蒲紅樹,王秀峰

[1. 陜西科技大學文理學院,陜西西安 710021; 2. 陜西省文物保護利用協(xié)同創(chuàng)新中心(陜西科技大學),陜西西安 710021;3. 陜西科技大學材料科學與工程學院,陜西西安 710021]

0 引 言

由于文物的不可再生性及其本身所蘊含的不可替代的社會歷史、文化藝術和科學技術價值,無損檢測一直是文物保護領域中研究與應用的熱門話題。超聲波技術作為一種能在不損害被檢測物體的基礎上對其表面和內部的損傷進行評價、對潛在的結構異常進行分析的技術,對考古現(xiàn)場探測與發(fā)掘、為文物修復提供支持等方面有著巨大的實用價值,在文物保護領域也發(fā)揮著越來越重要的作用。

超聲波具有良好的各向異性,能在固體、液體、氣體和固溶體等介質中有效傳播且會產(chǎn)生聲波反射、干涉和疊加的現(xiàn)象。在非金屬的超聲檢測中,超聲頻率一般為20～100 kHz;而在金屬的超聲檢測中,超聲頻率一般會超過1 MHz(常用頻率在1～5 MHz之間)[1]。因為超聲波在介質中遇到聲阻抗不同的異質結面時會發(fā)生反射[2-3],所以可以利用這種反射現(xiàn)象來獲取介質內部的信息,為研究此介質提供研究數(shù)據(jù)。

在文物保護領域,超聲波技術仍是一門新興技術。如何促進超聲波技術在文物保護領域中的應用并使其進一步完善是現(xiàn)今超聲波技術在文物保護領域發(fā)展的熱門話題與攻堅難點。

1 不可移動文物現(xiàn)場評測

不可移動文物大多為建筑文物、石質文物或木質文物。石質文物是指由不同材料的巖石加工而成并且具有歷史、藝術和科學價值的物品(如佛像、石獅子、石窟等由石料制成的雕刻品)。以石質文物為例,由于常年受外界物理、化學和生物等因素的共同作用,其表面和內部會產(chǎn)生各種形式的損傷,其中以表面的風化損傷最為明顯。因此,如何評定石質文物的風化程度是石質文物保護的一項重要程序。對石質文物風化程度的檢測應滿足兩個基本要求:無損和高分辨率[4]。遂大多數(shù)檢測都是采用超聲波技術進行的[4-7],其中超聲波CT法又較為常用[6-7]。根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》,巖石的風化程度可以用被測巖石與相同材質的新鮮巖石的超聲波縱波速比Vp/Vpr來描述(速率比Kv=Vp/Vpr)(表1)[6-8]。

表1 巖石風化程度表[7]Table 1 Determination of weathering degrees of rocks

1.1 超聲波CT法原理

運用超聲波CT法時需盡可能全方位對被測剖面進行透射測量和縮小超聲波布點的間距,以增大檢測的準確度。亦可縮小超聲波探頭直徑或耦合直徑,為布點間距的縮小提供幫助[6]。超聲波CT法的原理如圖1所示。

圖1 超聲波CT法原理圖[6]Fig.1 Principle of ultrasonic CT

圖1中,S1～Sn為超聲波發(fā)射點,R11、R12、……、Rni、Rnj為發(fā)射點對應的接收點。求解式1便可獲得對應點的超聲波速[6]。

(1)

式中,lij是第i條射線在第j個單元內的路徑長度;Sj=1/Vj是第j個單元的慢度值(速度Vj的倒數(shù))[6];ti是第i條射線的走時值。求解這個方程便可知每個點的慢度值,其倒數(shù)便為超聲波速。

1.2 大型石質文物風化程度檢測

首先測量新鮮巖石的超聲波速。新鮮巖石的材質必須和待測巖石的材質相同,且要盡可能多地測量同材料的新鮮巖石的不同個體,求得波速平均值。新鮮巖石的超聲波剖面圖示例如圖2所示。

圖2 新鮮巖石的超聲波剖面圖[6]Fig.2 Ultrasonic CT result of a fresh rock

再計算出同材質不同個體的新鮮巖石超聲波速的平均值Vpr,結合被測巖石的超聲波速剖面圖和公式Kv=Vp/Vpr對被測巖石超聲波速剖面圖(圖3a)進行處理,便可得到被測巖石的風化程度圖(圖3b)[4]。

