PT1190243E - Método e dispositivo acústico para a determinação não destrutiva de separações em pinturas murais - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "MÉTODO E DISPOSITIVO ACÚSTICO PARA A DETERMINAÇÃO NÃO DESTRUTIVA DE SEPARAÇÕES EM PINTURAS MURAIS"

Campo Técnico A presente invenção refere-se a um método e um dispositivo adequado à obtenção de um mapa (representação gráfica bidimensional) da extensão e da quantidade de separações (zonas de separação) em frescos e geralmente em pinturas murais, a fim de estimar os danos causados pelas condições climáticas (e. g. flutuações de temperatura, humidade) a tais obras de arte. Mais especificamente, a presente invenção refere-se a um método e dispositivo para a análise não invasiva ou não destrutiva das zonas de separação, isto é, de modo a evitar a danificação de uma obra de arte. Técnica Anterior A investigação relacionada com a detecção e determinação da quantidade de separações em frescos é um dos problemas mais urgentes e difíceis no campo da conservação e do restauro de obras de arte (ver Danti C., Matteini M., Moles, Le pitture muralif Tecniche, Problemi, Conservazione, Centro di Edit., Firenze, 1990). A necessidade de lidar com um tal problema de um modo sistemático e cientificamente válido é sentida ainda mais se se considerar que a presença de frescos no património artístico italiano é muito notável, tanto em relação à 1 quantidade de peças como ao valor destas obras primas que são únicas no seu género. Para melhor definir o problema em causa é útil lembrar, resumidamente, o tipo de processa que foi utilizado na criação de um fresco antigo. Numa camada de gesso calcinado bruto chamado de "arriccio" (camada flutuante) era aplicada uma camada de gesso calcinado mais fina sobre a qual o artista esboçava o seu desenho e, finalmente, era aplicada uma camada final de gesso calcinado ("intonachino" ou "acabamento de gesso calcinado") que era fabricada com argamassa de assentamento muito fina e esta última era pintada enquanto estava ainda fresca. A expressão "zona de separação" ou separação num fresco significa a falta de aderência da camada flutuante à estrutura de parede subjacente e/ou ao acabamento de gesso calcinado ("intonachino") que dá azo, devido à permeabilidade do material, ao surgimento de bolhas de ar cujas formas e dimensões variam consideravelmente. Na maioria dos casos, a razão para esta situação é um excesso de humidade no ar na proximidade do fresco. Na ausência de um trabalho de restauro adequado, podem surgir fissuras e a separação completa de partes da superfície pintada. A técnica mais utilizada pelos restauradores para a detecção de zonas de separação em frescos é uma técnica empirica e muito invasiva (destrutiva), chamada "hammer", que se traduz em dar pancadinhas na superfície do fresco ou na superfície da estrutura da parede enquanto se escuta para detectar a diferença no som emitido pelos mesmos. A um nivel internacional, os problemas acima mencionados dizem respeito ao património mais geral de pinturas murais que incluem também obras de arte que não são antigas. Mesmo que este problema pareça não ter a mesma importância que tem na Itália, 2 existem países na Europa, como a França, Alemanha, Áustria e a Grécia, onde a necessidade de realizar diagnósticos precisos sobre os frescos é tão urgente quanto na Itália. Entre as técnicas científicas não destrutivas a única que é actualmente adequada a dar alguma informação sobre a presença de zonas de separação em frescos é a chamada "termovisão" (ver Segai, Y., et ai., Research Techniques in Nondestructive testing, Edit. R. S. Sharpe, Acad. Press., Nova Iorque, 1977), que, todavia, dá frequentemente resultados que são difíceis de compreender. Para além disto, os seus instrumentos complexos que não são fáceis de utilizar e o seu custo muito alto limitam consideravelmente a utilização desta técnica.

As tentativas destinadas a proporcionar - neste campo técnicas alternativas que pudessem substituir a termovisão, e em particular, as técnicas acústicas, não têm alcançado, até ao momento, resultados satisfatórios. Um exemplo destas tentativas é dado pela técnica "ecoespectográfica" apresentada primeiro em "Un progetto per Piero delia Francesca" (Matteini M. , et al., 1989, Indagini diagnostico-conoscitive per la conservazione delia Leggenda delia Vera Croce e delia Madonna del Parto, Alinari, Firenze) , mas não são conhecidos resultados positivos a este respeito nem para aplicações referentes a espécimes nem para as dos verdadeiros frescos.

Uma outra técnica mais recente baseada num sistema de vibrómetro que mede a função da resposta de frequências, "aceleração/força" ou inertância, parece ter alcançado algum resultado útil em espécimes apropriados sob condições ideais de isolamento em laboratório, mas ainda não foram realizadas experiências em verdadeiros frescos (ver Mannaioli A., 1992,

Progetto e realizzazione di un sistema vibrometrico per 3 1'identificazione di distacchi negli affreschi", Tesi di laurea, Fac. Ingegneria, Università "La Sapienza", Roma, 1991/1992). Na verdade, as duas técnicas acústicas acima mencionadas, não considerando os resultados em laboratório que têm sido por elas obtidos, têm a grave limitação de não poderem ser classificadas como sendo não destrutivas.

