DALLE PROVE NON DISTRUTTIVE ALLE MISURE NON DISTRUTTIVE Pierpaolo Boffi 1, Alfredo Cigada 2, Marcello Vanali 2, Emanuele Zappa 2.

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1 DALLE PROVE NON DISTRUTTIVE ALLE MISURE NON DISTRUTTIVE Pierpaolo Boffi 1, Alfredo Cigada 2, Marcello Vanali 2, Emanuele Zappa 2. 1 Dipartimento di Elettronica, Politecnico di Milano 2 Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano INTRODUZIONE Le prove non distruttive sono senza ombra di dubbio uno strumento fondamentale nell attività sperimentale di verifica su strutture: la qualifica non distruttive rende questa categoria di prove particolarmente attraenti per ragioni di efficacia, di costi, di tempi, proprio perché il pezzo in analisi non richiede sostituzioni e può proseguire il proprio servizio. Spesso le aspettative dell uomo comune nei confronti di questa dis ciplina sono addirittura eccessive: c è la diffusa convinzione che, grazie alle prove non distruttive ad esempio gli assili dei treni non si romperanno e le ali degli aerei non si spezzeranno. Se è pur vero che le prove non distruttive non possono offrire garanzie che un pezzo non si romperà, d altro canto costituiscono lo strumento fondamentale per ridurre i rischi di cedimento. L uomo, attraverso i sensi, viene spesso considerato come la miglior macchina per prove non distruttive e molte delle prove che appartengono a questa categoria possono considerarsi una naturale estensione dei cinque sensi. In questa visione l uomo diviene parte integrante della prova, dunque il suo addestramento e la sua capacità assumono un ruolo fondamentale nella valutazione di conformità: i criteri di giudizio sono dunque ben lungi dall essere oggettivi e svincolati da una valutazione finale data dal singolo sperimentatore. Questo è un altro mito da sfatare riguardo le prove non distruttive. Un altro aspetto delicato da considerare è come spesso un controllo non distruttivo si avvalga degli stessi strumenti utilizzati anche nel campo delle misure, ma senza badare alle caratteristiche metrologiche della strumentazione stessa. Si pensi ad esempio al controllo delle perdite mediante termografia: non interessa la taratura del dispositivo termografico, in quanto non interessa tanto il valore in assoluto della temperatura, quanto piuttosto la capacità di cogliere un gradiente di temperatura, indipendentemente dal suo valore. Ci si può domandare quando siano nate le prove non distruttive: un testo che costituisce un riferimento del settore [7] Johnson, D.H., Dudgeon, D.E., Array Signal Processing: Concepts and Techniques, Prentice Hall, Englewood Cliffs, [8] Christensen, J.J., Hald, J. (2004), Beamforming, Technical review, Brüel & Kjær [9] Williams, E.G., Fourier Acoustic: Sound Radiation and Nearfield Acoustical Holography, Academic Press, [10] Maynard, J.D., Williams, E.G., Lee, Y. (1985), Nearfield acoustic holography: I. Theory of generalized holography and the development of NAH, Journal of Acoustical Society of America, 78(4), [11] Veronesi, W.A., Maynard, J.D. (1987), Nearfield acoustic holography: II. Holographic reconstruction algorithms and computer implementation, Journal of Acoustical Society of America, 81(5), ] afferma, un po paradossalmente, che queste siano nate con la Creazione, quando Dio creò il cielo e la terra e vide che ciò era buono: era stato effettuato il primo controllo visivo. Entrando nel corso della storia lo stesso testo ricorda come il tintinnio delle lame di una spada fosse considerato un indice di bontà dell arma stessa; comunque i primi controlli eseguiti con la consapevolezza di svolgere un controllo risalgono all 800. Oggi il mondo delle prove che possono definirsi non distruttive va via via allargandosi, risultando vastissimo: in questo scritto si vogliono analizzare alcune attività, che possono considerarsi di frontiera per la ricerca, che riguardano metodi di analisi non invasivi. Saranno presi in considerazione, in quattro paragrafi separati, quattro filoni di ricerca in corso presso il Politecnico di Milano su temi che possono essere ricondotti ad elementi di grande innovazione per le prove non distruttive. Saranno presi in esame sensori a fibra ottica, sviluppati presso il Dipartimento di Elettronica, destinati a soppiantare in parecchie applicazioni i tradizionali estensimetri a resistenza elettrica, sfruttando il fatto che, portando l informazione per mezzo della luce anziché attraverso un segnale