超声波技术在文物保护领域中的应用研究进展

蒲红树,王秀峰

[1. 陕西科技大学文理学院,陕西西安 710021; 2. 陕西省文物保护利用协同创新中心(陕西科技大学),陕西西安 710021;3. 陕西科技大学材料科学与工程学院,陕西西安 710021]

0 引 言

由于文物的不可再生性及其本身所蕴含的不可替代的社会历史、文化艺术和科学技术价值,无损检测一直是文物保护领域中研究与应用的热门话题。超声波技术作为一种能在不损害被检测物体的基础上对其表面和内部的损伤进行评价、对潜在的结构异常进行分析的技术,对考古现场探测与发掘、为文物修复提供支持等方面有着巨大的实用价值,在文物保护领域也发挥着越来越重要的作用。

超声波具有良好的各向异性,能在固体、液体、气体和固溶体等介质中有效传播且会产生声波反射、干涉和叠加的现象。在非金属的超声检测中,超声频率一般为20～100 kHz;而在金属的超声检测中,超声频率一般会超过1 MHz(常用频率在1～5 MHz之间)[1]。因为超声波在介质中遇到声阻抗不同的异质结面时会发生反射[2-3],所以可以利用这种反射现象来获取介质内部的信息,为研究此介质提供研究数据。

在文物保护领域,超声波技术仍是一门新兴技术。如何促进超声波技术在文物保护领域中的应用并使其进一步完善是现今超声波技术在文物保护领域发展的热门话题与攻坚难点。

1 不可移动文物现场评测

不可移动文物大多为建筑文物、石质文物或木质文物。石质文物是指由不同材料的岩石加工而成并且具有历史、艺术和科学价值的物品(如佛像、石狮子、石窟等由石料制成的雕刻品)。以石质文物为例,由于常年受外界物理、化学和生物等因素的共同作用,其表面和内部会产生各种形式的损伤,其中以表面的风化损伤最为明显。因此,如何评定石质文物的风化程度是石质文物保护的一项重要程序。对石质文物风化程度的检测应满足两个基本要求:无损和高分辨率[4]。遂大多数检测都是采用超声波技术进行的[4-7],其中超声波CT法又较为常用[6-7]。根据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》,岩石的风化程度可以用被测岩石与相同材质的新鲜岩石的超声波纵波速比Vp/Vpr来描述(速率比Kv=Vp/Vpr)(表1)[6-8]。

表1 岩石风化程度表[7]Table 1 Determination of weathering degrees of rocks

1.1 超声波CT法原理

运用超声波CT法时需尽可能全方位对被测剖面进行透射测量和缩小超声波布点的间距,以增大检测的准确度。亦可缩小超声波探头直径或耦合直径,为布点间距的缩小提供帮助[6]。超声波CT法的原理如图1所示。

图1 超声波CT法原理图[6]Fig.1 Principle of ultrasonic CT

图1中,S1～Sn为超声波发射点,R11、R12、……、Rni、Rnj为发射点对应的接收点。求解式1便可获得对应点的超声波速[6]。

(1)

式中,lij是第i条射线在第j个单元内的路径长度;Sj=1/Vj是第j个单元的慢度值(速度Vj的倒数)[6];ti是第i条射线的走时值。求解这个方程便可知每个点的慢度值,其倒数便为超声波速。

1.2 大型石质文物风化程度检测

首先测量新鲜岩石的超声波速。新鲜岩石的材质必须和待测岩石的材质相同,且要尽可能多地测量同材料的新鲜岩石的不同个体,求得波速平均值。新鲜岩石的超声波剖面图示例如图2所示。

图2 新鲜岩石的超声波剖面图[6]Fig.2 Ultrasonic CT result of a fresh rock

再计算出同材质不同个体的新鲜岩石超声波速的平均值Vpr,结合被测岩石的超声波速剖面图和公式Kv=Vp/Vpr对被测岩石超声波速剖面图(图3a)进行处理,便可得到被测岩石的风化程度图(图3b)[4]。