Na verdade, estas requerem que a pintura seja fisicamente "atingida" por meio de uma fonte mecânica a fim de excitar a estrutura em análise e seja "tocada" por sensores responsáveis pela detecção da resposta acústica.

No que diz respeito à técnica que utiliza um vibrómetro a laser, foi verificado que a mesma é muito útil no estudo dos modos vibratórios de estruturas devido ao facto de ser totalmente independente do ruido ambiente, todavia, o progresso efectivo da investigação não permite a utilização da análise modal isolada a fim de discriminar, de um modo univoco, as ressonâncias das zonas de separação entre todos os possíveis modos vibratórios das estruturas excitadas que compreendem as referidas zonas de separação. 0 documento de Hillemeier et al. (DGZfP-Berichtsband 66 CD - Vortrag 3; Fachtagung Bauwerkdiagnose, Muenchen (21— 22.01.1999)) sugere um dispositivo de teste de operação manual utilizado para detectar as zonas de separação na superfície de gesso calcinado das paredes dos edifícios. Este dispositivo inclui uma fonte de impulsos piezoeléctrica (transdutor), um receptor, um amplificador e um voltímetro. As zonas de separação são excitadas pela fonte para provocar a sua vibração de modo a dar origem a sons no ar que, por sua vez, são convertidos pelo receptor num sinal de voltagem. 4 0 documento JP 60213862 A (resumo) revela um dispositivo que é utilizado na inspecção da condição de descasque de uma superficie de uma parede. Uma secção de pressão, utilizada para percutir a superficie da parede é deslocada para cima e para baixo por acção de um sistema de tracção por roldana. A secção de percussão inclui um detector que é levantado ao longo da superficie da parede para detectar com um receptor os sons dos impactos. O documento de W.A. Grandia et ai. (1995, IEEE Ultrasonic Symposium, Proceedings 697-709 (1995)) revela transdutores acoplados por ar no contexto de aplicações de NDE.

Os transdutores piezoeléctricos que emitem frequências muito altas (até aos 20 MHz) são considerados para a detecção de falhas microscópicas em sólidos. O documento de X.M. Lu et ai.; 1990 IEEE Ultrasonic Symposium, Proceedings páginas 1571-1574 revelam um "Cepstrum technique for multilayer structure characterization", no âmbito de uma aplicação biomédica. Aquele propõe uma "triple Cepstrum technique" para caracterizar materiais com duas camadas o que é um modelo razoável para as paredes dos vasos sanguíneos. Os resultantes padrões de espessura e de impedância podem ser úteis na detecção e na classificação das plaquetas, em particular nas fases iniciais. O documento de R. Shankar et al. "Ultrasonic signal Processing for multilayered NDE", em "Review of progress in quantitative nondestructive evaluation" ilustra uma aplicação do Cepstrum para inspeccionar estruturas de bronze-borracha que tenham entre elas uma pequena camada de epóxido. O transdutor e 5 o espécime foram imersos em água de acordo com a Fig. 2 daguele documento mostrando a disposição da experiência.

Descrição da Invenção A técnica acústica proposta pelos requerentes é diferente das que estão acima mencionadas, em relação à utilização de um parâmetro acústico diferente (o coeficiente de absorção da energia acústica) como indicador fisico das zonas de separação e, além disto, em relação a um método de análise da pintura totalmente não destrutivo.

Na verdade, a fonte acústica utilizada para excitar a superfície e o sensor que detecta o sinal acústico reflectido pela mesma, são ambos posicionados a uma distância apropriada afastada do fresco, sem necessitar de o "tocar", sendo também utilizadas ondas acústicas de amplitude limitada. 0 novo método proposto utiliza um sistema de processamento de sinais apropriado que permite a discriminação dos sinais fracos indicando a zona de separação, dos outros ruidos.

Breve Descrição dos Desenhos A presente invenção será agora descrita a titulo ilustrativo e não limitativo fazendo referência a uma sua forma de realização particular, que é mostrada nos desenhos, em que: 6 A Fig. 1 é uma representação geral esquemática do dispositivo de detecção das zonas de separação em frescos de acordo com a presente invenção; A Fig. 2 é uma vista esquemática que ilustra a transmissão e a recepção de um sinal acústico reflectido por um reflector; A Fig. 3 mostra um exemplo da extracção da resposta de impulso h(t-i) iniciada a partir do chamado "Cepstrum", C (t), do sinal; A Fig. 4 é um gráfico de uma sequência de nove sinais de Cepstrum que foram obtidos por uma exploração de medições feita ao longo de um eixo vertical numa parede que compreendia zonas de separação artificiais; A Fig. 5 é uma ilustração geral esquematizada do firmware inserido no microprocessador do dispositivo da presente invenção que é mostrado na Fig. 1 e que é responsável pelo processamento de sinais; A Fig. 6 é um mapa (representação bidimensional) das zonas de separação presentes numa primeira de três estruturas murais preparadas em laboratório; A Fig. 7 mostra a disposição das zonas de separação que foram artificialmente preparadas em laboratório juntamente com a sua configuração para a estrutura mural que deu origem ao mapa da Fig. 6; 7 A Fig. 8 mostra o mapa das zonas de separação na segunda das três estruturas murais artificiais realizadas em laboratório, tendo uma única zona de separação central circular com um diâmetro de 30 cm; A Fig. 9 mostra o mapa das zonas de separação na terceira das três estruturas murais artificiais produzidas em laboratório, tendo uma única zona de separação central circular com um diâmetro de 39 cm.