圖3 波速分布圖(a)和巖石風化程度圖(b)[4]Fig.3 Wave velocity distribution (a) and weathering degrees(b)

通過處理后的圖像便可直觀看出被測巖石的風化程度。根據(jù)圖3b可知,此塊巖石的風化主要集中在巖石外圍,巖石中心處的風化程度較低。

超聲波CT技術在測定文物風化程度領域的運用已較為成熟,有著觀測直觀、數(shù)據(jù)精確、數(shù)據(jù)處理不復雜、實驗設計相對簡單和成本較低等特點,適用于多種中大型石質文物的測量,但對相對較小的石質文物的風化檢測仍有一定的局限性。

1.3 建筑型文物健康狀況的評估

對于建筑文物來說,占地面積大且涉及的建筑材料多等情況對其健康評估造成了一定的困難。大多數(shù)建筑文物都是由石材、木材和黏土磚建成的。對于石質和黏土磚制文物,可以通過檢測其風化程度、內部裂隙等方式來評估其健康程度;對于木質文物而言,也可通過檢測其內部的蟲蛀、空洞、腐蝕等程度粗略地評估其健康程度。根據(jù)不同的文物評估標準便可將兩者結合起來并輔以具體的檢測方法,以對石質、木質、黏土或其混合的建筑文物進行整體的健康評估,為后期修復、保護建筑文物提供一定的參考[9-14]。

2 文物內部損傷檢測

文物內部的損傷在外部不易察覺,且因為文物材質的不同,所以文物內部的損傷對文物整體性的影響又不盡相同,例如裂紋和空鼓會對石質文物的內部和表面產(chǎn)生影響,而蟲蛀和斷裂會對木質文物的整體結構產(chǎn)生影響等。利用超聲波技術可以有效探測到這些內部損傷,為修復和保護文物的整體結構提供幫助。

2.1 石質文物內部裂隙探測

超聲波在介質中傳播時遇到缺陷部位會發(fā)生投射和繞射兩種轉播形式:斷面緊密結合時,表現(xiàn)為投射的特征,波速不會受到太大影響,但會有一定的能量損失,導致接收波的首波幅度降低(圖4a);斷面分離或有塵土堆積時,表現(xiàn)為繞射的特征,其路徑將有所增加,接收波聲時,數(shù)據(jù)也會增大,波速隨之變小,同時首波幅度也會降低(圖4b)[1]。

圖4 超聲波在介質中的傳播方式[1]Fig.4 Ultrasonic wave propagation modes in media

通過測量形狀規(guī)則的文物且在檢測條件相同的同一檢測面上接收波的波速和首波幅度數(shù)據(jù)便可繪制出檢測面的波速分布圖和首波幅度分布圖,從而得知文物內部的裂隙位置和走向。

2.2 木柱內部蟲蛀情況探測

木質文物如果保存不當易受蟲蛀,內部的蟲蛀會使文物更易損壞,例如大型的木質承重柱或裝飾柱受到嚴重蟲蛀或內部腐爛、中空之后會因自身的重力發(fā)生倒塌。近年來木質文物的超聲波檢測技術的發(fā)展也較為成熟[15-22]。因此,及時采用超聲波技術對木質文物進行定期檢測可以有效防止此類事件的發(fā)生。

檢測設備示例如圖5所示。

圖5 超聲波檢測裝置示意圖[15]Fig.5 Schematic drawing of an ultrasonic testing set-up

其中采用的耦合劑為橡膠耦合劑。通過傳感器收集聲速信號再加以處理就可以得出木材內的損傷程度。設置的采樣點越多,采樣點兩點之間的連線越靠近木材中心所得到的采樣數(shù)據(jù)越精準,越利于分析定位木材中的具體損傷位置(圖6)。

圖6中,R為木材直徑,d為蟲孔或腐爛或中空孔的直徑?？自酱?超聲波的聲速越慢。結合圖像處理技術,可獲得如圖7所示的木材內部損傷的直觀圖像。

圖6 超聲波聲速與剩余盤徑比的關系[21]Fig.6 Relationship between the ultrasonic velocity and residual disc diameter ratio

