超聲波技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)展

蒲紅樹(shù),王秀峰

[1. 陜西科技大學(xué)文理學(xué)院,陜西西安 710021; 2. 陜西省文物保護(hù)利用協(xié)同創(chuàng)新中心(陜西科技大學(xué)),陜西西安 710021;3. 陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(yùn)含的不可替代的社會(huì)歷史、文化藝術(shù)和科學(xué)技術(shù)價(jià)值,無(wú)損檢測(cè)一直是文物保護(hù)領(lǐng)域中研究與應(yīng)用的熱門話題。超聲波技術(shù)作為一種能在不損害被檢測(cè)物體的基礎(chǔ)上對(duì)其表面和內(nèi)部的損傷進(jìn)行評(píng)價(jià)、對(duì)潛在的結(jié)構(gòu)異常進(jìn)行分析的技術(shù),對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與發(fā)掘、為文物修復(fù)提供支持等方面有著巨大的實(shí)用價(jià)值,在文物保護(hù)領(lǐng)域也發(fā)揮著越來(lái)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(zhì)中有效傳播且會(huì)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(cè)中,超聲頻率一般為20～100 kHz;而在金屬的超聲檢測(cè)中,超聲頻率一般會(huì)超過(guò)1 MHz(常用頻率在1～5 MHz之間)[1]。因?yàn)槌暡ㄔ诮橘|(zhì)中遇到聲阻抗不同的異質(zhì)結(jié)面時(shí)會(huì)發(fā)生反射[2-3],所以可以利用這種反射現(xiàn)象來(lái)獲取介質(zhì)內(nèi)部的信息,為研究此介質(zhì)提供研究數(shù)據(jù)。

在文物保護(hù)領(lǐng)域,超聲波技術(shù)仍是一門新興技術(shù)。如何促進(jìn)超聲波技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用并使其進(jìn)一步完善是現(xiàn)今超聲波技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域發(fā)展的熱門話題與攻堅(jiān)難點(diǎn)。

1 不可移動(dòng)文物現(xiàn)場(chǎng)評(píng)測(cè)

不可移動(dòng)文物大多為建筑文物、石質(zhì)文物或木質(zhì)文物。石質(zhì)文物是指由不同材料的巖石加工而成并且具有歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)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(zhì)文物為例,由于常年受外界物理、化學(xué)和生物等因素的共同作用,其表面和內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生各種形式的損傷,其中以表面的風(fēng)化損傷最為明顯。因此,如何評(píng)定石質(zhì)文物的風(fēng)化程度是石質(zhì)文物保護(hù)的一項(xiàng)重要程序。對(duì)石質(zhì)文物風(fēng)化程度的檢測(cè)應(yīng)滿足兩個(gè)基本要求:無(wú)損和高分辨率[4]。遂大多數(shù)檢測(cè)都是采用超聲波技術(shù)進(jìn)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(fēng)化程度可以用被測(cè)巖石與相同材質(zhì)的新鮮巖石的超聲波縱波速比Vp/Vpr來(lái)描述(速率比Kv=Vp/Vpr)(表1)[6-8]。

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

1.1 超聲波CT法原理

運(yùn)用超聲波CT法時(shí)需盡可能全方位對(duì)被測(cè)剖面進(jìn)行透射測(cè)量和縮小超聲波布點(diǎn)的間距,以增大檢測(cè)的準(zhǔn)確度。亦可縮小超聲波探頭直徑或耦合直徑,為布點(diǎn)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(diǎn),R11、R12、……、Rni、Rnj為發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接收點(diǎn)。求解式1便可獲得對(duì)應(yīng)點(diǎn)的超聲波速[6]。

(1)

式中,lij是第i條射線在第j個(gè)單元內(nèi)的路徑長(zhǎng)度;Sj=1/Vj是第j個(gè)單元的慢度值(速度Vj的倒數(shù))[6];ti是第i條射線的走時(shí)值。求解這個(gè)方程便可知每個(gè)點(diǎn)的慢度值,其倒數(shù)便為超聲波速。

1.2 大型石質(zhì)文物風(fēng)化程度檢測(cè)