Melhor Forma de Realização da Invenção O método e o respectivo dispositivo para efectuar a detecção e realização do mapa das zonas de separação será descrito fazendo referência ao desenho geral esquemática da Fig. 1. O dispositivo inclui duas partes distintas: a unidade (I) de transmissão/recepção da onda acústica e um sistema (II) baseado num microprocessador que tem uma função de obtenção do sinal e de processamento do sinal, de modo a produzir a imagem acústica da zona de separação. A unidade de transmissão/recepção compreende uma fonte S acústica, referenciada pelo número 1, que é passível de ser sintonizada em bandas de frequência apropriadas (ver a descrição que se segue e, em particular, a Fig. 5) e um detector M de banda larga, referenciado pelo número 2, que recebe o sinal acústico reflectido pela estrutura em análise. O sinal acústico reflectido é dado como entrada na CPU do microprocessador, referenciado pelo número 3, que o processa adequadamente de acordo com um método complexo baseado num algoritmo específico. Este tipo de processamento permite a separação perfeita dos sinais fracos, que indicam a absorção acústica, do ruido de fundo. Os sinais assim obtidos são ainda processados de modo a permitir o reconhecimento automático das zonas de separação do fresco por parte do microprocessador. Desta maneira, é possível produzir um mapa das referidas zonas de separação (Figs. 6, 8, 9) através de uma correlação directa destas últimas com as "imagens acústicas" das anomalias de absorção da energia acústica. A fonte 1 de impulsos acústicos gera uma onda acústica que é obtida por meio de um gerador 4 de ondas cujo sinal é amplificado pelo amplificador 5. 0 número 6 refere-se a um relógio. 0 sinal do detector 2 de banda larga é amplificado por um amplificador 7, em seguida enviado para um filtro 8 de banda de passagem e para a entrada de um conversor 9 analógico para digital e este último transmite um sinal digital à CPU 3.

Tudo o que está relacionado com o hardware do dispositivo está ilustrado na Fig. 1 por blocos rectangulares enquanto que o software está representado pelas correspondentes partes em forma oval. A parte indicada por 10 é o chamado "descritor fisico da separação" que tem uma correlação com o coeficiente de absorção da energia acústica. 9

Este permite a extracção da informação relevante vinda dos vários sinais de medição e a sua visualização no ecrã 12 por meio do processador 11 de imagens. 0 protótipo laboratorial do dispositivo utilizado para realizar o novo método funciona da seguinte maneira. A fonte 1 acústica que transmite o sinal e o receptor 2 são dispostos ao longo do mesmo eixo, perpendicularmente à superfície da pintura em análise, num suporte que está, ele próprio, conectado a uma estrutura do tipo X-Y (não mostrada); desta maneira, é possível realizar a exploração paralelamente à referida superfície, ao longo dos eixos vertical e horizontal, utilizando um motor eléctrico de pequena dimensão (não mostrado). 0 aparelho pode controlar electricamente o método de exploração mais adequado e pode detectar as posições individuais ocupadas pelo dispositivo de transmissão/recepção, correspondendo às zonas excitadas da superfície da pintura, além disto, aquele pode obter simultaneamente o sinal reflectido por esta última. Testes preliminares podem ser realizados em certos pontos da superfície da pintura antes da realização da exploração propriamente dita. A medição pode ser realizada a uma distância apropriada da superfície da pintura, que não está necessária e antecipadamente fixada, uma vez que o aparelho é calibrado de modo a normalizar cada medição em relação a uma certa distância padrão predeterminada. Uma vez determinada aproximadamente a posição das zonas na pintura que dão origem à absorção, é realizada uma exploração ao longo de linhas de acordo com os pontos que constituem um padrão reticular predeterminado. Desta maneira, é possível a obtenção de um mapa das zonas de separação presentes na totalidade da superfície da pintura. A medição do valor absoluto do coeficiente de absorção 10 é relativamente irrelevante, em vez disto, o interesse reside na variação deste último em relação ao seu valor minimo, o qual corresponde a uma zona da pintura que dá origem a um valor máximo de reflexão. 0 microprocessador efectua automaticamente está comparação e o valor máximo do Cepstrum é utilizado para normalizar os coeficientes de absorção. 0 aparelho de processamento do sinal acústico de acordo com a presente invenção utiliza um método que é baseado no chamado algoritmo de "Cepstrum". Este último foi utilizado pela primeira vez em 1963 (Bogert, B.P., Healy, M.J.R., e Tukey, J.W., em Proceedings of Symposium on Time Series Analysis de Rosenblatt, M., (Ed.), Wiley, N.Y., 1963, páginas 209-243) e tem sido aplicado com sucesso no âmbito da acústica subaquática. A análise do sinal por meio do Cepstrum é adoptada na presente invenção como ponto de partida para o tratamento do sinal que permite ao microprocessador reconhecer automaticamente as zonas de separação num fresco.