elettrico, vi è un intrinseca immunità a disturbi di tipo elettromagnetico ed è possibile operare senza problemi in ambienti particolarmente ostili, come quello acquatico. Saranno poi illustrati i vantaggi dell analisi immagini, per lo svolgimento automatico di controlli che solitamente venivano condotti mediante ispezione visiva. Saranno poi illustrate alcune tecniche che hanno recentemente arricchito il patrimonio dei controlli acustici, grazie alle quali è possibile localizzare sorgenti acustiche, sia stazionarie, sia in movimento: queste sono l olografia acustica e la tecnica del beamforming. Da ultimo si illustreranno le basi di una disciplina che vede oggi un notevole sviluppo, ossia quella dello Structural Health Monitoring (SHM) che, pur 03/05/06 - pag. 1 -

2 costituendo una materia a sé, data l enorme importanza che assume nel monitoraggio strutturale, può a pieno diritto essere inserita nel gruppo delle prove non distruttive. 2. SENSORI A FIBRA OTTICA La sensoristica a fibra ottica è una disciplina relativamente nuova, il cui sviluppo ha avuto origine a partire dalla metà degli anni 70. Per le naturali caratteristiche di compatibilità della fibra con i materiali e la possibilità di inglobamento nel materiale stesso al momento della fabbricazione, i sensori a fibra ottica aprono prospettive del tutto innovative nell ambito delle misure e della diagnostica strutturale non-invasiva (le fibre ottiche standard per telecomunicazioni presentano, anche in presenza di coperture plastiche di protezione, un diametro esterno di 250µm, come mostrato in figura 1). Con la dizione sensori a fibra ottica si intendono quei tipi di sensori in cui la fibra ottica partecipa in qualche modo al processo di rilevazione o comunque gioca un ruolo tecnologicamente centrale nella misura. I principali vantaggi di tali sensori sono: immunità elettromagnetica passiva (non risentono dei campi elettromagnetici circostanti) ed attiva (non generano campi elettromagnetici); buona inerzia chimica, resistenza termica e flessibilità geometrica. Appare evidente che tali caratteristiche rendono molto interessanti i sensori a fibra ottica soprattutto in quelle applicazioni in cui si abbia la necessità di svolgere misure accurate in un ambiente genericamente ostile in termini elettromagnetici e termici. I sensori in fibra ottica si possono suddividere in diverse classi a seconda del principio di funzionamento: sensori basati su architetture interferometriche per la lettura di variazioni di fase o di frequenza indotte (sensori coerenti). Tale categoria include per esempio interferometri per la misura dinamica della pressione (idrofoni) ed i giroscopi. sensori basati su componenti sensibili alla lunghezza d onda (per esempio basati su reticoli di Bragg in fibra). sensori basati sull interazione inelastica nella fibra tra la luce incidente, il materiale di cui è costituita la fibra stessa e l ambiente circostante. Per misure di tipo meccanico, quali spostamento, deformazione, velocità ed accelerazione, risultano particolarmente interessanti sia per semplicità, prestazioni, affidabilità e costi i sensori di tipo coerente. In questo tipo di sensori viene misurato il ritardo di fase causato dallo stato di deformazione nella fibra ottica solidale con il materiale sotto esame rispetto ad un riferimento esterno. Siccome la propagazione è misurata rispetto alla lunghezza d onda della luce laser impiegata, la sensibilità di questi sensori risulta essere estremamente elevata: possono essere misurate variazioni dinamiche dell ordine di in presenza di una deformazione statica di oltre 1%. I vantaggi specifici dei sensori coerenti sono l altissima sensibilità; la larga banda di misura; l ottima linearità; la possibilità di eseguire più misure di grandezze fisiche diverse con lo stesso sistema. I sistemi coerenti sono basati su architetture di tipo interferometrico, tra cui le più semplici è quelle di tipo Mach-Zehnder e Michelson. Il ramo di riferimento dell interferometro è in genere isolato dall ambiente e solo il ramo di misura è esposto alle variazioni da rilevare. Grazie alla bassa attenuazione della fibra ottica (per la fibra in SiO 2 l attenuazione è 0.2dB/km), i rami dell interferometro possono essere lunghi da pochi centimetri a parecchie decine di km, con un impatto trascurabile sulle prestazioni del sensore. Assumendo che la lunghezza di coerenza della radiazione laser utilizzata nel sistema sia molto maggiore della