图3 波速分布图(a)和岩石风化程度图(b)[4]Fig.3 Wave velocity distribution (a) and weathering degrees(b)

通过处理后的图像便可直观看出被测岩石的风化程度。根据图3b可知,此块岩石的风化主要集中在岩石外围,岩石中心处的风化程度较低。

超声波CT技术在测定文物风化程度领域的运用已较为成熟,有着观测直观、数据精确、数据处理不复杂、实验设计相对简单和成本较低等特点,适用于多种中大型石质文物的测量,但对相对较小的石质文物的风化检测仍有一定的局限性。

1.3 建筑型文物健康状况的评估

对于建筑文物来说,占地面积大且涉及的建筑材料多等情况对其健康评估造成了一定的困难。大多数建筑文物都是由石材、木材和黏土砖建成的。对于石质和黏土砖制文物,可以通过检测其风化程度、内部裂隙等方式来评估其健康程度;对于木质文物而言,也可通过检测其内部的虫蛀、空洞、腐蚀等程度粗略地评估其健康程度。根据不同的文物评估标准便可将两者结合起来并辅以具体的检测方法,以对石质、木质、黏土或其混合的建筑文物进行整体的健康评估,为后期修复、保护建筑文物提供一定的参考[9-14]。

2 文物内部损伤检测

文物内部的损伤在外部不易察觉,且因为文物材质的不同,所以文物内部的损伤对文物整体性的影响又不尽相同,例如裂纹和空鼓会对石质文物的内部和表面产生影响,而虫蛀和断裂会对木质文物的整体结构产生影响等。利用超声波技术可以有效探测到这些内部损伤,为修复和保护文物的整体结构提供帮助。

2.1 石质文物内部裂隙探测

超声波在介质中传播时遇到缺陷部位会发生投射和绕射两种转播形式:断面紧密结合时,表现为投射的特征,波速不会受到太大影响,但会有一定的能量损失,导致接收波的首波幅度降低(图4a);断面分离或有尘土堆积时,表现为绕射的特征,其路径将有所增加,接收波声时,数据也会增大,波速随之变小,同时首波幅度也会降低(图4b)[1]。

图4 超声波在介质中的传播方式[1]Fig.4 Ultrasonic wave propagation modes in media

通过测量形状规则的文物且在检测条件相同的同一检测面上接收波的波速和首波幅度数据便可绘制出检测面的波速分布图和首波幅度分布图,从而得知文物内部的裂隙位置和走向。

2.2 木柱内部虫蛀情况探测

木质文物如果保存不当易受虫蛀,内部的虫蛀会使文物更易损坏,例如大型的木质承重柱或装饰柱受到严重虫蛀或内部腐烂、中空之后会因自身的重力发生倒塌。近年来木质文物的超声波检测技术的发展也较为成熟[15-22]。因此,及时采用超声波技术对木质文物进行定期检测可以有效防止此类事件的发生。

检测设备示例如图5所示。

图5 超声波检测装置示意图[15]Fig.5 Schematic drawing of an ultrasonic testing set-up

其中采用的耦合剂为橡胶耦合剂。通过传感器收集声速信号再加以处理就可以得出木材内的损伤程度。设置的采样点越多,采样点两点之间的连线越靠近木材中心所得到的采样数据越精准,越利于分析定位木材中的具体损伤位置(图6)。

图6中,R为木材直径,d为虫孔或腐烂或中空孔的直径。孔越大,超声波的声速越慢。结合图像处理技术,可获得如图7所示的木材内部损伤的直观图像。

图6 超声波声速与剩余盘径比的关系[21]Fig.6 Relationship between the ultrasonic velocity and residual disc diameter ratio

