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您所不知道的!艺术品的保护也要用到振动测量

Vibration analysis helps to protect art

Georgia O’Keeffe Museum in Santa Fe, New Mexico

像美国圣达菲的乔治娅·奥·吉弗(Georgia O’Keeffe)这样的博物馆,为了组织巡回展览,除了自有展品外也需要从其它博物馆和私人收藏家那里临时借出藏品,丰富的展品以吸引更多的观众。仅2017年,乔治娅·奥·吉弗博物馆的绘画展览在布鲁克林、伦敦、巴黎、维也纳、多伦多、悉尼、墨尔本和布里斯班等多个城市的累计参观量超过130万人次。

这些展品的借用意味着展品要历经汽车、航空等运输途中以数百小时计的持续的低频振动。必然的,这些振动能量会对这些艺术珍品造成累积损坏。保护著名画家乔治娅·奥·吉弗(1887~1986)的画作免于因振动而损坏是博物馆负责人Dale Kronkright工作的主要内容。

每一件艺术品自“诞生”便具有一定数量的机械键和化学键(分子间强烈的相互作用力),这些也构成了该艺术品所独特具有的机械和视觉特征。一般来说,艺术品越老,剩下的键就越少,而当应力超过疲劳极限时,艺术品就越容易受到损坏。

20世纪的传统帆布画是将亚麻布或帆布紧绷在可调节木质内框上,就像在一个矩形鼓面上作画,每幅画都有其自然和共振频率,这取决于画布的大小、重量和张力,以及涂料的使用和方向。 16Hz~50Hz的共振频率范围不利于博物馆画作的保存,因为它正好与画作装载卡车在高速公路上行驶时所产生的振动频率范围一致。

Properly conserving art for Dale Kronkright (right) means protecting art from vibrational stress during transportation. Here he is using a Polytec MPV-800 Multipoint Vibrometer system to analyze the vibrational characteristics of a painted canvas.
图1:对于Dale Kronkright(右)来说,妥善保存即意味着需要使这些艺术珍品在运输过程中免于受到振动应力。他使用Polytec公司的MPV-800多点式激光测振系统来分析画作的振动特性。

在这之前的人们所采用其它测振方法,无法获取画布的第一阶和第二阶振动模态并实现可视化,无法获知画布的振动特性是否与裂纹位置有关,也无法获知博物馆精心设计的运输箱是否可使得画作避开共振频率范围。

Polytec公司的MPV-800多点式激光测振仪和PSV-500全场扫描式激光测振仪,均采用非接触式测量方法,具有高空间分辨率,能获取帆布画作在旅途中的振动频率、振幅、速度和分布情况并可视化。

此外, Polytec激光测振仪通过测量保存在画框和板条箱内的帆布画的运动,还可帮助保管员们对多种缓振和减振措施的效果有更深入的了解。

本次测试里,Polytec的工程师团队同时将MPV-800多点式激光测振仪和PSV-500全场扫描式激光测振仪带到乔治娅·奥·吉弗博物馆测试现场,进行为期一周的测试。

测试时,除博物馆负责人Kronkright外,还邀请了来自Los Alamos国家实验室和Michigan大学的振动工程师们和数学家们,协作分析画作的FFT频谱功率分布。

Frequency spectra measured with laser vibrometry showing the damping behaviour of different transportation solutions for canvas paintings.
图2:使用激光测振仪获取油画在不同运输方案下的阻尼特性

首先测量的是亚麻布画作的描摹本,通过测量,可得知置于精心设计的木质板条箱内部的泡沫垫实际上起了反作用,因为它提高了画作的振动频率在10Hz~40Hz范围内的可能性,而该频率段正是画作应当避开的频率段。Polytec的技术工程师们还实现了油画布的第一阶到第二阶振动模式转换的可视化。

Polytec 的技术团队还使用了MPV-800多点式激光测振仪,测量了乔治娅·奥·吉弗画作真迹的固有频率和画布振动特性。将画作固定在一个直立的画架上,24通道的多点式激光测振仪在画布表面定义好测量网格,测量画架和画布和担架的整个尺寸范围的模态。

使用重量为100g的模态力锤轻敲画架背面,提供标准激励。

通过MPV-800的24通道同步测量系统所获取的频响数据,可以获知画布的第一和第二阶振动模态发生在10Hz~40 Hz范围内,画布振动特性与涂料厚度和历史裂纹位置密切相关。最后,与测量临摹本一样,扫描式激光测振仪也证实了画作真迹采用了轻质刚性蜂窝芯板,前面板使用亚克力板的画框技术具有优越的阻尼特性。

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