differenza di cammino ottico tra i due rami, ai fotoricevitori in uscita il segnale derivante dall interferenza delle radiazioni propaganti nei due ra mi risulta proporzionale al coseno della differenza di fase ottica φ tra i due rami (il ritardo di fase ottico introdotto da ciascun ramo è dato da φ=2πnl/ λ dove n è l indice di rifrazione della fibra e L la lunghezza fisica del ramo). Attraverso l effetto fotoelastico una deformazione nella fibra ottica induce una variazione nel suo indice, che si traduce in una traslazione della fase accumulata durante la propagazione nel ramo di misura. Per la fibra in SiO 2, trascurando lo stress radiale nella fibra, il fattore di correzione elastoottico è dato da [3]: ξ = 1 1/2n 2 P dove P 12 è il coefficiente ottico di deformazione (per il vetro P 12 =0.27). Si deduce che la variazione di fase accumulata risulta direttamente proporzionale alla deformazione dinamica ε = dl/l nella fibra tramite: dφ=2πnlξε/λ. Nonostante tale proporzionalità diretta, come si è detto il termine di fase è legato all intensità rivelata all uscita dell interferometro tramite la funzione coseno ed ha quindi una risposta non-lineare. Esistono svariate tecniche per linearizzare la risposta dell interferometro, la più semplice è adottare una demodulazione omodina attiva, inserendo un modulatore di fase nell interferometro ed utilizzando un circuito di retroazione per agganciare il punto di lavoro in quadratura. Le prestazioni del sensore coerente sono strettamente legate al rumore del ricevitore e della sorgente utilizzati. Per dare un indicazione della sensibilità raggiungibile da un sensore interferometrico in fibra, utilizzando per esempio una 03/05/06 - pag. 2 -

3 radiazione a 1300nm, è rivelabile una traslazione di fase minima di 0.25µradHz -1/2. Assumendo una lunghezza dei rami dell interferometro di 15m, ciò corrisponde ad una deformazione minima rivelabile pari a 3.4fε [4]. Sensori a fibra ottica basati su architetture interferometriche sono sviluppati oggi dal Gruppo di Comunicazioni Ottiche presso il Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano per differenti applicazioni, sia meccaniche (rilevazione dello stato di deformazione e delle vibrazioni) che acustiche ed ultra-acustiche. In figura 2 è riportata come esempio la risposta di un sensore in fibra ottica basato su un interferometro Mach-Zehnder bilanciato, con rami di lunghezza 10m e sensibilità di circa 100pε, utilizzato per monitorare onde acustiche. Naturalmente questa risoluzione non è comune, ma rappresenta un valore limite, oggi ottenibile solo in sistemi particolarmente spinti. Il costo della fibra sensore è oggi da considerarsi praticamente trascurabile, mentre quello dello stadio di trasmissione e ricezione può essere ammortizzato attraverso una opportuna multiplazione del sensore su molteplici fibre da interrogare. Come anticipato all inizio, una seconda soluzione utile per monitorare in modo non-invasivo la deformazione e/o la temperatura di un materiale è l utilizzo di un array di reticoli di Bragg scritti direttamente nel core della fibra ottica. In questo caso lo stress o un cambio di temperatura sul reticolo solidale con il materiale monitorato determina una variazione nella lunghezza d onda nominale di Bragg riflessa dal reticolo stesso:?bragg=2neff? dove? è il passo del reticolo. Lo stato dei reticoli può essere monitorato simultaneamente illuminando l array con un laser accordabile in lunghezza d onda o una sorgente superluminescente ed in ricezione attraverso un analizzatore di spettro ottico. L accuratezza nella misura della lunghezza d onda è estremamente critica poiché un incertezza di circa 1pm nella sua determinazione comporta un incertezza di 1 µe in termini di deformazione [5]. Utilizzando strumentazione commerciale per la misura della lunghezza d onda di Bragg retroriflessa, è difficile raggiungere una risoluzione maggiore a 10pm e se non è imposta una accurata calibrazione con la sorgente, un incertezza tipica di 1nm è ottenibile. Infine alla terza categoria appartengono i sensori a fibra ottica basati sullo scattering Raman e Brillouin, effetti questi che generano variazioni non-lineari nello spettro della luce in entrambe le direzioni di propagazione lungo la fibra. Sensori capaci di misurare il ritardo temporale tra un impulso di lancio e l arrivo della radiazione retroriflessa possono essere usati per monitorare fenomeni agenti lungo tutta la lunghezza della