图7 超声波断层扫描对树木损伤的评估[21]Fig.7 Defect evaluation of trees by ultrasonic tomography

不论是测定石质文物内部的裂隙,还是木质文物中的虫蛀、腐烂和中空现象,其运用的超声波技术都大同小异。需要注意的是,在超声波探头对文物表面进行接触前,应选择对文物危害最小的耦合剂,如石质文物采用黄泥耦合剂而木质文物采用橡胶耦合剂,以此来避免耦合剂对文物的损害和超声波能量的损失[1,15]。

超声波技术在探测木质文物内部虫蛀、腐烂和中空情况方面的运用仍较少,主要原因是木质文物大多都是不可移动文物,检测较为麻烦,且木质文物的大小两极分化严重,每一种都需要为之建立相对应的检测方法,提高了检测成本。所以,目前常用的木质文物损伤检测方法仍为观察法和敲击法。

2.3 古建筑黏土砖性能的检测

除石材和木材外,黏土砖在古建筑中的使用也较为广泛。利用超声波技术可以对黏土砖的各项性能进行检测,对其整体的性能进行评估[23-25],也能对建筑文物的保护起到一定的监测作用。测量方法如图8所示:超声波在完整黏土砖中按直线传播,但当其中有损伤时,传播路径会发生变化,使传播时间变长。通过测量传播时间便可知道黏土砖中裂隙的情况。而超声波的频率取决于砖的尺寸(表2)。

图8 利用超声波速度测定砖石质量的原理[23]Fig.8 Principle of measuring the quality of masonry by ultrasonic velocity

表2 砖尺寸与超声波频率的选择[23]Table 2 Brick size and ultrasonic frequency selection

通过比较不同黏土砖中的超声波声速与新鲜黏土砖中的超声波声速,便可以判断古建筑砖中的受损情况。但其缺点也非常明显:该方法只能评估古建筑砖内部的受损程度,而不能确定内部具体的受损位置和裂隙走向,且实验中不能保证用作参照的新鲜黏土砖的制作工艺和成分与古建筑砖相似。所以此方法的检测结果只能作为参考,不能作为对古建筑砖性能定性的依据。

3 水下文物超声波探测

超声波技术也可以用来探测深藏于水下的各种文化遗产,包括遗址、建筑、房屋、人工制品、人类遗骸、船舶、飞行器、其他运输工具以及相关具有考古价值的环境、自然环境和具有历史意义的物品等[26]。由于声波在海水中的传播速度优于可见光和电磁波,因此常采用声呐作为探测海底文物的工具[26-27]。侧扫声呐和多波束测深系统能有效探测海底目标物并形成目标位置、三维影像图和声像图[26-28]。需要注意的是,声呐的频率范围很广,要根据具体情况来计算声呐的频率,频率超过20 kHz的才属于超声波探测范畴。计算公式为:

(2)

式中,fopt为声呐的频率,单位为kHz;rm为探测距离,单位是km。通过式2便可粗略计算声呐频率。

声呐探测的精度、成像分辨率与声源波束角和脉冲长度等因素有关,如表3中的系统1、2和3分别对应图9a、图9b和图9c。因此,只有综合考量,根据实际的探测情况来设计探测方法与声呐频率才能对水下文物进行有效的定位,从而最大限度地对其进行保护。

图9 控制实验中侧扫声呐影像对比图[27]Fig.9 Comparison of side-scan sonar images

表3 侧扫声呐系统参数[27]Table 3 Parameters of side-scan sonar systems in control experiments

4 文物修复

4.1 纸质文物的脱酸修复

纸质文物是较为常见的文物类别,由于其正确的保存方法很容易被忽略,因而很多纸质文物都面临着老化、变脆的威胁。全世界范围内保存至今的中国古籍约有5 000万册,其中收藏在国内各图书馆和博物馆的据统计约有3 000万册[29],这些古籍大多也面临着纸张老化的威胁。纸张老化的主要原因是纸张酸化[30-32]。通过超声波对脱酸剂进行雾化可以有效地改善纸张的酸化。超声波雾化法可使脱酸剂以极小的雾化液滴喷射到老化纸张表面,使纸张均匀吸收脱酸剂,避免纸张过湿且干燥时间较短。表4和表5显示了碳酸钠作为脱酸剂对老化纸张pH的影响和N-羟甲基丙烯酰胺作为脱酸剂对纸张抗张指数的影响[30-31]。