Na descrição que se segue e com a finalidade de reforçar a importância do método acústico inovador proposto quando comparado com o método tradicional utilizado na determinação do coeficiente de absorção acústica de estruturas sólidas, é apropriado descrever aqui ambos os métodos. A abordagem preliminar da estrutura a ser analisada é a mesma em ambos os métodos. Uma fonte S acústica impulsiva é posicionada a uma certa distância da referida superfície de uma maneira tal que a onda directa percorre a distância li e a onda reflectida percorre a distância I2 antes de chegar ao receptor R (ver a Fig. 2). 11 0 sinal p(t) de pressão acústica que é recebido pelo microfone é a soma do sinal Pd(t) directo e do sinal reflectido modificado pela superfície que é atenuado devido à maior distância a ser percorrida e é também atrasado na quantidade de τ .

No dominio dos tempos este sinal pode ser expressado analiticamente da seguinte maneira: P(t) = Pd(t) + I1/I2 Pd (t) * h(t-T) (1) isto é, é a soma do sinal directo e do sinal reflectido em que este último é passivel de ser obtido através da convolução do sinal Pd(t) "na entrada" do reflector com a resposta impulsiva h(t) do reflector.

No dominio de frequências, ao aplicar a transformada de Fourier, a fórmula 1 passa a: P (f) = Pd(f) [1 + I1/I2 H (f) e‘i2,lfT] (2)

Depois destas notas introdutórias pode-se proceder com a descrição dos dois métodos diferentes. a) 0 método convencional que depende da medição preliminar do sinal Pd(t) directo e do sinal reflectido pr(t)= p(t) - pd(t). A medição preliminar do sinal pd(t) directo (normalmente realizada numa sala anecóica) permite a obtenção do sinal pr(t) reflectido através da subtracção de pd(t) do sinal composto detectado no microfone. 12

Depois, são calculadas as transformadas de Fourier de pr(t) e de Pd(t) obtendo assim Pr(f) e Pd(f) e também é calculado o coeficiente de reflexão p(f) como sendo o rácio destes dois valores de medição p(f) = Pr(f) / Pd(f) (3)

Finalmente, obtém-se o coeficiente de absorção a(f) através da fórmula oí (f) = 1 - p(f) (4) b) Determinação utilizando a técnica de CEPSTRUM.

Este método tem a vantagem considerável de permitir a medição in situ do coeficiente de absorção em situações ambientais reais da estrutura a ser analisada mesmo na presença de uma sobreposição do sinal directo e do reflectido, e/ou na presença de ruido de fundo. Esta situação não pode ser realizada com o método convencional uma vez que este último requer, se se pretender obter resultados úteis, uma medição preliminar de pd(t) dentro de uma sala anecóica.

Embora a medição do coeficiente de absorção a(f), de acordo com o método convencional ilustrado no parágrafo (a) acima apresentado, não dá origem a qualquer tipo de problema no caso de um artigo fabricado industrialmente (e. g. um painel) que pode ser introduzido numa sala anecóica a fim de realizar as medições, é óbvio que no caso de um fresco tem de ser utilizado um método que permita a extracção do sinal de reflexão fraco 13 também na presença de ruído e/ou da sobreposição de pd(t) e de pr(t), conforme acima mencionado.

De acordo com o método de Cepstrum, o espectro de potência do sinal é calculado obtendo o quadrado do valor absoluto da fórmula (2) acima e obtendo o seu logaritmo natural ln | P (f) | 2 = ln | Pd (f) | 2 + ln[l + lx/l2 H(f)e‘i2,lfT] + ln [ 1 + Ιχ/12 H* (f)e+i2,lfT] (5)

Os últimos dois termos da equação (5) podem ser expressados pela expansão de série do logaritmo natural ln(l + z) = z - z2/2 + z3/3 - ... (6)

Após a substituição desta expressão na fórmula (5) acima é calculada a transformada inversa obtendo assim a chamada Cepstrum de potência C (t) = Cd(t) + 11/12 h(t-T) - (li/l2)2 1/2 h(t-T) *h(t-x) +... + I1/I2 h(-t-i) - (I1/I2)2 1/2 h(-t-i) *h (-t-i) +... (7)