fibra. Sono così realizzati sensori distribuiti di deformazione e/o di temperatura su lunghezze di interazione molto lunghe, anche di decine di chilometri, ed adeguata accuratezza dipendentemente dalla modulazione del fascio ottico di lancio. Per esempio sensori di temperatura distribuiti basati sull effetto Raman permettono la ricostruzione del profilo di temperatura con elevata accuratezza. In Figura 3 sono riportate le prestazioni di un sensore di temperatura Raman sviluppato presso il Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano: si può osservare una accuratezza della misura di 1 C con risoluzione di circa 1m su lunghezze d interrogazione di oltre 20km e tempi di misura dell ordine del minuto. Tale teconologia è equivalente all uso di migliaia di termocoppie, spaziate un metro. Analogamente sistemi per la misura della distribuzione della deformazione lungo una fibra basati sullo scattering Brillouin possono raggiungere accuratezze dell ordine dei µε con risoluzione spaziale inferiore ai 10cm [6]. Queste ultime soluzioni, potenzialmente molto promettenti, risultano oggi limitate dagli elevati costi intrinseci degli apparati di generazione ed elaborazione del segnale ottico. A partire dalle caratteristiche sopra esposte, si può affermare che l utilizzo di sensori a fibra ottica possa ridisegnare le tecniche di monitoraggio attraverso metodi non-invasivi, con la possibilità di costruire vere e proprie reti di sensori. I sensori a fibra ottica raprresentano quindi una promessa tecnologica interessante che può oggi avere una ulteriore spinta in termini di affidabilità, efficienza ed economicità dall utilizzo della componentistica ottica ormai standardizzata per le telecomunicazioni ottiche. Figura 1 Fotografia di una fibra ottica standard per telecomunicazioni in SiO2(diametro esterno 250mm). Figura 2 Esempio di funzionamento di un sensore in fibra ottica basato su un interferometro Mac h- Zehnder bilanciato, soggetto ad una sollecitazione acustica a 18kHz. 03/05/06 - pag. 3 -

4 Camera climatica Fibra a temperatura ambiente Figura 3 Profilo di temperatura misurato da un sensore distribuito in fibra ottica basato su effetto Raman sviluppato dal Gruppo di Comunicazioni Ottiche del Politecnico di Milano. Sono visibili i due tratti di fibra (il primo lungo 380m e quello conclusivo lungo 500m) portati ad una temperatura di circa 80 C per mezzo di una camera climatica. 3. ANALISI IMMAGINI Il settore della visione artificiale costituisce oggi una porzione rapidamente crescente dei controlli industriali; l analisi delle immagini è utile ad esempio come tecnica di verifica dimensionale, per la misure di spostamento e per il rilievo di forme di oggetti. La caratteristica che forse rende più attraente questo tipo di tecnica è l assenza di invasività che la caratterizza; data la completa assenza di contatto con il misurando la visione può essere vista come prova non distruttiva. I sistemi di visione risultano poi essere particolarmente indicati in quelle situazioni in cui il contatto con il misurando porta a situazioni di pericolo, quali ad esempio le misure da effettuarsi su misurandi ad elevatissima temperatura, o posti in atmosfere pericolose oppure ancora sottoposti a elevati potenziali elettrici. Nel seguito si riporta, quale esempio applicativo, la misura di posizione verticale del cavo di alimentazione di un convoglio ferroviario. Tale misura è di particolare interesse per il campo ferroviario in quanto la dinamica del sistema pantografo-catenaria è fondamentale ai fini diagnostici per l usura e per la conoscenza completa del fenomeno di interazione. La tensione di alimentazione della rete dipende dalla installazione 1 ma è dell ordine di alcune migliaia di volt; ciononostante è possibile posizionare dei trasduttori di spostamento fissandone un estremo sul palo di supporto e l altro estremo alla catenaria Questa soluzione pone però due limiti: la possibilità di accesso alla linea ed il rischio per l operatore in caso di perdita di isolamento. Le tecniche di visione costituiscono in questo caso una soluzione efficace, anche in relazione al fatto che le accuratezze richieste nella misura del moto verticale della catenaria sono dell ordine dei millimetri ed è quindi possibile posizionare la/le telecamere anche a distanza di alcuni metri, garantendo comunque l affidabilità delle misure. L applicazione descritta si presenta poco più che banale in un contesto da laboratorio