PICUS CONTACTLESS
Sommario
Il distacco dei rivestimenti architettonici, sia esso superficiale o a carico degli strati più profondi, è uno dei fenomeni più preoccupanti per la stabilità delle strutture antiche. Le cause sono spesso sinergiche e complesse ed è per questo che il rilevamento della presenza, della posizione e dell'estensione dei distacchi è una delle voci alla base dell'analisi dello stato di conservazione.
Tra le metodologie di indagine non distruttiva, la tecnica a ultrasuoni applicata attraverso l'uso di trasduttori parametrici si è rivelata molto promettente. Tuttavia, i dispositivi commerciali disponibili non sono progettati per la focalizzazione “fine” del fascio: lo spot risultante ha dimensioni dell’ordine dei centimetri, troppo ampio per consentire una diagnosi puntuale dei distacchi nei rivestimenti storici e peraltro tale fuoco è ottenibile solo a distanze elevate, per cui è a basso contenuto energetico.
L'uso del sistema diagnostico CONTACT-LESS PICUS (d’ora in poi CL-PICUS) si basa sulla messa a punto di un trasduttore parametrico focalizzato geometricamente o elettronicamente, che permette di ottenere fasci con aree focali dell'ordine dei millimetri, a distanze relativamente piccole dal dispositivo radiante. Questa caratteristica permette di implementare la tecnica della misurazione della risposta impulsiva nella gamma audio ed estrarre la riflettività acustica del punto superficiale in esame senza necessità di contatto. Inoltre l'intera strumentazione è facilmente trasportabile e utilizzabile in situ anche in difficili condizioni operative.
Stato dell’arte
In due recenti articoli [1, 2], abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare una tecnica che non dipende dalla sensibilità dell'operatore che esegue l'analisi, con risultati incoraggianti. D'altra parte, l'analisi proposta in [1] è ancora un'analisi a contatto e per alcune superfici difficilmente raggiungibili dall’operatore umano questo tipo di analisi è impossibile da eseguire.
Al fine di ottenere risultati identici senza toccare la superficie in esame, abbiamo pensato di utilizzare una tecnica acustica molto interessante, già utilizzata parzialmente da altri gruppi di ricerca [3, 4], che utilizza un array parametrico.
Come è noto, l'audio parametrico utilizza campi ultrasonici modulati a frequenze udibili per creare effetti audio altamente direzionali sfruttando il fenomeno del “suono dagli ultrasuoni”. La direttività del fascio è regolata dalla frequenza ultrasonica e il suono viene udito grazie agli effetti non lineari del mezzo trasmissivo [6]. L'array piatto di trasduttori 8×8 mostrato in fig. 1 è stato alimentato dall'uscita di un amplificatore audio. Ciò equivale ad applicare una modulazione AM al segnale portante di banda piuttosto limitata (5-6 kHz).
Il risultato è la generazione di un suono udibile nel fuoco del fascio ultrasonico emesso dall'array. Per impostazione predefinita, l'output dell'array ha un ritardo di fase diverso per ciascuno dei 64 trasduttori dell'array per orientare elettronicamente un punto focale durante la riproduzione dell'audio.
Array parametrico (64 elementi) realizzato dal gruppo di ricerca a scopo dimostrativo: sul retro l’elettronica di controllo delle fasi e la scheda di alimentazione, il tutto alimentato da un amplificatore audio.
Soluzione sperimentale: l'altoparlante parametrico focalizzato
La differenza sostanziale rispetto ai metodi ampiamente discussi in letteratura è l'uso di un array parametrico focalizzato: questo permette di ottenere la focalizzazione del fascio acustico nell’udibile in uno spot di pochi millimetri, a piccola distanza dalla superficie dell'array stesso.
Abbiamo generato un punto focale a 14 cm di distanza dall'array, in posizione centrale, senza alcuna possibilità di orientamento del fascio, non richiesto in questa applicazione.
Come si può vedere dalla fig. 2, a questa distanza la larghezza dell'area focale (lo “spot” focale) è teoricamente circa 7 mm in diametro per un trasduttore di 80 mm di lato.
Quest'area è sufficientemente utile per l'applicazione proposta, ma uno degli obiettivi di questo progetto di ricerca è di minimizzarla per ottenere un'area focale con un diametro di 3-4 mm, ben proporzionato rispetto ai problemi che il metodo vuole risolvere.
