previamente en el fresco, se visualiza (bloque 18') un mapa bidimensional del fresco, correspondiente a una única frecuencia. La visualización tridimensional del mapa de los desprendimientos se produce en el bloque 19.

Pruebas realizadas en frescos artificiales

Con el fin de mostrar la bondad del método propuesto por la presente invención, se realizaron en el laboratorio una serie de pruebas experimentales de modelos de desprendimiento con configuraciones geométricas simples, creados a partir de especímenes apropiados con particularidades estructurales similares a las de los frescos antiguos. Dichos desprendimientos artificiales se realizaron en tres paredes diferentes de igual superficie, (1,08 x 1,00 m^{2}), hechas con ladrillos de terracota.

Cada pared se trató de acuerdo con el procedimiento mencionado en lo que antecede, usado en el pasado previamente a la ejecución de un fresco, es decir, la aplicación en la superficie de la pared de un enfoscado ("arriccio") hecho de una mezcla de arena, cal viva, yeso anhidro, y dióxido de manganeso, en cantidades apropiadas. Los especímenes, fabricados usando los mismos ingredientes, y preparados por el Laboratorio di Restauro dell'Opificio delle Pietre Dure di Firenze, se unieron con dichas paredes merced a la misma composición de enlucido, y, después, se aplicó una segunda capa de mortero más fino ("intonachino") para cubrir toda la superficie de la pared.

La figura 6 muestra el mapa de desprendimientos obtenido para la primera de las tres estructuras murales disponibles en el laboratorio. Dicha figura muestra el resultado de una pluralidad de determinaciones del descriptor físico relacionado con el coeficiente de absorción de energía acústica, que se realizaron mediante el dispositivo acústico (mientras que el receptor se posicionó, aproximadamente, a 30 cm de la superficie analizada), merced a la exploración a lo largo de ejes paralelos a la pared. Se efectuaron diez mediciones a lo largo de cada línea o eje, con un paso de 10 cm, y en cada punto de medición se realizaron cinco captaciones de señales, determinándose, luego, el promedio de las mismas.

Este valor promedio se seleccionó como indicador de desprendimiento físico, relacionado con el coeficiente de absorción de energía acústica. De ese modo, se obtuvo un mapa del coeficiente de absorción empleando un grupo de diferentes escalas de grises, que incluían un color casi blanco, al que se asignó el valor 1 (absorción máxima), y el color negro, correspondiente al valor 0 (absorción mínima).

La figura 7 muestra las posiciones y las configuraciones de los especímenes (zonas de separación o desprendimientos) indicados mediante 20, 21, 22, que se fijaron en puntos apropiados de la primera pared artificial con el fin de crear dichos espacios libres. Las referencias 20' y 22' indican las secciones transversales de los especímenes 20 y 22, respectivamente. Merced al mismo procedimiento experimental resultó posible obtener los mapas de los desprendimientos de las dos estructuras artificiales restantes (figuras 8 y 9), en las que se posicionó, en el centro, respectivamente, un solo espécimen, de mayor tamaño que los precedentes y con un diámetro de 30 cm y 39 cm, respectivamente.

Puede observarse que en las tres estructuras citadas la absorción máxima se produce en la zona de desprendimiento o separación, aún cuando la distribución de la escala de grises no sea uniforme, en particular, en la proximidad de los bordes. Muy probablemente, ello se debe a una adherencia imperfecta de los bordes del espécimen, que puede producirse ya en el momento del posicionamiento del desprendimiento (artificial), o ser consecuencia de factores climáticos locales, como humedad o temperatura, que induzcan la separación del espécimen a lo largo de parte de su borde de conexión. Ciertamente, este último inconveniente se produjo en la estructura con el desprendimiento de 39 cm (figura 9), que se expuso a la inclemencia del tiempo. Por otro lado, el paso de exploración discreto y relativamente poco fino (grande), usado para el patrón de medición reticular durante este primer grupo de pruebas, limitó la resolución del dispositivo, pero ésta puede aumentarse aumentando apropiadamente el número de determinaciones en cada línea de exploración. Debe tenerse en cuenta, también, el hecho de que en los bordes de una estructura mural la medición resulta difícil, por la discontinuidad que existe en la proximidad de la interfaz ladrillo-aire, que, normalmente, no existe en frescos reales.

Se hizo, también, un intento de detección del desprendimiento usando el vibrómetro láser, con las mismas condiciones experimentales, es decir, excitando la superficie con la misma fuente acústica que antes, y con la misma intensidad, y analizando los modos de vibración en el sitio de las zonas de separación (desprendimientos), pero no se obtuvieron resultados útiles.

Aplicabilidad industrial

Los resultados experimentales obtenidos con el nuevo método en desprendimientos artificiales permiten extraer las conclusiones siguientes.