mentre la necessità di garantire la sua operatività sulle 24 ore in esterna la rende di difficile implementazione. Escludendo le problematiche generate dalla nebbia, ciò che rende difficile la realizzazione di una applicazione di questo tipo è la necessità di approntare un sistema di ripresa capace di ottenere immagini di qualità in condizioni di illuminazione che vanno dalla giornata estiva di sole pieno alla notte senza luna. Per questo è stata utilizzata una telecamera capace di adottare tempi di esposizione ampiamente variabili in modo da permettere al software di garantire condizioni di lavoro ottimali per ogni condizione di illuminazione; ovviamente le situazioni di assenza di illuminazione sono state risolte con un illuminatore a led focalizzati di notevole potenza che veniva attivato in modalità sincrona con l acquisizione delle immagini. In una telecamera interlacciata standard, quale è quella utilizzata in questo lavoro, l immagine viene acquisita in due tempi: prima le righe pari e poi le righe dispari dell immagine. Questo deriva dagli standard televisivi, dove tale stratagemma permette di ottenere immagini fluide pur con una banda passante del segnale limitata. In applicazioni di misura, tuttavia, questa soluzione crea evidenti inconvenienti qualora il misurando sia in movimento. Per eliminare il problema la telecamera è stata configurata in modo da acquisire le sole righe dispari dell immagine; in tal modo fra l altro si riesce ad ottenere 50 immagini al secondo, anziché 25, come avviene nel caso in cui vengano acquisite tutte le righe. Dal momento che l acquisizione di sole metà righe dell immagine porta ad una diminuzione della risoluzione in direzione verticale, che è invece quella di nostro interesse, la telecamera è stata ruotata di 90 in modo che la direzione 1 In Italia l alimentazione dei convogli ferroviari è tradizionalmente a 3kV in corrente continua, ma sono in via di realizzazione linee ad alta velocità alimentate a 25kV in corrente alternata. 03/05/06 - pag. 4 -

5 di misura verticale mantenesse la piena risoluzione a discapito della direzione orizzontale che non è però di interesse in questa applicazione. Le immagini provenienti dalla telecamera vengono elaborate in tempo reale su un PC di controllo per stabilire la posizione della catenaria. Nella fase di analisi un elemento fondamentale per l ottenimento di misure di spostamento affidabili è quello dell individuazione automatica del tratto di catenaria di interesse all interno delle immagini acquisite. Al fine di minimizzare l incertezza di tale procedimento sono state sviluppate due soluzioni: la prima consiste nel montare sul conduttore un marker, cioè un oggetto di geometria nota e dotato di superficie catarifrangente; in questo modo il marker risulta essere molto più luminoso del resto dell immagine e quindi facilmente identificabile in modo automatico. Una seconda soluzione utilizzata, che non prevede di montare alcunché sulla catenaria, è quella di illuminare il cavo con un piano di luce ortogonale all asse del cavo stesso; in questo modo si forma sull immagine acquisita una linea di luce in corrispondenza dell intersezione fra il piano di luce e il cavo, permettendo una affidabile localizzazione della sezione di catenaria di interesse. Come ogni strumento di misura, anche la telecamera deve essere tarata prima del suo utilizzo, al fine di conoscere la trasformazione necessaria per passare dalle misure in pixel dell immagine a quelle in millimetri. L operazione di taratura si basa sulla acquisizione di immagini di oggetti di geometria nota e posti in posizioni note in mo do da stimare non solo i fattori di scala pixel millimetri in direzione verticale e orizzontale, ma anche di quantificare gli effetti della prospettiva e delle distorsioni ottiche, consentendo così di compensare entrambi gli effetti. A titolo di esempio in Figura 4 si riporta, insieme alla foto del sito di misura durante la fase di installazione del sistema, un diagramma del moto verticale della catenaria durante il passaggio di un treno e negli istanti successivi. Il convoglio è munito di un solo pantografo e, durante il passaggio di fronte alla stazione di misura, viaggiava alla velocità di 216 km/h, stimata per mezzo di due fotocellule poste a fianco dei binari. Spostamento verticale [mm] Tempo [s] Figura 4 Installazione del sistema di visione e moto verticale della catenaria rilevato con lo stesso 4. OLOGRAFIA ACUSTICA