Inoltre, dalla fig. 2 si può dedurre che il diametro dello spot del fascio per un trasduttore parametrico non focalizzato (con l’antenna delle stesse dimensioni) è superiore a 50 mm a 1,5 m di distanza dal bersaglio (distanza di Rayleigh), che è la distanza alla quale il fascio acustico è ben formato. Da questo confronto si evince che l'uso di un array parametrico non focalizzato può essere utilizzato a partire da una distanza elevata dal bersaglio (con una conseguente diminuzione dell'energia disponibile) rispetto al corrispondente trasduttore focalizzato, e lo spot acustico utile è quasi dieci volte più grande in termini di dimensioni, il che si traduce in un'evidente perdita di risoluzione nell'analisi della superficie [9].
Larghezza focale teorica per un trasduttore parametrico focalizzato rispetto a un trasduttore parametrico non focalizzato (entrambi con lato di 80 mm, 42 kHz).
Utilizzando un array fasato (Fig. 1) detto anche “antenna”, il fascio ultrasonico può essere focalizzato e orientato elettronicamente verso una regione specifica dello spazio (steering), variando la fase di ciascun trasduttore dell'antenna; nel caso in cui invece si utilizza una antenna con fuoco geometrico fisso (per esempio un array parabolico o a settore circolare) il fascio è focalizzato in un sol punto cioè il fuoco geometrico dell’antenna stessa e questo permette di avere sistemi molto più semplici ed efficienti da un punto di vista dell’hardware elettronico da implementare, anche se per orientare l’array in una regione dello spazio occorre spostare fisicamente l’antenna.
Entrambi i sistemi richiedono solo l’elettronica di trasmissione e utilizzano larghezze di banda strette centrate sulla frequenza portante ultrasonica (40-42 kHz). Come riportato in [5], si può utilizzare una semplice modulazione di ampiezza (AM) del segnale portante con l’audio che occorre focalizzare nel fuoco oppure si possono utilizzare modulazioni maggiormente efficienti [9]. Il suono udibile modulato in una portante ultrasonica verrà auto-demodulato lungo il fascio altamente direttivo a causa della non linearità dell'aria. Questa demodulazione, per sua natura “non lineare”, andrebbe compensata mediante processi di preparazione del segnale per ridurre la distorsione audio e infatti negli ultimi anni sono state sviluppate diverse tecniche di modulazione di ampiezza atte allo scopo [9]. Tuttavia, alcuni studi sono solo teorici mentre altri non analizzano in profondità la distorsione audio.
Bibliografia
- F. Mariani, A. S. Savoia, G. Caliano, “An innovative method for in situ monitoring of the detachments in architectural coverings of ancient structures” in Journal of Cultural Heritage n. 42 (2020) pp. 139–146.
- F. Mariani, M. Lo Giudice, A. Salvini, S. Borghini, G. Caliano, “Detachments detection at the ‘Grand Stairway’ in the Room 38 of the Domus Aurea using the PICUS system” in Journal of Cultural Heritage n. 77, (2025), pp. 81-86,
- P. Calicchia, S. De Simone, L. Di Marcoberardino, J. Marchal, “Near- to far-field characterization of a parametric loudspeaker and its application in non-destructive detection of detachments in panel paintings” in Applied Acoustics n. 73 (2012) pp. 1296–1302.
- A. Marzo, T. Corkett, B. W. Drinkwater, “Ultraino: An Open Phased-Array System for Narrowband Airborne Ultrasound Transmission” in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, (2018) Jan, vol. 65, n. 1, pp. 102-111
- F. J. Pompei, “The use of airborne ultrasonics for generating audible sound beams,” in Proc. Audio Eng. Soc. Conv., vol. 105. 1998, paper 4853
- A. Farina, “Simultaneous measurement of impulse response and distortion with a swept-sine technique”, 110th AES Convention, paper n. 5093, Paris, February 2000
- A. Farina, “Advancements in impulse response measurements by sine sweeps”, 122th AES Convention, paper n. 7121, Vienna, May 2007
- R. San Martín, P. Tello, A. Valencia, A. Marzo Experimental Evaluation of Distortion in Amplitude Modulation Techniques for Parametric Loudspeakers, Appl. Sci. 2020, 10, 2070; doi:10.3390/app10062070
- G. Caliano: “A contact-less method for monitoring the detachments in the architectural coverings of ancient structures by using Ultraino”, 2020 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Las Vegas, NV, USA, 2020, pp. 1-4, doi: 10.1109/IUS46767.2020.9251712