Na equação (7), C(t) é o Cepstrum do sinal composto (o sinal directo mais o sinal reflectido) e Cd(t) é o Cepstrum do sinal directo. 0 termos que se seguem são o efeito da presença do reflector no sinal recebido no microfone. Eles aparecem nos tempos +t, -τ, +2τ, -2τ, etc. 0 termo que aparece no tempo +i, deixando de fora o factor I1/I2, é a resposta impulsiva do reflector. Ao comparar a relação 14 (7) com a relação (1), segue-se, obviamente, que o método de Cepstrum transforma simplesmente o efeito produzido pelo reflector, de uma convolução para uma simples soma. Se a determinação do Cepstrum for feita de um modo tal que o termo h(t-i) possa ser facilmente distinguido das outras contribuições do sinal, ele pode ser extraido do Cepstrum e a sua transformada de Fourier pode ser calculada a fim de obter H(f), isto é, o coeficiente de reflexão do reflector. Uma vez que o termo que contém h(t-i) vem a seguir ao termo Cd(t) é desejável que este último desvaneça rapidamente de modo a se tornar negligenciável na proximidade do tempo τ. Para este fim, é necessário escolher apropriadamente o sinal da fonte 1. A Fig. 3 mostra uma forma esquematizada simples de extracção da resposta impulsiva h(t-i) começando no Cepstrum, C(t) do sinal, enquanto que na Fig. 4 são apresentados os sinais reais, em função do tempo, que foram obtidos pela realização de uma série de (nove) medições num painel (parede) de teste contendo zonas de separação artificiais, realizadas de uma maneira mais adiante descrita (ver o parágrafo: testes realizados em frescos artificiais). As absorções do sinal de Cepstrum podem ser vistas no terceiro traço (diagrama) partindo do mais acima e no segundo e terceiro traço, partindo do traço mais em baixo, todos eles correspondendo a zonas de separação (separações). Começando com sinais deste tipo, um programa para o processamento do sinal - abaixo descrito - tem sido implementado a fim de levar o microprocessador a reconhecer automaticamente as zonas de separação e a quantificar o grau da sua separação.

Para cada posição da superfície a ser analisada é primeiro determinada uma média num certo número de determinações do sinal 15 de Cepstrum (cada uma delas sendo representado por um traço do tipo mostrado na Fig. 4) e, depois, um filtro de software do tipo passagem baixa é utilizado para reduzir o ruido de fundo. Esta situação melhora o rácio de sinal para ruido. Depois, é aplicada uma janela de tempo muito estreita em torno do valor médio do pico h(t-i) a fim de extrair a informação acerca da intensidade do sinal reflectido nele contido (ver a Fig. 3) . Este método é aplicado a todos os pontos da superfície a ser analisada e os resultados obtidos são normalizados, quer em relação ao valor máximo detectado do Cepstrum, quer a uma distância predeterminada do dispositivo de transmissão/recepção em relação à referida superfície. Os resultados obtidos desta maneira podem ser representados por uma matriz (nxm) cujos elementos correspondem ao valor da resposta impulsiva h(t-r) em cada ponto do fresco. A informação contida nesta matriz é então processada por um programa de processamento de imagens a fim de ser visualizado na forma de "imagens acústicas" do valor relativo da absorção, conforme mostrado na Fig. 6, Fig. 8 e Fig. 9. Deverá ser notado que na Fig. 3 o número de referência 13 se refere ao Cepstrum do sinal directo ("Cepstrum directo"), o número de referência 14 indica a função de janela e a curva 15 é a resposta impulsiva h(t-i). A informação referente à zona de separação que pode ser obtida por meio do dispositivo divide-se em dois tipos distintos. 0 primeiro tipo de informação refere-se à extensão da zona de separação se ela for considerada como sendo um sistema vibratório como, por exemplo, uma membrana circular fixada na sua zona limítrofe e esta informação é fornecida pelo mapa de absorção bidimensional do tipo mostrado nas Figs. 6, 8, 9. 16 0 segundo tipo de informação refere-se à altura da zona de separação (separações), isto é, o valor máximo da distância entre as duas interfaces da bolha de ar formada no interior da zona de separação. Esta altura está relacionada - desde que as outras condições permaneçam iguais - com a frequência de ressonância para a qual é gravado o valor máximo da absorção, de acordo com uma relação do tipo f (x) = k/ (xa) , em que f (x) é a frequência, x é a altura da zona de separação, k e α são parâmetros que dependem da velocidade do som em ar, da densidade do ar e da espessura e da densidade da massa do gesso calcinado separado. A determinação da altura da zona de separação requer uma análise do sinal em diferentes bandas de frequência para as quais o dispositivo repete as mesmas operações de processamento do sinal. É assim possivel a obtenção de uma pluralidade de mapas, cada um correspondendo à frequência dominante que caracteriza a banda analisada. A partir de uma comparação dos mapas é possível obter o valor relativo da altura de cada zona de separação numa dada frequência. 0 resultado final é um mapa tridimensional que mostra quer a extensão da zona de separação, quer o valor máximo da sua altura relativa.

Esta última corresponde a uma frequência bem definida que é a frequência de ressonância da zona de separação, dando origem à absorção máxima da energia acústica. Um mapa tridimensional que é uma representação exacta das zonas de separação não está incluído nos desenhos; este último apenas mostra em diferentes graduações de cor (Figs. 6, 8, 9) as alturas e as extensões das zonas de separação. A Fig. 5 é um desenho esquematizado geral da firmware inserida no microprocessador que realiza o processamento de sinais acima descrito. 17 A parte superior desta figura ilustra esquematicamente o processo adoptado para produzir um único mapa bidimensional que é repetido para cada banda de frequência fl, f2,..., fr, conforme pode ver-se na parte inferior da mesma figura, em que o mapa final das zonas de separação é construído em três dimensões.