首先測(cè)量新鮮巖石的超聲波速。新鮮巖石的材質(zhì)必須和待測(cè)巖石的材質(zhì)相同,且要盡可能多地測(cè)量同材料的新鮮巖石的不同個(gè)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(jì)算出同材質(zhì)不同個(gè)體的新鮮巖石超聲波速的平均值Vpr,結(jié)合被測(cè)巖石的超聲波速剖面圖和公式Kv=Vp/Vpr對(duì)被測(cè)巖石超聲波速剖面圖(圖3a)進(jìn)行處理,便可得到被測(cè)巖石的風(fēng)化程度圖(圖3b)[4]。

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

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

超聲波CT技術(shù)在測(cè)定文物風(fēng)化程度領(lǐng)域的運(yùn)用已較為成熟,有著觀測(cè)直觀、數(shù)據(jù)精確、數(shù)據(jù)處理不復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單和成本較低等特點(diǎn),適用于多種中大型石質(zhì)文物的測(cè)量,但對(duì)相對(duì)較小的石質(zhì)文物的風(fēng)化檢測(cè)仍有一定的局限性。

1.3 建筑型文物健康狀況的評(píng)估

對(duì)于建筑文物來(lái)說(shuō),占地面積大且涉及的建筑材料多等情況對(duì)其健康評(píng)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(duì)于石質(zhì)和黏土磚制文物,可以通過(guò)檢測(cè)其風(fēng)化程度、內(nèi)部裂隙等方式來(lái)評(píng)估其健康程度;對(duì)于木質(zhì)文物而言,也可通過(guò)檢測(cè)其內(nèi)部的蟲(chóng)蛀、空洞、腐蝕等程度粗略地評(píng)估其健康程度。根據(jù)不同的文物評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)便可將兩者結(jié)合起來(lái)并輔以具體的檢測(cè)方法,以對(duì)石質(zhì)、木質(zhì)、黏土或其混合的建筑文物進(jìn)行整體的健康評(píng)估,為后期修復(fù)、保護(hù)建筑文物提供一定的參考[9-14]。

2 文物內(nèi)部損傷檢測(cè)

文物內(nèi)部的損傷在外部不易察覺(jué),且因?yàn)槲奈锊馁|(zhì)的不同,所以文物內(nèi)部的損傷對(duì)文物整體性的影響又不盡相同,例如裂紋和空鼓會(huì)對(duì)石質(zhì)文物的內(nèi)部和表面產(chǎn)生影響,而蟲(chóng)蛀和斷裂會(huì)對(duì)木質(zhì)文物的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響等。利用超聲波技術(shù)可以有效探測(cè)到這些內(nèi)部損傷,為修復(fù)和保護(hù)文物的整體結(jié)構(gòu)提供幫助。

2.1 石質(zhì)文物內(nèi)部裂隙探測(cè)

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

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

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

2.2 木柱內(nèi)部蟲(chóng)蛀情況探測(cè)

木質(zhì)文物如果保存不當(dāng)易受蟲(chóng)蛀,內(nèi)部的蟲(chóng)蛀會(huì)使文物更易損壞,例如大型的木質(zhì)承重柱或裝飾柱受到嚴(yán)重蟲(chóng)蛀或內(nèi)部腐爛、中空之后會(huì)因自身的重力發(fā)生倒塌。近年來(lái)木質(zhì)文物的超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也較為成熟[15-22]。因此,及時(shí)采用超聲波技術(shù)對(duì)木質(zhì)文物進(jìn)行定期檢測(cè)可以有效防止此類事件的發(fā)生。

檢測(cè)設(shè)備示例如圖5所示。

圖5 超聲波檢測(cè)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(guò)傳感器收集聲速信號(hào)再加以處理就可以得出木材內(nèi)的損傷程度。設(shè)置的采樣點(diǎn)越多,采樣點(diǎn)兩點(diǎn)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(zhǔn),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(chóng)孔或腐爛或中空孔的直徑?？自酱?超聲波的聲速越慢。結(jié)合圖像處理技術(shù),可獲得如圖7所示的木材內(nèi)部損傷的直觀圖像。