E BEAM-FORMING Oggigiorno il problema della rumorosità, sia in ambienti chiusi (luoghi di lavoro, ambienti domestici), sia in luoghi aperti, è di fondamentale importanza e molto spesso la sua riduzione non è di facile soluzione. Le situazioni che si possono presentare sono le più varie: si va dal rumore eccessivo nei luoghi di lavoro dovuto a qualche macchinario, al rumore all interno dell abitacolo delle vetture, al rumore causato dal transito di convogli ferroviari, etc. Tutti i progetti finalizzati a ridurre la rumorosità, qualsiasi sia la situazione analizzata, richiedono innanzitutto l identificazione delle principali sorgenti di emissione e la definizione del contributo che ciascuna di esse porta all emissione globale. Da qui l impulso che sta trascinando lo sviluppo delle conoscenze in tale settore, in particolare con la richiesta di metodologie sempre più efficienti per una corretta localizzazione delle sorgenti sonore che causano questo rumore incriminato. Volendo in questo articolo fare il punto della situazione attuale in questo campo, possiamo cominciare affermando che tra le differenti tecniche, presenti in letteratura anche da alcuni decenni a livello teorico, attualmente sono tre quelle sviluppate a livello pratico ed implementate grazie alle moderne capacità di calcolo, beamforming, olografia acustica e intensimetria. Queste metodologie forniscono tutte un valido aiuto alla causa della riduzione del rumore perché permettono di separare le diverse sorgenti di un particolare insieme (macchina, superficie vibrante, etc.), e di capirne le caratteristiche (frequenza di emissione, contributo all emissione globale, etc.). Delle tre tecniche elencate ci si vuole soffermare nel presente lavoro sulle prime due che presentano un approccio innovativo rispetto alla più tradizionale misura intensimetrica. 03/05/06 - pag. 5 -

6 In entrambi i casi si parte da una serie di misure di pressione sonora effettuate utilizzando un certo numero di microfoni disposti opportunamente nello spazio, secondo una configurazione dettata dalla metodologia utilizzata. Queste tecniche non erano praticabili con efficienza fino a qualche anno fa, quando i sistemi di acquisizione dati incontravano grosse difficoltà ad acquisire simultaneamente un gran numero di canali con una banda passante decisamente ampia, quale quella richiesta dalle misure acustiche. Punto in comune è quindi l impiego di array microfonici per acquisire tali dati simultaneamente, misurando pertanto il campo sonoro emesso. I due metodi sostanzialmente diversi, sia nel principio di funzionamento (e conseguentemente nel tipo di array utilizzati) sia nel campo di applicazione in cui offrono le migliori prestazioni. Volendo rappresentare schematicamente le caratteristiche salienti dei due sistemi analizzati può essere utile utilizzare una tabella come quella seguente, per evidenziare a colpo d occhio le differenze più significative, che verranno discusse nel seguito: Beamforming Olografia Elaborazione ed analisi dei dati Dominio spazio/tempo Dominio delle frequenze spaziali/temporali Tipo di sorgente Statica o in movimento Statica Tipo di array utilizzabile Varie geometrie Solo array a geometria regolare ed equispaziata (griglia) Campo di frequenze ottimale Alte frequenze (>1500 Hz) Basse/Alte freq. Risultati forniti Attenuazione livello acustico intorno Campo di pressione, velocità, alla sorgente intensità Tabella 1 Tecniche di identificazione di sorgenti sonore La tecnica del beamforming [7, 8] consente di ottenere una mappa del livello sonoro [db] nei punti oggetto dell analisi. La metodologia è valida sia per sorgenti statiche sia in movimento e la maggiore restrizione di questo metodo è la scarsa capacità di risolvere sorgenti adiacenti nel campo delle basse frequenze. Di seguito sono proposti due esempi di applicazione del metodo all interno di progetti di ricerca del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano: studio delle emissioni dovute al contatto ruota-rotaia durante il transito di convogli ferroviari ad alta velocità. Si noti come l impiego di questa tecnica abbia permesso di separare il contributo delle singole sale del treno a valle di una singola acquisizione microfonica (velocità del treno superiore ai 200 km/h), Figura 5; Figura 5 Analisi dell emissione acustica di un convoglio ferroviario durante un pass-by studio dell emissione acustica di un pantografo per un treno ad alta velocità durante i test condotti in galleria del vento. Anche in quest applicazione il metodo ha permesso di individuare chiaramente le zone di emissione, in prossimità degli archetti di contatto e della base della struttura, Figura 6. 03/05/06 - pag. 6 -

