Analysis of deterioration in historical murals by laser-optical detection of acoustically induced vibrations using a highly directional sound beam
Final Report Abstract
Die Arbeiten, über die berichtet wird, gelten der Weiterentwicklung einer akustisch-optischen Methode zur Detektion von Putz- und Malschichtablösungen an historischen Wandmalereien. Bei dieser Methode werden lose Bereiche durch Lautsprecherschall im Hörbereich (Audioschall) zu winzigen Schwingungen (Amplituden einige nm) angeregt, die mit einem hochempfindlichen laseroptischen Verfahren auf Basis der elektronischen Specklemuster Interferometrie (ESPI) erfasst werden. Von Nachteil ist jedoch der benötigte hohe Pegel des Anregungsschalls, der den gesamten Raum füllt und vielfältig stört. Daher sollte die Methode durch eine Technik weiter entwickelt werden, bei der der anregende Audioschall nicht mehr direkt von einem konventionellen Lautsprecher, sondern durch nichtlineare Mischung eines mit dem Audiosignal amplitudenmodulierten Ultraschallsignals oder zweier Ultraschallsignale mit dem Frequenzabstand des gewünschten Audiosignals aus gerichtet abgestrahltem Ultraschall in der Luft erzeugt wird, der dann eine ähnlich starke Richtwirkung wie der Ultraschall aufweist. Ein solcher Schallstrahler kann dann gezielt auf die Untersuchungsfläche gerichtet werden, so dass er dort eine große Wirkung hervorruft während die Schallausbreitung in den Rest des Raumes gering ist und bei Bedarf noch durch Absorber weiter reduziert werden kann. Da solche Schallrichtstrahler in dem benötigten Frequenz- und Leistungsbereich kommerziell nicht verfügbar sind, sollte ein solches System entwickelt und aufgebaut werden. Zum Aufbau leistungsstarker Wandlersysteme werden piezoelektrische Ultraschallwandler (PZT-Wandler) verwendet, von denen aufgrund ihrer Baugröße (im cm-Bereich) eine Vielzahl benötigt wird. Wie in den Berichten zu den vorangegangenen Projektabschnitten bereits näher ausgeführt, zeigten die Schallfelder, die an einem Prototyp-Wandlerarray bestehend aus einigen hundert solcher PZT-Wandler gewonnen worden sind, zunächst unerwartete Eigenschaften, die auf zwei wesentliche Probleme zurückgeführt werden konnten. Zum einem führt die übliche Abstrahlung eines amplitudenmodulierten Ultraschallsignals von allen Wandlern bereits zur Erzeugung von Audioschall an Nichtlinearitäten der Wandler, der dann mit der üblich breiten Charakteristik abgestrahlt wird und die Richtwirkung des Systems maßgeblich verschlechtert, zum anderen führen die in ihrer Phase aufgrund von Bauteiltoleranzen unterschiedlich abstrahlenden PZT-Wandler nicht zu der für ein stark vorwärts gerichtetes Signal benötigten konstruktiven Überlagerung der Schallfeldbeiträge der einzelnen Wandler. Das aus diesen Erkenntnissen abgeleitete Konzept sah zum einem vor, die Erzeugung von Audioschall an Nichtlinearitäten der Wandler zu vermeiden, indem mit zwei verschiedenen Ultraschallfrequenzen (2f-Betrieb, die Differenzfrequenz ergibt das Audiosignal) gearbeitet wird, die jeweils unabhängig voneinander über zwei ineinander verschachtelte Anordnungen der Wandler abgestrahlt und damit erst im Raum überlagert werden. Zum anderen wurde vorgesehen, die akustischen Phasen aller Wandler im Schallfeld vor dem Wandlerarray durch Verschiebung ihrer Tiefenposition aufeinander abzugleichen, um ein stark gerichtetes Vorwärtssignal zu erhalten. Als Kontrollsystem dafür wurde das bisher zur Detektion der Wandvibrationen benutzte laseroptische Verfahren auf die Sondierung von Schallfeldern erweitert, so dass in einem tomographischen Aufbau das dreidimensionale Schallfeld rekonstruiert werden kann, dessen Daten die Information für die Abstimmung der einzelnen Wandler liefern. Das basierend auf diesem Konzept aufgebaute Wandlersystem, bestehend aus 1830 PZT-Wandlern, zeigt in der konzipierten 2f-Betriebsweise beeindruckend schmale Audioschall-Richtungswirkungen mit Winkelbreiten bei halber Leistung von etwa 10° für den untersuchten Audiofrequenzbereich von 100 Hz bis 2000 Hz. Erstaunlicherweise sind die ermittelten Winkelbreiten der Abstrahlungskeulen deutlich schmaler als aus der Theorie zu erwarten wäre, und nehmen auch nicht zu niedrigen Frequenzen hin zu. Die mit diesem optimierten Wandlersystem erreichten Audioschalldruckpegel nehmen, wie aus der Theorie erwartet, mit ansteigender Audiofrequenz zu, sie sind dennoch gerade bei den niedrigeren Audiofrequenzen nicht sehr groß. So werden bei 100 Hz 32,5 dB erreicht, bei 500 Hz sind es schon 65,5 dB, bei 1000 Hz stehen immerhin schon 80,5 dB und bei 2000 Hz dann 95 dB zur Verfügung. Vergleichsmessungen mit der sonst üblichen Methode, bei der ein mit der Audiofrequenz amplitudenmoduliertes Ultraschallsignal (AM-Betrieb) von allen Wandlern abgestrahlt wird, belegen die deutlich