Dysponent: Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera PAN
Kontakt: prof. dr hab. Łukasz Bratasz
Opis metody
Emisja akustyczna (EA) jest nieniszczącą metodą do śledzenia narastania pęknięć w strukturze materiału w wyniku deformacji zewnętrznej lub wewnętrznego naprężenia.
Metoda opiera się na monitorowaniu energii mechanicznej uwalnianej w postaci fal sprężystych podczas pękania struktury materiału poddanego deformacji. Energia ta przechodzi przez materiał w postaci ultradźwiękowych i słyszalnych fal dźwiękowych i mierzy się ją na powierzchni obiektu przy pomocy przetwornika piezoelektrycznego (mikrofonu). Dzięki cyfrowej rejestracji i przetwarzaniu poszczególnych zdarzeń EA w czasie rzeczywistym, metoda umożliwia nie tylko stałe monitorowanie propagacji pęknięć, ale i przewidywanie makro uszkodzeń, które poprzedza zauważalny wzrost poziomu aktywności EA.
Zastosowanie
W badaniach obiektów zabytkowych metoda znalazła zastosowanie do monitorowania uszkodzeń w obiektach wrażliwych na niekontrolowane zmiany temperatury i wilgotności względnej takich jak drewniane meble lub rzeźby. Metodę można opisać zarówno jako kontaktową, gdyż trzeba przymocować mikrofon do powierzchni obiektu, jak i pasywną, gdyż pomiar nie wymaga zewnętrznego bodźca, a sygnał pochodzi bezpośrednio z badanego obiektu.
Instrument
Badania wykonujemy zarówno przy użyciu komercyjnego systemu linWave (Vallen Systeme GmbH, Icking, Niemcy) jak również układu skonstruowanego i oprogramowanego przez nas. W obu przypadkach zasadniczym elementem układu jest mikrofon, (przed)wzmacniacz, procesor sygnału oraz komputer sterujący pomiarem. Stosujemy szerokopasmowe wielorezonansowe czujniki typu WD (Physical Acoustic Corporation, USA) i szerokopasmowe punktowe czujniki typu KRNBB-PCP (Steveco, KRN Services, Inc., USA) mające zakres częstotliwości do 1 MHz. Zazwyczaj w pomiarze używa się przynajmniej 2 mikrofonów, gdyż analiza korelacji czasowej zdarzeń EA pozwala na odfiltrowanie niepożądanego szumu lub tła w otoczeniu obiektów lub zakłóceń (głównie elektrycznych) w samym układzie pomiarowym.
Warunki badania
Konieczne jest zapewnienie dobrego kontaktu czujnika z monitorowanym obiektem. Prowadzący pomiary współpracują z konserwatorem odpowiedzialnym za ochronę obiektu, nad opracowaniem odpowiedniego systemu mocowania czujnika zależnego od specyfiki obiektu, monitorowanego miejsca i rodzaju wykorzystywanego czujnika. Rysunki 1 i 2 pokazują przykłady montażu czujników EA na elementach mebla i drewnianej rzeźby. Z uwagi na długi okres monitorowania obiektu (zazwyczaj roczny uwzględniający zmiany mikroklimatu w poszczególnych porach roku) cały system musi być na stałe zasilony z sieci elektrycznej. Wskazane jest również podłączenie układu do sieci internetowej, co umożliwia nieprzerwane, zdalne nadzorowanie systemu pomiarowego.
Rys. 1. Monitorowanie polichromowanej rzeźby drewnianej, Matka Boska z Dzieciątkiem z kościoła w Krużlowej Wyżnej, ok. 1410, Muzeum Narodowe w Krakowie
Rys. 2. Monitorowanie elementów drewnianego mebla, komoda, Francja, 1760-1765, Muzeum Wiktorii i Alberta w Londynie.
Format wyników pomiarów
Dysponent obiektu otrzymuje wyniki pomiarów w postaci wykresów zależności energii EA (przeliczonej na podstawie odpowiedniej kalibracji na przyrost długości monitorowanego pęknięcia) od czasu. W przypadku dostępności pomiarów parametrów mikroklimatu w otoczeniu monitorowanego obiektu, można uzyskać zależność propagacji pęknięcia od zmian wilgotności względnej (rys. 3) oraz uzyskać zależność skumulowanego rocznego przyrostu pęknięcia przypadającego na spadek/wzrost wilgotności względnej do danego poziomu.
Rys. 3. Zależność energii EA od wilgotności względnej w okresie spadku tego parametru w otoczeniu obiektu w zimie 2012 roku. Pomiary przeprowadzono dla szafy z Wrocławia, 1785, wystawionej w Galerii Rzemiosła Artystycznego Muzeum Narodowego w Krakowie. Przeprowadzono korelację emisji akustycznej ze zmianami wilgotności względnej wygładzonymi przez jednotygodniową średnią ruchomą (wykres czarny), gdyż uśrednienie uwypukla dłuższe tendencje zmiany wilgotności, dla których obserwuje się odpowiedź wilgotnościową relatywnie grubych elementów mebla.
Przykłady monitorowania zabytkowych obiektów drewnianych metodą EA można znaleźć w publikacjach:
Strojecki M., Łukomski M., Krzemień L., Sobczyk J., Bratasz Ł. (2014), Acoustic emission monitoring of an eighteenth century wardrobe to support a strategy for indoor climate management, Studies in Conservation, 59, 225–232.
Jakieła S., Bratasz Ł., Kozłowski R. (2007), Acoustic emission for tracing the evolution of damage in wooden objects, Studies in Conservation, 52, 101–109.