7 Figura 6 Analisi dell emissione acustica di un pantografo in galleria del vento L olografia acustica (Figura 7) opera un elaborazione dei dati nel dominio delle frequenze [9, 10, 11]. La tecnica permette di ricostruire il campo acustico (pressione, velocità, intensità) in un piano qualsiasi parallelo a quello di misura. L utilizzo della trasformata di Fourier, nel tempo e nello spazio, impone il vincolo di utilizzare array a geometria regolare ed equispaziata e limita l impiego al caso delle sorgenti statiche. Nel seguito è proposto un esempio, tratto da una serie di prove realizzate durante lo sviluppo di questa metodologia. Sono state create artificialmente due sorgenti utilizzando due altoparlanti. Si noti come la ricostruzione olografica permetta di separarle anche per frequenze molto basse (es. 300 Hz), cosa non possibile con il beamforming. Figura 7 Set-up sperimentale ed esempio di elaborazioni di dati olografici 5. STRUCTURAL HEALTH MONITORING A volte alcuni eventi costituiscono un punto significativo nella nascita o nello sviluppo di alcune discipline. Il disastro dello shuttle Columbia (Febbraio 2003) ha sicuramente contribuito ad accelerare lo sviluppo di una disciplina, forse esistente da tempo, ma della quale si è presa consapevolezza solo di recente, ossia lo Structural Health Monitoring (SHM). Lo SHM cerca di dare una risposta alle seguenti domande: E possibile evitare un disastro grazie ad un segnale preventivo (e certo)? E possibile rendere più veloce la fase di ispezione dopo un disastro? E possibile automatizzare e rendere più efficaci gli attuali sistemi di ispezione strutturale? E possibile allungare la vita utile di una struttura? E possibile ridurre i tempi e i costi di manutenzione, aumentandone nel contempo la frequenza? Si cerca quindi di identificare il prima possibile il danneggiamento di una struttura, che può riguardare aspetti di fatica, presenza di cricche o inclusioni, corrosione, delaminazione o cedimento di incollaggi, allentamento (di bulloni), perdita di integrità strutturale (resistenza, durezza, ), qualsiasi perdita di capacità funzionale... Le tecniche comunemente impiegate utilizzano segnali di varia natura (solitamente vengono monitorati parametri dinamici in risposta ad un eccitazione ambientale, come vento, traffico, ), per capire se vi siano stati cambiamenti 03/05/06 - pag. 7 -

8 significativi in alcuni parametri che descrivono il sistema (i più comuni sono frequenze proprie e smorzamenti). Lo SHM ha bisogno di appoggiarsi a numerose discipline, quali l analisi dei segnali, la probabilità e la statistica, le misure, la soluzione di problemi inversi, la telemetria, il calcolo, risultando un filone multidiscipinare. Lo SHM prevede sette diversi livelli di valutazione, come riportato nell elenco seguente: 1. Identificazione esistenza del danno 2. Esistenza e localizzazione del danno 3. Esistenza localizzazione e dimensioni del danno 4. Esistenza localizzazione, dimensioni del danno e previsione della vita residua 5. Combinazione del livello 4 con strutture intelligenti (smart structures) per un autovalutazione dello stato del sistema 6. Combinazione del livello 4 con strutture intelligenti (smart structures) per garantire una guarigione della struttura 7. Combinazione con sistemi di controllo attivo per creare simultaneamente monitoraggio e controllo Nei livelli più alti si esce addirittura dal campo delle prove non distruttive, tentando anche di fornire una soluzione al problema individuato. Il successo dello SHM è soprattutto legato ad alcuni recenti progressi registrati nel campo delle misure: da un lato lo sviluppo di sensori MEMS (soprattutto accelerometri) le cui prestazioni sono simili a quelle dei tradizionali accelerometri, ma a costi che sono ordini di grandezza inferiori, dall altro allo sviluppo delle reti wireless che, pur non ancora perfettamente adattate ad esigenze di misura che richiedano notevole banda passante (perdita di campioni, problema della sincronizzazione temporale dei canali), tuttavia vanno migliorando le loro prestazioni giorno dopo giorno e per segnali lenti offrono già prestazioni soddisfacenti. Nel citato caso dello shuttle la scelta ha riguardato l impiego di un gran