Na Fig. 5 as três setas verticais indicam um certo número de medições realizadas utilizando o mesmo sinal da fonte 1, o bloco 16 indica a média dos referidos sinais (correspondendo a um único ponto do "padrão reticular"), o bloco 17 indica o filtro de software acima mencionado e bloco 18 indica a determinação do pico da intensidade.

Depois de ter determinado a matriz dos nxm valores de pico, correspondendo ao padrão reticular dos pontos de medição que foram previamente seleccionados no fresco, obter-se-á (bloco 18' ) um mapa bidimensional do fresco - relacionado com uma única frequência. A visualização tridimensional do mapa das zonas de separação ocorre no bloco 19.

TESTES REALIZADOS EM FRESCOS ARTIFICIAIS

Para mostrar a vantagem do método proposto pela presente invenção, foi realizada uma série de testes experimentais em laboratório sobre modelos de zonas de separação tendo formas geométricas simples, construídas a partir de espécimes apropriados tendo caracteristicas estruturais similares às dos frescos antigos. As referidas zonas de separação artificiais 18 foram produzidas em três paredes diferentes tendo áreas iguais (1,08 x 1,00 m2) fabricadas com tijolos de terracotta.

Cada parede foi tratada seguindo o processa acima mencionado que foi utilizado em tempos passados antes da criação de um fresco, isto é, a aplicação na superfície da parede de um gesso calcinado bruto ("arriccio") fabricado com uma mistura de areia, cal viva, gesso anidro e dióxido de manganésio em proporções apropriadas. Os espécimes fabricados utilizando os mesmos ingredientes e preparados pelo "Laboratorio di Restauro deli'Opificio delle Pietre Dure de Flrenze" foram fixados às referidas paredes por meio da mesma composição de gesso calcinado e foi depois aplicada uma segunda camada de argamassa de assentamento mais fina ("intonachino") que cobria a totalidade da superfície da parede. A Fig. 6 mostra o mapa das zonas de separação obtidas para a primeira das três estruturas murais disponíveis em laboratório. Aquela mostra o resultado de uma pluralidade de determinações do descritor físico relacionado com o coeficiente de absorção da energia acústica que foram realizadas pelo dispositivo acústico (enquanto o receptor foi colocado a cerca de 30 cm afastado da superfície analisada), através da exploração ao longo de eixos paralelos com a parede. As dez medições foram realizadas ao longo de cada linha ou eixo com um passo de 10 cm e em cada ponto de medição foram feitas cinco aquisições de sinal e obtida depois a sua média.

Este último valor foi escolhido como indicador da separação física estando relacionado com o coeficiente de absorção da energia acústica. Deste modo, foi obtido um mapa do coeficiente de absorção utilizando um conjunto de diferentes graduações de 19 cinzento incluindo uma cor quase branca à qual foi atribuído o valor de 1 (absorção máxima) e a cor preta correspondendo ao valor 0 (absorção minima). A Fig. 7 mostra as posições e as formas dos espécimes (zonas de separação) indicadas pelos números de referência 20, 21, 22, que foram fixados em pontos apropriados na primeira parede artificial a fim de criar as referidas bolhas. Os números de referência 20' e 22' indicam as secções transversais dos espécimes 20 e 22 respectivamente. Através do mesmo processo experimental foi possível produzir os mapas de zonas de separação das duas restantes estruturas artificiais (Figs. 8 e 9) nas quais foi colocado no seu centro um único respectivo espécime - tendo um tamanho maior que os anteriores e tendo respectivamente um diâmetro de 30 cm e 39 cm.

Pode ver-se que nas referidas três estruturas a absorção máxima ocorre na separação ou zona de separação, mesmo que a distribuição da graduação de cinzento não seja uniforme, particularmente na proximidade das arestas. Esta situação resulta provavelmente de uma aderência imperfeita das arestas do espécime que pode já estar presente no momento da colocação da zona de separação (artificial) ou pode ser uma consequência de factores climáticos locais, como a humidade ou a temperatura, induzindo a uma separação do espécime ao longo de uma parte da sua aresta de aderência. Esta última desvantagem ocorreu, sem dúvida, na estrutura que tem a zona de separação de 39 cm (Fig. 9) que foi exposta ao rigor do clima. Para além disto, o passo de exploração descontínuo e relativamente grosseiro (largo) que foi utilizado para o padrão reticular da medição neste primeiro conjunto de testes restringiu a resolução do dispositivo, todavia, esta última pode ser aumentada aumentando 20 apropriadamente o número de determinações para cada linha de exploração. Deverá também ser tido em conta o facto de nas arestas das estruturas murais a medição se tornar dificil devido à descontinuidade existente na proximidade da interface do tijolo com o ar, que está normalmente ausente nos frescos verdadeiros.