圖7 超聲波斷層掃描對樹木損傷的評估[21]Fig.7 Defect evaluation of trees by ultrasonic tomography

不論是測定石質文物內部的裂隙,還是木質文物中的蟲蛀、腐爛和中空現(xiàn)象,其運用的超聲波技術都大同小異。需要注意的是,在超聲波探頭對文物表面進行接觸前,應選擇對文物危害最小的耦合劑,如石質文物采用黃泥耦合劑而木質文物采用橡膠耦合劑,以此來避免耦合劑對文物的損害和超聲波能量的損失[1,15]。

超聲波技術在探測木質文物內部蟲蛀、腐爛和中空情況方面的運用仍較少,主要原因是木質文物大多都是不可移動文物,檢測較為麻煩,且木質文物的大小兩極分化嚴重,每一種都需要為之建立相對應的檢測方法,提高了檢測成本。所以,目前常用的木質文物損傷檢測方法仍為觀察法和敲擊法。

2.3 古建筑黏土磚性能的檢測

除石材和木材外,黏土磚在古建筑中的使用也較為廣泛。利用超聲波技術可以對黏土磚的各項性能進行檢測,對其整體的性能進行評估[23-25],也能對建筑文物的保護起到一定的監(jiān)測作用。測量方法如圖8所示:超聲波在完整黏土磚中按直線傳播,但當其中有損傷時,傳播路徑會發(fā)生變化,使傳播時間變長。通過測量傳播時間便可知道黏土磚中裂隙的情況。而超聲波的頻率取決于磚的尺寸(表2)。

圖8 利用超聲波速度測定磚石質量的原理[23]Fig.8 Principle of measuring the quality of masonry by ultrasonic velocity

表2 磚尺寸與超聲波頻率的選擇[23]Table 2 Brick size and ultrasonic frequency selection

通過比較不同黏土磚中的超聲波聲速與新鮮黏土磚中的超聲波聲速,便可以判斷古建筑磚中的受損情況。但其缺點也非常明顯:該方法只能評估古建筑磚內部的受損程度,而不能確定內部具體的受損位置和裂隙走向,且實驗中不能保證用作參照的新鮮黏土磚的制作工藝和成分與古建筑磚相似。所以此方法的檢測結果只能作為參考,不能作為對古建筑磚性能定性的依據(jù)。

3 水下文物超聲波探測

超聲波技術也可以用來探測深藏于水下的各種文化遺產(chǎn),包括遺址、建筑、房屋、人工制品、人類遺骸、船舶、飛行器、其他運輸工具以及相關具有考古價值的環(huán)境、自然環(huán)境和具有歷史意義的物品等[26]。由于聲波在海水中的傳播速度優(yōu)于可見光和電磁波,因此常采用聲吶作為探測海底文物的工具[26-27]。側掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)能有效探測海底目標物并形成目標位置、三維影像圖和聲像圖[26-28]。需要注意的是,聲吶的頻率范圍很廣,要根據(jù)具體情況來計算聲吶的頻率,頻率超過20 kHz的才屬于超聲波探測范疇。計算公式為:

(2)

式中,fopt為聲吶的頻率,單位為kHz;rm為探測距離,單位是km。通過式2便可粗略計算聲吶頻率。

聲吶探測的精度、成像分辨率與聲源波束角和脈沖長度等因素有關,如表3中的系統(tǒng)1、2和3分別對應圖9a、圖9b和圖9c。因此,只有綜合考量,根據(jù)實際的探測情況來設計探測方法與聲吶頻率才能對水下文物進行有效的定位,從而最大限度地對其進行保護。

圖9 控制實驗中側掃聲吶影像對比圖[27]Fig.9 Comparison of side-scan sonar images

表3 側掃聲吶系統(tǒng)參數(shù)[27]Table 3 Parameters of side-scan sonar systems in control experiments

4 文物修復

4.1 紙質文物的脫酸修復

紙質文物是較為常見的文物類別,由于其正確的保存方法很容易被忽略,因而很多紙質文物都面臨著老化、變脆的威脅。全世界范圍內保存至今的中國古籍約有5 000萬冊,其中收藏在國內各圖書館和博物館的據(jù)統(tǒng)計約有3 000萬冊[29],這些古籍大多也面臨著紙張老化的威脅。紙張老化的主要原因是紙張酸化[30-32]。通過超聲波對脫酸劑進行霧化可以有效地改善紙張的酸化。超聲波霧化法可使脫酸劑以極小的霧化液滴噴射到老化紙張表面,使紙張均勻吸收脫酸劑,避免紙張過濕且干燥時間較短。表4和表5顯示了碳酸鈉作為脫酸劑對老化紙張pH的影響和N-羥甲基丙烯酰胺作為脫酸劑對紙張抗張指數(shù)的影響[30-31]。