Los especímenes que simulan los desprendimientos se comportan como diafragmas o membranas elásticos susceptibles de vibrar de acuerdo con ciertos modos de vibración, y de absorber, a ciertas frecuencias, parte de la energía acústica que incida en ellos. El coeficiente de absorción de energía acústica se ha revelado como "el indicador físico" más apropiado para la detección del desprendimiento. El dispositivo propuesto por la invención es adecuado para realizar, in situ, en frescos auténticos, una detección y un mapa de los desprendimientos.

Obviamente, la presente invención no debe considerarse limitada a la realización descrita en lo que antecede.

Resulta evidente, por ejemplo, que podrían realizarse mediciones también en una pluralidad de puntos del fresco que no formen una "agrupación" nxm.

Además, el método anterior podría usarse, también, para realizar mediciones de cualquier tipo de señales reflejadas, es decir, no solamente de las obtenidas al posicionar la fuente 1 y el detector 2 en la misma línea o eje perpendicular al fresco.

Se ha señalado que las mediciones pueden realizarse usando un soporte de dispositivo conectado con un bastidor X-Y.

No obstante, en caso de una superficie no plana de la pared que soporte el fresco, el método descrito es aplicable, también, merced a la sustitución del bastidor X-Y por un soporte de exploración móvil adecuado.

Los resultados de las mediciones obtenidos mediante el presente dispositivo pueden almacenarse y visualizarse en la pantalla en un momento posterior.

La fuente acústica S puede emitir, también, una señal de banda ancha que incluya todas las frecuencias posibles útiles para excitar zonas de separación con cualesquiera extensión y altura. En este caso, en lugar de realizarse varias operaciones de exploración, cada vez en una banda de frecuencia diferente, sería suficiente una única operación de exploración, y el microprocesador obtendría a partir de ella los datos para el análisis espectral, de acuerdo con las bandas f_{1},...,f_{r} antedichas.

Claims (11)

1. Un método acústico no destructivo para la detección de desprendimientos en frescos y pinturas murales, por el que se realiza una exploración de un fresco o una pintura mural, empleando el método una fuente (1) acústica de impulsos, un detector (2) y medios (3, 10, 11, 12) de tratamiento de señales, posicionándose dicha fuente (1) acústica de impulsos y dicho detector (2) a una distancia predeterminada, distinta de cero, del fresco o de la pintura mural, comprendiendo el método los pasos siguientes:

(i)

la fuente acústica (1) de impulsos emite una onda acústica que es reflejada en un punto de la superficie del fresco o de la pintura mural, con el fin de permitir la detección de un posible desprendimiento merced a la excitación vibratoria de dicho desprendimiento, que actúa a modo de membrana, y, de ese modo, disipa parte de la energía acústica y reduce el valor de una señal reflejada obtenida a partir de la onda reflejada; comprendiendo dicha onda acústica emitida, bien

a)

una única frecuencia (f_{i}) de entre todas las frecuencias (f_{i},...,f_{r}) posibles susceptibles de excitar desprendimientos de cualesquiera extensión y altura posibles tanto en frescos como en pinturas murales, que en el caso de frescos y pinturas murales la emisión de la onda sónica se repite para todas las frecuencias (f_{i}; i=1,...,r) citadas susceptibles de excitar los desprendimientos en frescos y pinturas murales de cualesquiera extensión y altura posibles en dicho punto de la superficie del fresco o de la pintura mural, o bien

b)

una señal de impulsos de banda ancha que incluya todas las frecuencias (f_{1},...f_{r}) posibles susceptibles de excitar desprendimientos en frescos y pinturas murales de cualesquiera extensión y altura posibles, en cuyo caso no se repite la emisión de la onda sónica;

(ii)

el paso (i) anterior se repite en una pluralidad (mxn) de puntos de exploración, recibiéndose cada onda acústica emitida, una vez reflejada, mediante un detector (2) y tratándose merced a medios (3, 10, 11, 12) de tratamiento de señales;

(iii)

cada vez que se reciba una onda reflejada, dichos medios de tratamiento usan un algoritmo, preferiblemente un algoritmo Cepstro, con el fin de separar la señal reflejada P_{r}(t) de la onda reflejada, correspondiente a cierto valor de frecuencia, del ruido de fondo y de una señal directa P_{d}(t) que se desplace directamente desde la fuente (1) de impulsos al detector (2); y

determinándose y representándose la absorción de energía máxima, en cada punto de exploración, mediante un mapa bidimensional que muestre la extensión de los posibles desprendimientos.