bessere Audioschall-Richtungswirkung der entwickelten 2f-Betriebsweise. Dennoch zeigt das Wandlerarray auch bei AM-Betrieb Audioschall-Richtcharakteristiken, die etwas besser sind, als die Theorie solcher Systeme erwarten lässt. Anderseits liegen die in der AM-Betriebsweise ermittelten Audioschalldrücke gerade bei den niedrigen Frequenzen deutlich über denen der 2f-Betriebsweise, was aus der Erzeugung von Audioschall an den Nichtlinearitäten der Wandler resultiert. So ergibt sich z.B. bei 100 Hz mit 48 dB ein um 15,5 dB höherer Wert des Audioschalldruckpegels. In künftigen Arbeiten müssten nun die Möglichkeiten und Grenzen des aufgebauten Schallstrahlers als Anregungssystem für das videoholografische Schwingungsmessverfahren an historischen Wandmalereien vor Ort erkundet werden. Zwar weist das entwickelte System die gewünschte hohe Richtungswirkung auf, jedoch werden selbst mit diesem großen und optimierten Wandlersystem erst bei Audiofrequenzen von mehr als 1000 Hz Schalldrücke erreicht, die mit konventioneller Lautsprecherbeschallung typischerweise für die akustische Anregung bei der videoholografischen Schwingungsuntersuchung an historischen Wandmalereien benötigt werden. Da jedoch die für derartige Untersuchungen benötigten Anregungsfrequenzen erfahrungsgemäß eher unterhalb von 1000 Hz liegen, muss untersucht werden, ob die mit dem Schallrichtstrahler nun mögliche gerichtete Beschallung der Untersuchungsfläche und die damit verbundene Reduktion des Audioschallpegels im Raum auch eine Verminderung der Störungen des Messsystems und damit eine Verbesserung der Detektionsgrenze des videoholografischen Messsystems ermöglicht. Dann könnten die Schwingungen möglicherweise trotz eines geringeren Anregungspegels sicher gemessen werden. Da die für die akustische Anregung benötigten Schalldrücke und Frequenzen von Objekt zu Objekt variieren, finden sich aber außerhalb des typischen Wertebereichs noch eine Vielzahl von historischen Wandmalereien, bei denen deutlich geringere Schalldruckpegel und/oder höhere Frequenzen benötigt werden. An solchen Objekten kann der Schallrichtstrahler auf jeden Fall erfolgreich eingesetzt werden. Aus akustischer Sicht ergeben sich aus den gemessenen Charakteristiken des parametrischen Wandlersystems zwei offene Fragen, denen noch nachgegangen werden sollte. So ist noch unklar, warum die Audioschallabstrahlungskeulen im 2f-Betrieb nicht den aus der Theorie erwarteten Anstieg der Winkelbreiten zu niedrigeren Frequenzen hin zeigen und warum die Winkelbreiten beim AM-Betrieb, die durch die Abstrahlung von nichtlinear am Wandlerarray erzeugten Audioschall verbreitert sind, immer noch schmaler ausfallen, als sie sich aus der Theorie für ein parametrisches System ohne diese Verbreiterung ergeben. Andere Anwendungsfelder für den entwickelten Schallrichtstrahler wären alle Bereiche, bei denen ein stark gerichtetes Ultraschallsignal oder monofrequentes Audioschallsignal erforderlich ist, so z.B. als Quelle zur Schwingungsanregung über die Luft bei der zerstörungs- freien Untersuchung von modernen Verbundwerkstoffen auf Delaminationen, wie sie z.B. bei Rotorblättern von Windkraftanlagen vorkommen können. Wird nicht die extreme Richtwirkung des 2f-Betriebs benötigt, so ließe sich das System bei Einsatz der Amplitudenmodulation als Betriebssignal, eine geeignete Signalvorverarbeitung zur Vermeidung von Verzerrungen vorausgesetzt, auch als leistungsstarker Schallrichtstrahler mit immer noch guter Richtungswirkung für die Übertragung von Sprache einsetzen. Damit ließe sich das System auch für die Anwendungsfelder einsetzen, die von anderen Forschern bei der kommerziellen Entwicklung von Schallrichtstrahlern für Sprachübertragung verfolgt wurden (z.B. in Museen zur individuellen Erläuterung von Exponaten in verschiedenen Sprachen abhängig vom Standort des Betrachters, Lautsprecherdurchsagen auf Bahnhöfen entlang der Bahnsteige ohne nennenswerte Beeinträchtigung der anderen Bahnsteige).
Publications
- Tomographic mapping of airborne sound fields by TV-holography. Proc. FRINGE ‘05 (2005) 648-655, Springer-Verlag Berlin u.a.
K. D. Hinsch, H. Joost, G. Gülker
- Tomographic study of acoustic emission by parametric arrays for airborne sound. Proc. DGaO (2005) A3
H. Joost, K. D. Hinsch
- TV-holographic mapping of airborne sound fields for the design of parametric arrays. Proc. SPIE 5856 ‘Optical Measurement Systems for Industrial Inspection IV’ (2005) 674-681
H. Joost, K. D. Hinsch, G. Gülke
- Sound field monitoring by tomographic electronic speckle pattern interferometry. Opt. Commun. 259.2 (2006) 492-498
H. Joost, K. D. Hinsch
- Monitoring detaching murals in the Convent of Müstair (Switzerland) by optical metrology. Journal of Cultural Heritage 10.1 (2009) 94- 105
K. D. Hinsch, K. Zehnder, H. Joost, G. Gülker