表4 脱酸剂雾化量与pH的关系[30]Table 4 Relationship between the atomization amount of deacidification agent and pH

表5 雾化吸收量对抗张指数的影响[31]Table 5 Effect of the atomization amount of reinforcement agent on the tensile index

从表中可以看出,利用超声波雾化后的脱酸剂对老化的纸张有着明显的修复作用。而且超声波雾化修复还有着成本低、对设备要求简单、能批量处理等优点,在修复纸张文物老化领域有着极高的性价比。

4.2 碑文修复

石质文物上的碑文随着时间的推移会发生风化、脱落等现象,为后续研究碑文造成一定的阻碍。利用超声波技术可以扫描到碑文表面微小的深度变化来完成对碑文的识别,从而修复碑文[33]。

其原理如图10a中所示:超声波探头1在某一扫描点上方向扫描界面4发射一组超声波,发射波2在检测界面上会发生反射,发射回波3会重新进入超声波探头,扫面界面上的凹陷情况便会反映在时域回波信号上,反射首波的包络会有微小向后时移,所以利用发射波和回波信号的声程差就可以测量扫描界面的凹陷值[33]。再经过数据处理便可得到清晰的扫描结果(图10b),进而对碑文进行识别和修复。

图10 超声波反射法原理示意图(a)和超声波扫描结果(b)[33]Fig.10 Schematic diagram of the ultrasonic reflection method (a) and ultrasonic scanning results (b)

4.3 文物的超声波清洗

文物上附着的各种泥沙、微生物及其代谢产物和锈等对文物也有不同程度的影响。而运用超声波原理,可以对文物进行清洗。超声波清洗所运用的原理是超声波的空化效应——具体为超声波会使液体中的微小气泡在超声波场的作用下振动并不断聚集声场能量,当达到某个阈值时,空化气泡急剧破裂,形成瞬间高压不断冲击物件表面,使附着在其上的污垢迅速剥落,从而达到清洗目的[34]。清洗时也可结合化学试剂或水基清洗剂来达到更好的清洗效果。

但对文物的清洗需要根据文物的材料以及受污染的程度进行具体分析:对于青铜器上的锈迹、附着的黏土等污垢,要先判定其性质,再采用机械除锈的方法,最后用超声波辅以化学清洗剂进行清洗[35],而要达到最佳清洁效果,需使超声波的波长与青铜器尺寸相近[37];对于瓷器的清洗需根据其表面污垢的类型选择不同的超声波聚能头,或采用表面活性剂或酸碱水溶液作为媒液进行清洗[36];对于纺织物的清洗需根据纺织物的耐受程度和抗张性来判断是否能进行超声波清洗,若可以,则一般会结合不同的化学试剂对其进行处理,以达到最佳效果[37-39]。

5 展 望

超声波技术在文物保护领域的实际运用中具有非常重要的作用,但要灵活、有效地运用超声波技术还需要因地制宜,针对不同的检测情况制定具体的检测方案,有必要时还需要建立合适的对比实验,只有这样才能使检测的结果更加精确,才能将对文物的损伤降到最低。本文就超声波技术在文物保护领域常见的应用以及基本原理进行了分类总结。超声波技术通常被运用在不可移动文物风化程度检测、文物内部损伤测定、水下文物探测和文物修复等方面。可以预见,未来在文物保护领域,通过对超声波仪器的改良、不同超声波成像算法的整合和检测流程的优化等,超声波检测的精确性可以得到提高,尽可能实现同一仪器检测不同文物的状况、同一数据库囊括不同文物的检测算法。超声波应用案例也会越来越多,超声波仪器也会更加注重实用性与便携性,更大程度地助力文物保护事业的发展。