2. Método acústico no destructivo según la reivindicación 1, por el que para cada punto de una pluralidad de puntos de medición, se obtiene un promedio de cierto numero de determinaciones de señal Cepstro, y, después, se usa un filtro de lógica para reducir el ruido de fondo, y, subsiguientemente, se aplica una ventana de tiempo muy estrecha en torno al valor promedio de la cresta h(t-\gamma) producida por la reflexión en el punto de medición respectivo, con el fin de obtener la información relevante acerca de la intensidad de la señal reflejada; normalizándose, entonces, los resultados obtenidos en relación con el valor máximo de las señales Cepstro detectadas, y usándose para crear un grupo de valores característicos de la absorción a una frecuencia especificada, útiles para determinar la extensión de dichos desprendimientos.

3. Método acústico no destructivo según la reivindicación 2, por el que los resultados obtenidos se normalizan automáticamente en relación con la distancia a la estructura que tenga que analizarse, de manera que sean independientes de la posición del detector (3) y de la fuente (2).

4. Método acústico no destructivo según las reivindicaciones 2 y 3, por el que el grupo (mxn) de puntos de medición o exploración viene dado por la intersección de un patrón reticular de líneas perpendiculares entre sí, de tal modo que el resultado de la medición pueda representarse mediante una matriz de nxm valores o elementos.

5. Método acústico no destructivo según cualquiera las reivindicaciones 2, 3 o 4, por el que dicho grupo de valores o matriz es usado por un programa de tratamiento de imágenes, con el fin de formar imágenes acústicas de la absorción relativa que representen la extensión bidimensional de los desprendimientos.

6. Método acústico no destructivo según las reivindicaciones 2, 3, 4 o 5, por el que la fuente (1) se sintoniza con varias bandas de frecuencia, y se determina el grupo de valores antes mencionados para cada frecuencia dominante, y a partir de una comparación de dichos grupos de valores, se obtiene el mapa tridimensional del desprendimiento, que proporciona la altura máxima del desprendimiento para cada punto de medición.

7. Método acústico no destructivo según las reivindicaciones 1 a 6, por el que el tratamiento de la señal p(t), es decir, la determinación de la señal Cepstro C(t) y todas las operaciones siguientes, se realiza mediante un microprograma introducido en un microprocesador.

8. Dispositivo de exploración no destructivo destinado a la exploración de pinturas murales y frescos mediante ondas acústicas y que funciona en modo de reflexión, que comprende

-

una primera parte (I) para la transmisión y la recepción de ondas acústicas y que incluye un transmisor (1) de ondas acústicas de impulsos y un detector (2) para el análisis, sin contacto, de pinturas murales y frescos, estando previsto el transmisor (1) de ondas acústicas de impulsos de modo que emita ondas acústicas en una banda de frecuencias susceptible de excitar todos los posibles desprendimientos, de cualesquiera extensión y altura, en pinturas murales y frescos, merced a la emisión, cada vez, de una única onda de frecuencia (f_{i}) en cada punto de la pintura o del fresco, o a la emisión, en el punto, de una señal de impulsos de banda ancha que incluya todas las frecuencias posibles susceptibles de excitar desprendimientos de cualesquiera extensión y altura tanto en pinturas murales como en frescos, y

-

una segunda parte (II), que incluye un microprocesador previsto para captar y tratar las señales recibidas con el fin de generar una imagen acústica de los desprendimientos que consista en un mapa bidimensional que muestre la extensión de posibles desprendimientos;

usando dicho microprocesador un microprograma para determinar la señal Cepstro C(t) a partir de la señal p(t) recibida por el detector (2) con el fin de separar una onda reflejada p_{r}(t) de la señal directa p_{d}(t), que se desplace directamente desde dicho transmisor (1) de ondas acústicas de impulsos al detector (2), y del ruido de fondo; usando dicho microprocesador el mismo microprograma para determinar, en una pluralidad de puntos (mxn) de exploración de la pintura o del fresco, la absorción de energía máxima que corresponda a una frecuencia particular, y para asignar a esta absorción de energía máxima una gradación de color que corresponda al valor de dicha absorción de energía máxima, que, entonces, se representa en un mapa bidimensional que muestre la extensión de posibles desprendimientos.

9. Dispositivo según la reivindicación 8, en el que la fuente acústica (1) y el detector (2) se montan en un bastidor que permita una exploración, en dos direcciones X-Y, de la estructura que tenga que analizarse, disponiéndose dicho detector (2) y dicha fuente acústica (1) de impulsos, además, en el mismo eje ortogonal a la superficie de la estructura.

10. Dispositivo según la reivindicación 9, en el que después de algunas mediciones preliminares, el método de exploración que se considere más apropiado se controla electrónicamente, detectando, cada vez, la posición ocupada por la fuente (1) y el detector (2), y ejecutando, simultáneamente, la captación de la señal reflejada.

11. Dispositivo según la reivindicación 8, en el que está prevista una unidad (12) de presentación para presentar visualmente mapas bi y tridimensionales de imágenes acústicas.