Foi também feita uma tentativa de detectar a zona de separação utilizando um vibrómetro a laser, nas mesmas condições experimentais, isto é, excitando a superfície com a mesma fonte acústica anteriormente utilizada e com a mesma intensidade e analisando os modos vibratórios no local das zonas de separação mas não foram daqui obtidos resultados úteis.

Aplicabilidade Industrial

Os resultados experimentais obtidos com o novo método em zonas de separação artificiais permitem tirar as seguintes conclusões.

Os espécimes de simulação das zonas de separação comportam-se como diafragmas ou membranas elásticas capazes de vibrar de acordo com certos modos vibratórios e de absorver, para certas frequências, parte da energia acústica a eles transmitida. 0 coeficiente de absorção da energia acústica revelou ser, ele mesmo, "o indicador físico" que é mais apropriado para a detecção da zona de separação. 0 dispositivo proposto pela invenção é adequado à realização, in situ, em frescos verdadeiros, de uma detecção e à produção de um mapa das zonas de separação. 21 É óbvio que a presente invenção não deverá ser interpretada como estando limitada à forma de realização ilustrativa acima descrita. É claro que, por exemplo, as medições poderiam também ser realizadas numa pluralidade de pontos no fresco que não forma uma "matriz" de nxm.

Para além disto, seria também possível utilizar o método acima descrito para realizar medições de qualquer tipo de sinais reflectidos, isto é, não só naqueles que são obtidos pela colocação da fonte 1 e do detector 2 na mesma linha ou eixo perpendicular com a superfície do fresco.

Foi referido que as medições podem ser realizadas utilizando um suporte de dispositivo que esteja conectado a uma estrutura de X-Y.

Todavia, no caso de uma superfície não plana da parede que contém o fresco o método acima descrito é também aplicável através da substituição da estrutura de X-Y por um suporte de exploração móvel adequado.

Os resultados das medições obtidos com o presente dispositivo podem ser armazenados e mais tarde visualizados no ecrã. A fonte S acústica pode também emitir um sinal de banda larga incluindo todas as frequências possíveis que são úteis à excitação das zonas de separação tendo qualquer extensão e altura. Neste caso, em vez de realizar várias operações de exploração, cada vez com uma banda de frequência diferente, será 22 suficiente uma única operação de exploração e o microprocessador obterá com as então daqui os dados para a análise espectral, de acordo bandas fl,... fr anteriormente referidas.