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

圖7 超聲波斷層掃描對(duì)樹(shù)木損傷的評(píng)估[21]Fig.7 Defect evaluation of trees by ultrasonic tomography

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

超聲波技術(shù)在探測(cè)木質(zhì)文物內(nèi)部蟲(chóng)蛀、腐爛和中空情況方面的運(yùn)用仍較少,主要原因是木質(zhì)文物大多都是不可移動(dòng)文物,檢測(cè)較為麻煩,且木質(zhì)文物的大小兩極分化嚴(yán)重,每一種都需要為之建立相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法,提高了檢測(cè)成本。所以,目前常用的木質(zhì)文物損傷檢測(cè)方法仍為觀察法和敲擊法。

2.3 古建筑黏土磚性能的檢測(cè)

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(shù)可以對(duì)黏土磚的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè),對(duì)其整體的性能進(jìn)行評(píng)估[23-25],也能對(duì)建筑文物的保護(hù)起到一定的監(jiān)測(cè)作用。測(cè)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(dāng)其中有損傷時(shí),傳播路徑會(huì)發(fā)生變化,使傳播時(shí)間變長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量傳播時(shí)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(cè)定磚石質(zhì)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(guò)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(diǎn)也非常明顯:該方法只能評(píng)估古建筑磚內(nèi)部的受損程度,而不能確定內(nèi)部具體的受損位置和裂隙走向,且實(shí)驗(yàn)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(cè)結(jié)果只能作為參考,不能作為對(duì)古建筑磚性能定性的依據(jù)。

3 水下文物超聲波探測(cè)

超聲波技術(shù)也可以用來(lái)探測(cè)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(yùn)輸工具以及相關(guān)具有考古價(jià)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(jiàn)光和電磁波,因此常采用聲吶作為探測(cè)海底文物的工具[26-27]。側(cè)掃聲吶和多波束測(cè)深系統(tǒng)能有效探測(cè)海底目標(biāo)物并形成目標(biāo)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(lái)計(jì)算聲吶的頻率,頻率超過(guò)20 kHz的才屬于超聲波探測(cè)范疇。計(jì)算公式為:

(2)

式中,fopt為聲吶的頻率,單位為kHz;rm為探測(cè)距離,單位是km。通過(guò)式2便可粗略計(jì)算聲吶頻率。

聲吶探測(cè)的精度、成像分辨率與聲源波束角和脈沖長(zhǎng)度等因素有關(guān),如表3中的系統(tǒng)1、2和3分別對(duì)應(yīng)圖9a、圖9b和圖9c。因此,只有綜合考量,根據(jù)實(shí)際的探測(cè)情況來(lái)設(shè)計(jì)探測(cè)方法與聲吶頻率才能對(duì)水下文物進(jìn)行有效的定位,從而最大限度地對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

圖9 控制實(shí)驗(yàn)中側(cè)掃聲吶影像對(duì)比圖[27]Fig.9 Comparison of side-scan sonar images

表3 側(cè)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(fù)

4.1 紙質(zhì)文物的脫酸修復(fù)

紙質(zhì)文物是較為常見(jiàn)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(zhì)文物都面臨著老化、變脆的威脅。全世界范圍內(nèi)保存至今的中國(guó)古籍約有5 000萬(wàn)冊(cè),其中收藏在國(guó)內(nèi)各圖書(shū)館和博物館的據(jù)統(tǒng)計(jì)約有3 000萬(wàn)冊(cè)[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(guò)超聲波對(duì)脫酸劑進(jìn)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(guò)濕且干燥時(shí)間較短。表4和表5顯示了碳酸鈉作為脫酸劑對(duì)老化紙張pH的影響和N-羥甲基丙烯酰胺作為脫酸劑對(duì)紙張抗張指數(shù)的影響[30-31]。

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

表5 霧化吸收量對(duì)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(duì)老化的紙張有著明顯的修復(fù)作用。而且超聲波霧化修復(fù)還有著成本低、對(duì)設(shè)備要求簡(jiǎn)單、能批量處理等優(yōu)點(diǎn),在修復(fù)紙張文物老化領(lǐng)域有著極高的性價(jià)比。