numero di sensori annegati nelle ali delle attuali navette, per rilevare istantaneamente eventuali urti dovuti a detriti nella fase di decollo: tali sensori sono sia accelerometri tipo MEMS, in notevole numero (per misurare l urto meccanico), sia termometri, che, in caso di perdita delle piastrelle che costituiscono lo scudo della parte inferiore, avvertono aumenti locali di temperatura. Una prima fase di pre-processing locale individua situazioni anomale che possono essere segnalate con comunicazione wireless. Le stesse strategie possono essere adottate per il monitoraggio di qualsiasi struttura civile, ad esempio un ponte, controllando eventuali variazioni dei parametri modali della struttura stessa. Un esempio concreto riguarda il monitoraggio degli stadi, per diversi motivi: da un lato le nuove strutture tendono ad essere sempre più leggere, dall altro è sempre più frequente il loro impiego in manifestazioni, come i concerti, che prevedono livelli importanti di sollecitazione, quando il pubblico salta. E dunque prassi comune la sistemazione, sulle varie strutture dello stadio, di accelerometri grazie ai quali vengono continuamente monitorate le vibrazioni, che possono essere prodotte sia dal movimento del pubblico, sia dall eccitazione ambientale. Qualora ad esempio la prima frequenza propria di un elemento strutturale mostrasse nel tempo una diminuzione, questo segnale verrebbe interpretato come avanzamento di un danneggiamento strutturale, con necessità di intervento: a questo punto il compito dell esperto di misure è quello di fissare le tolleranze sulle variazioni dei parametri tali da produrre un allarme reale, evitando ad esempio di confondere una variazione di frequenza propria dovuta alla temperatura da una realmente dovuta ad un danno strutturale. Un esempio concreto di un simile approccio è appena stato avviato dal Comune di Milano per dotare lo stadio Meazza di un sistema di monitoraggio che, una volta ultimato, permetterà di migliorare l efficacia e le priorità degli interventi di manutenzione, contribuendo in maniera significativa anche all incremento della sicurezza della struttura: esistono proposte, a livello di normative internazionali, perché simili sistemi diventino obbligatori per tutti gli stadi in cui si svolgono grossi concerti. Figura 8 Misure allo stadio G. Meazza di S. Siro 03/05/06 - pag. 8 -

9 6. CONCLUSIONI Questo lavoro non ha ovviamente avuto pretese di organicità o sistematicità: il suo scopo è solo stato quello di mostrare esempi in tecniche di misura non distruttive, in cui la ricerca si dimostra un valido ausilio per ampliare gli orizzonti di una disciplina già ben consolidata. Da questa interazione ci si attende un proficuo approfondimento ed un ampliamento di orizzonti che giustifichino il futuro impegno dei ricercatori sia in attività più tradizionali sia in campi considerati oggi di frontiera. 7. BIBLIOGRAFIA [1] Nondestructive testing handbook RK Miller, E vk Hill, PO Moore American Society for Nondestructive Testing, ASNT [2] Giallorenzi T.G. et al., Optical fiber sensor technology, IEEE J. Quantum Electron. 18, 626 (1982). [3] Kinkendall C.K. and Dandridge A., Overview of high performance fibre-optic sensing, J. Phys. D: Appl. Phys. 37, R197 (2004). [4] Dyer S.D., Williams P.A. et al., Fundamental limits in fiber Bragg grating peak wavelength measurements, 17th International Conferente on Optical Fibre Sensors, Proc. SPIE 5855, 88 (2005). [5] Fellay A., Thevenaz L. et al., Distributed sensing using stimulated Brillouin scattering: towards ultimate resolution, OSA Technical Digest Series 16, 324 (1997). [6] R. I. Hartley and A. Zisserman, Multiple View Geometry in Computer Vision, Second Edition, Cambridge University Press, ISBN: , [7] Johnson, D.H., Dudgeon, D.E., Array Signal Processing: Concepts and Techniques, Prentice Hall, Englewood Cliffs, [8] Christensen, J.J., Hald, J. (2004), Beamforming, Technical review, Brüel & Kjær [9] Williams, E.G., Fourier Acoustic: Sound Radiation and Nearfield Acoustical Holography, Academic Press, [10] Maynard, J.D., Williams, E.G., Lee, Y. (1985), Nearfield acoustic holography: I. Theory of generalized holography and the development of NAH, Journal of Acoustical Society of America, 78(4), [11] Veronesi, W.A., Maynard, J.D. (1987), Nearfield acoustic holography: II. Holographic reconstruction algorithms and computer implementation, Journal of Acoustical Society of America, 81(5), /05/06 - pag. 9 -