Lisboa, 29 de Novembro de 2006 23

Claims (11)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Método acústico não destrutivo para a detecção de zonas de separação em frescos e pinturas murais, em que é realizada uma exploração de um fresco ou uma pintura mural, em que o método utiliza uma fonte (1) de impulsos acústicos e um detector (2) e meios (3, 10, 11, 12) de processamento de sinais, a referida fonte (1) de impulsos acústicos e o detector (2) sendo ambos posicionados a uma predeterminada distância, não nula, do fresco ou da pintura mural, o método compreendendo os seguintes passos: i) a fonte (1) de impulsos acústicos emite uma onda acústica que é reflectida num ponto na superfície do fresco ou da pintura mural a fim de permitir a detecção de uma possivel separação através da excitação vibratória da referida separação que actua como uma membrana e dissipa assim parte da energia acústica e, com tal , reduz o valor de um sinal reflectido obtido a partir da onda reflectida; a referida onda acústica emitida compreendendo ou: a) uma única frequência (fi) entre todas as frequências (fi, . . ., fr) possíveis capaz de excitar as separações que tenham qualquer extensão e altura possíveis em frescos e pinturas murais, em que nos casos dos frescos e das pinturas murais a emissão da onda acústica é repetida para todas as referidas frequências (fi; i=l,..., r) capazes de excitar as separações nos 1 frescos e nas pinturas murais que tenham qualquer extensão e altura possíveis para o referido ponto na superfície do fresco ou da pintura mural, ou; b) um sinal de impulso de banda larga incluindo todas as frequências (fi, fr) possíveis capazes de excitar as separações em frescos e pinturas murais que tenham qualquer extensão e altura possíveis caso em que a emissão da onda acústica não é repetida; ii) o passo (i) anterior é repetido para uma pluralidade (mxn) de pontos de exploração, em que cada onda acústica emitida é recebida, após a reflexão, pelo detector (2) e é processada pelos referidos meios (3, 10, 11, 12) de processamento de sinais; iii) cada vez que é recebida uma onda reflectida, é utilizado pelos referidos meios de processamento de sinais um algoritmo, de um modo preferido, um algoritmo de Cepstrum a fim de separar o sinal reflectido Pr(f) da onda reflectida, correspondendo a um certo valor de frequência, do ruído de fundo e do sinal directo Pd(f) que se desloca directamente da fonte (1) de impulsos para o detector (2); e em que, para cada ponto de exploração a absorção máxima de energia é determinada e representada por um mapa bidimensional que mostra a extensão das possíveis zonas de separação. 2
2. 2. Método acústico não destrutivo de acordo com a reivindicação 1, em que para cada ponto de uma pluralidade de pontos de medição é determinada uma média de um certo número de determinações do sinal de Cepstrum e, depois, é utilizado um filtro de software para reduzir o ruido de fundo e, subsequentemente, é aplicada uma janela de tempo muito estreita em torno do valor médio do pico h(t~Y) produzido pela reflexão no respectivo ponto de medição a fim de extrair a informação relevante sobre a intensidade do sinal reflectido; sendo os resultados obtidos então normalizados em relação ao valor máximo dos sinais de Cepstrum detectados e sendo utilizados para formar um conjunto de valores caracteristicos da absorção numa frequência especificada que são úteis na determinação da extensão das referidas separações.
3. 3. Método acústico não destrutivo de acordo com a reivindicação 2, em que os resultados obtidos são automaticamente normalizados em relação à distância da estrutura em análise a fim de os tornar independentes da posição do detector (3) e da fonte (2).
4. 4. Método acústico não destrutivo de acordo com a reivindicação 2 e 3, em que o conjunto (mxn) de medições ou de pontos de exploração é a intersecção de um padrão reticular de linhas mutuamente ortogonais, de um modo tal que o resultado da medição é representado por uma matriz de nxm valores ou elementos.
5. 5. Método acústico não destrutivo de acordo com qualquer das reivindicações 2, 3 ou 4, em que o referido conjunto de valores ou matriz é utilizado por um programa de 3 processamento de imagens a fim de formar imagens acústicas da absorção relativa que representa a extensão bidimensional das separações.
6. Método acústico não destrutivo de acordo com a reivindicação 2, 3, 4 ou 5, em que a fonte (D é sintonizada em várias bandas de frequência e o conjunto de valores acima referido é determinado para cada frequência dominante e, da comparação do referido conjunto de valores, é obtido o mapa tridimensional da zona de separação que apresenta a altura máxima da zona de separação para cada ponto de medição.
7. 7. Método acústico não destrutivo de acordo com as reivindicações 1 a 6, em que o processamento do sinal p(t) que é a determinação do sinal C(t) de Cepstrum e de todas as operações seguintes é realizado por um firmware que está inserido num microprocessador.
8. 8. Dispositivo de exploração não destrutivo adequado à exploração de pinturas murais e de frescos com a ajuda de ondas acústicas e a operar no modo de reflexão, compreendendo: - uma primeira parte (I) para a transmissão e recepção de ondas acústicas e incluindo tanto um transmissor (1) de ondas acústicas impulsivas como um detector (2) para testar sem contacto as pinturas murais e os frescos, sendo o transmissor (1) de ondas acústicas impulsivas sendo disposto para emitir ondas acústicas numa banda de frequência apta a excitar todas as possíveis separações que tenham qualquer extensão e 4 altura nas pinturas murais ou nos frescos, quer pela emissão de cada vez de uma única onda de frequência (fi) em cada ponto da pintura ou do fresco, quer pela emissão no ponto de um sinal de impulso de banda larga incluindo todas as frequências possíveis capazes de excitar as separações que tenham qualquer extensão e altura nas pinturas murais ou nos frescos; e - uma segunda parte (II) incluindo um microprocessador disposto para obter e processar os sinais recebidos a fim de formar uma imagem acústica das separações constituída por um mapa bidimensional que mostra a extensão das possíveis separações; Utilizando o referido microprocessador um firmware para determinar o sinal C (t) de Cepstrum a partir do sinal p(t) recebido no detector (2) a fim de separar uma onda reflectida pr(t), quer do sinal pd(t) directo que se desloca directamente do referido transmissor (1) da onda acústica impulsiva para o detector (2), quer do ruído de fundo; o referido microprocessador utilizando o mesmo firmware a fim de determinar, para uma pluralidade de pontos (mxn) de exploração na pintura ou no fresco, a absorção máxima de energia correspondendo a uma frequência em particular e a fim de atribuir a esta absorção máxima de energia uma graduação de cor correspondendo ao valor da referida absorção máxima de energia, que é então apresentada num mapa bidimensional que mostra a extensão das possíveis zonas de separação. 5
9. 9. Dispositivo de acordo com a reivindicação 8, em que a fonte (1) acústica e o detector (2) são colocados numa estrutura que permite a exploração em duas direcções X-Y da estrutura a ser analisada; sendo o referido detector (2) e a referida fonte (1) de impulsos acústicos ainda dispostos ao longo do mesmo eixo ortogonal em relação à superfície da estrutura.
10. 10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, em que após algumas medições preliminares o método de exploração que for considerado o mais apropriado é controlado electronicamente, através da detecção, de cada vez, da posição ocupada pela fonte (1) e pelo detector (2) e efectuando simultaneamente a obtenção do sinal reflectido.
11. 11. Dispositivo de acordo com a reivindicação 8, em que é proporcionado um ecrã (12) para apresentar os mapas bidimensionais e tridimensionais das imagens acústicas. Lisboa, 29 de Novembro de 2006 6