表4 脫酸劑霧化量與pH的關系[30]Table 4 Relationship between the atomization amount of deacidification agent and pH

表5 霧化吸收量對抗張指數(shù)的影響[31]Table 5 Effect of the atomization amount of reinforcement agent on the tensile index

從表中可以看出,利用超聲波霧化后的脫酸劑對老化的紙張有著明顯的修復作用。而且超聲波霧化修復還有著成本低、對設備要求簡單、能批量處理等優(yōu)點,在修復紙張文物老化領域有著極高的性價比。

4.2 碑文修復

石質文物上的碑文隨著時間的推移會發(fā)生風化、脫落等現(xiàn)象,為后續(xù)研究碑文造成一定的阻礙。利用超聲波技術可以掃描到碑文表面微小的深度變化來完成對碑文的識別,從而修復碑文[33]。

其原理如圖10a中所示:超聲波探頭1在某一掃描點上方向掃描界面4發(fā)射一組超聲波,發(fā)射波2在檢測界面上會發(fā)生反射,發(fā)射回波3會重新進入超聲波探頭,掃面界面上的凹陷情況便會反映在時域回波信號上,反射首波的包絡會有微小向后時移,所以利用發(fā)射波和回波信號的聲程差就可以測量掃描界面的凹陷值[33]。再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便可得到清晰的掃描結果(圖10b),進而對碑文進行識別和修復。

圖10 超聲波反射法原理示意圖(a)和超聲波掃描結果(b)[33]Fig.10 Schematic diagram of the ultrasonic reflection method (a) and ultrasonic scanning results (b)

4.3 文物的超聲波清洗

文物上附著的各種泥沙、微生物及其代謝產(chǎn)物和銹等對文物也有不同程度的影響。而運用超聲波原理,可以對文物進行清洗。超聲波清洗所運用的原理是超聲波的空化效應——具體為超聲波會使液體中的微小氣泡在超聲波場的作用下振動并不斷聚集聲場能量,當達到某個閾值時,空化氣泡急劇破裂,形成瞬間高壓不斷沖擊物件表面,使附著在其上的污垢迅速剝落,從而達到清洗目的[34]。清洗時也可結合化學試劑或水基清洗劑來達到更好的清洗效果。

但對文物的清洗需要根據(jù)文物的材料以及受污染的程度進行具體分析:對于青銅器上的銹跡、附著的黏土等污垢,要先判定其性質,再采用機械除銹的方法,最后用超聲波輔以化學清洗劑進行清洗[35],而要達到最佳清潔效果,需使超聲波的波長與青銅器尺寸相近[37];對于瓷器的清洗需根據(jù)其表面污垢的類型選擇不同的超聲波聚能頭,或采用表面活性劑或酸堿水溶液作為媒液進行清洗[36];對于紡織物的清洗需根據(jù)紡織物的耐受程度和抗張性來判斷是否能進行超聲波清洗,若可以,則一般會結合不同的化學試劑對其進行處理,以達到最佳效果[37-39]。

5 展 望

超聲波技術在文物保護領域的實際運用中具有非常重要的作用,但要靈活、有效地運用超聲波技術還需要因地制宜,針對不同的檢測情況制定具體的檢測方案,有必要時還需要建立合適的對比實驗,只有這樣才能使檢測的結果更加精確,才能將對文物的損傷降到最低。本文就超聲波技術在文物保護領域常見的應用以及基本原理進行了分類總結。超聲波技術通常被運用在不可移動文物風化程度檢測、文物內部損傷測定、水下文物探測和文物修復等方面?？梢灶A見,未來在文物保護領域,通過對超聲波儀器的改良、不同超聲波成像算法的整合和檢測流程的優(yōu)化等,超聲波檢測的精確性可以得到提高,盡可能實現(xiàn)同一儀器檢測不同文物的狀況、同一數(shù)據(jù)庫囊括不同文物的檢測算法。超聲波應用案例也會越來越多,超聲波儀器也會更加注重實用性與便攜性,更大程度地助力文物保護事業(yè)的發(fā)展。