4.2 碑文修復(fù)

石質(zhì)文物上的碑文隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生風(fēng)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(shù)可以掃描到碑文表面微小的深度變化來(lái)完成對(duì)碑文的識(shí)別,從而修復(fù)碑文[33]。

其原理如圖10a中所示:超聲波探頭1在某一掃描點(diǎn)上方向掃描界面4發(fā)射一組超聲波,發(fā)射波2在檢測(cè)界面上會(huì)發(fā)生反射,發(fā)射回波3會(huì)重新進(jìn)入超聲波探頭,掃面界面上的凹陷情況便會(huì)反映在時(shí)域回波信號(hào)上,反射首波的包絡(luò)會(huì)有微小向后時(shí)移,所以利用發(fā)射波和回波信號(hào)的聲程差就可以測(cè)量掃描界面的凹陷值[33]。再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理便可得到清晰的掃描結(jié)果(圖10b),進(jìn)而對(duì)碑文進(jìn)行識(shí)別和修復(fù)。

圖10 超聲波反射法原理示意圖(a)和超聲波掃描結(jié)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(duì)文物也有不同程度的影響。而運(yùn)用超聲波原理,可以對(duì)文物進(jìn)行清洗。超聲波清洗所運(yùn)用的原理是超聲波的空化效應(yīng)——具體為超聲波會(huì)使液體中的微小氣泡在超聲波場(chǎng)的作用下振動(dòng)并不斷聚集聲場(chǎng)能量,當(dāng)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí),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(dá)到清洗目的[34]。清洗時(shí)也可結(jié)合化學(xué)試劑或水基清洗劑來(lái)達(dá)到更好的清洗效果。

但對(duì)文物的清洗需要根據(jù)文物的材料以及受污染的程度進(jìn)行具體分析:對(duì)于青銅器上的銹跡、附著的黏土等污垢,要先判定其性質(zhì),再采用機(jī)械除銹的方法,最后用超聲波輔以化學(xué)清洗劑進(jìn)行清洗[35],而要達(dá)到最佳清潔效果,需使超聲波的波長(zhǎng)與青銅器尺寸相近[37];對(duì)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(jìn)行清洗[36];對(duì)于紡織物的清洗需根據(jù)紡織物的耐受程度和抗張性來(lái)判斷是否能進(jìn)行超聲波清洗,若可以,則一般會(huì)結(jié)合不同的化學(xué)試劑對(duì)其進(jìn)行處理,以達(dá)到最佳效果[37-39]。

5 展 望

超聲波技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用中具有非常重要的作用,但要靈活、有效地運(yùn)用超聲波技術(shù)還需要因地制宜,針對(duì)不同的檢測(cè)情況制定具體的檢測(cè)方案,有必要時(shí)還需要建立合適的對(duì)比實(shí)驗(yàn),只有這樣才能使檢測(cè)的結(jié)果更加精確,才能將對(duì)文物的損傷降到最低。本文就超聲波技術(shù)在文物保護(hù)領(lǐng)域常見(jiàn)的應(yīng)用以及基本原理進(jìn)行了分類總結(jié)。超聲波技術(shù)通常被運(yùn)用在不可移動(dòng)文物風(fēng)化程度檢測(cè)、文物內(nèi)部損傷測(cè)定、水下文物探測(cè)和文物修復(fù)等方面?？梢灶A(yù)見(jiàn),未來(lái)在文物保護(hù)領(lǐng)域,通過(guò)對(duì)超聲波儀器的改良、不同超聲波成像算法的整合和檢測(cè)流程的優(yōu)化等,超聲波檢測(cè)的精確性可以得到提高,盡可能實(shí)現(xiàn)同一儀器檢測(cè)不同文物的狀況、同一數(shù)據(jù)庫(kù)囊括不同文物的檢測(cè)算法。超聲波應(yīng)用案例也會(huì)越來(lái)越多,超聲波儀器也會(huì)更加注重實(shí)用性與便攜性,更大程度地助力文物保護(hù)事業(yè)的發(fā)展。