石质文物检测

超声波石质文物检测
在石质文物保护中，利用自然岩石与超声波之间的相关关系，能够非常便捷地利用超声波技术来测量自然岩石的超声波波速，进而分析岩石的晶间结合和整体性能等相关情况。

作为弹性波的超声波在石质文物中的传播速度与岩石的弹性性状直接相关，未风化的新鲜岩石其表层力学性质与核心部位相同，而风化了的岩石表层力学性质与核心甚至距离表层深度梯度层间的差异都很大。

超声波波速高对应传播介质的弹性强且力学强度高，反的之，超声波波速较低则说明传播介质的弹性差且力学强度低，换句话说，超声波波速与传播介质（对石质文物而言就是风化岩体）的力学强度成正相关性，US 波速的差异受岩体的风化程度、岩石的组成成分、岩体密度、裂隙的发育程度，岩体含水量等情况的影响。

这也就意味着，US 波速与石质文物的风化程度存在相关度较高的对应关系。

利用 US波对石质文物进行无损检测的原理是利用超声波在石质文物中传播的 US 波速、振幅、能量、及相位与石质文物风化程度之间的关联性来判断石质文物的风化情况，这是应用 US 对石质文物风化程度进行检测的物理理论基础。

更为重要的是，超声波频率高、波长短、无损伤，对石质文物变化的空间分辨可以达到 cm 乃至 mm 的量级。

此外，通过分析 US 在自然岩石传播介质中振幅的变化，还可以进一步分析 US 在传播介质中强度和能量的变化规律，所以应用 US 来分析和评价石质文物整体质量是非常合适的。

目前采用 US 探测石质文物结构形态时主要用到透射波法和反射波法，在某些特殊条件下也会用到折射波等。

1、超声透射波法：将发射探头和接收探头分别放置在被检测岩体两侧，由接收探头接收通过岩体的超声波信号来判断岩体内部裂隙、空洞等结构的；超声透射波法还可以用来研究两个钻孔之间的岩体岩性、构造、结构等。

透射法要求探头之间的距离能够准确测量，测试时可以相同速度同时移动发射探头和接收探头形成平行扫描；亦可保持发射探头不动，以一定间距移动接收探头而形成扇形扫描。

2、超声反射波法：使用收发一体探头，或在岩体单侧以一定间距布置发射探头和接收探头，然后对接收到的岩体反射回来的超声波回波信号来分析岩体的内部结构、裂隙位置及形态等；反射波法也常用来了解钻孔内侧壁岩体内随深度变化的结构和构造等。

3、超声折射波法：通过分析超声波在不同岩体介质界面所产生的滑行波特性，来研究岩体下伏界面超声波速度并确定界面位置的方法称为超声折射波法。

三种方法各有利弊，其中使用平面透射方式时，超声波可深入岩石层内的深度较浅而且能量较低，因此一般只能体现出岩体的表面特征。

当采用对测透射方式时，超声波在石质岩体中传播时其穿透能力较强，传播距离也相应远一些，对应的探测范围也会大一些。

在云冈石窟石雕风化程度的研究中，我们选用平面透射超声波法。

表1 波速与风化等级的划分标准
声时是超声波实验测量得到的一个重要参数，其定义是超声脉冲波从发射换能器发射，经待测介质传播后，到接收换能器接收到首波间所用的时间。

一般是通过接收信号中的第一个初至波即首波（t0）来读取该时间，所以关键是区分出声波波谱前面的噪声信号。

在对 t0判读时，认定落在两条首波控制线之间的幅度很小的波形为噪声，超出控制线后的第一个波谷起跳点位置所对应时间即为首波
t0。

此外，t0中还包括了超声波信号在超声波仪、连接线、换能器之间传播的滞后延时 T0，这个时间并不是测试对象所产生的值，只有将其扣除了才是超声波在介质中的实际传播时间。

对于同一套超声波仪器（包括接收和发射换能器）， 它的滞后延时 T0是一个相对固定的数值。

在每次测试前应先测出超声波系统的滞后延时 T0值，方法是将两个换能器的辐射表面涂上耦合剂后直接接触，并轻微挤压旋转，尽量使中间的耦合层呈现均匀稀薄状态，此时读出的声时值便为T0值。

4、超声波CT 法原理
弹性波CT(包括超声CT)是根据医学CT 原理而来，测试时要求尽可能全方位对被测剖面进行透射测量，才能提高成像精度。

超声波CT 的成像方法原理如图2所示，首先通过扇形测试获取大量的首波走时数据(t s )，然后通过求解大型矩阵方
程来获取被测物体内部超声波速剖面图像，根据速度剖面图像可以直观准确地判定隐患大小分布，是目前最为有效最为精确的测试方法之一。

S n 为超声发射点，
R 11-R nj 为各发射点对应的接收点。

在超声CT检测时，设在成像剖面内共测有N条射线，首先根据测试精度把剖面分为M个单元(网格)(图2)，以射线理论为基础的成像方法归结为求解如下方程：
式中，l
ij 是第i条射线在第j个单元内的路径长度；S
j
=1／V
j
是第，个单元的慢
度值；ti是第i条射线的走时值。

求解这个矩阵方程，即可得出内部每个点的慢度值，其倒数即为对应点的超声波速度。

4.1无字碑网格法超声探测
无字碑，史称历代群碑之冠的大碑，碑高6．30m，宽2．1m，厚1．49m，碑座尺寸为3．3m×2．9m×0．75m，总重量大约98．8t。

在无字碑上部有一条裂隙，这条裂隙主要分布在阳面和碑西侧，这条裂隙进一步的发育是非常危险的，有可能造成裂隙贯穿，使整块碑额沿裂隙塌落；在碑西侧顶部中间有一条裂隙，已经贯穿到碑东侧，且沿垂直方向向下发育；在碑底部的裂隙分布在阳面和西侧，该裂隙的发育会造成碑棱的块状塌落。

根据石碑断面呈长方形的特点，我们采用了网格法。

所谓网格法，是在石刻外部可见裂隙的位置沿一定方向布设断面，并将每个断面划分成若干个小格，在每小格均布设超声波对测点位进行透射波的对测，计算通过各小格的波速比K，并根据K值的大小按有关标准先判断每小格内石刻内部的风化情况，然后综合各小格结果，估算出全断面乃至整个石刻内部风化、裂隙发育的状况。

4.2东1翁仲的超声层析探测
针对断面形状呈近似圆柱形的翁仲，我们和德国巴伐利亚州文物保护局的stefen simon先生合作，对乾陵石刻东1号石翁仲下腰部进行了现场超声层析探测。

该翁仲从腰部附近观察，表面有二条相互交错的裂缝，我们希望借助超声层析的方法对不能直接观察到的情况如该二条裂隙是否在下层有延伸和交错，整个石刻断面的状况(强度)，通过对大量超声波速数据的计算进行拟合，给出可能的解释。

4.2.1测量方法
对东1号翁仲，在离地面1．2m处，我们选了一个与地面平行的近椭圆形剖面，沿圆周等距离布了12个超声波测点，用usG20型便携式超声波探测仪，46kHz 的超声波振源和接收器，以黄土泥为耦合剂(干、湿态都易于去除，且耦合效果显著)，分别以每点为超声波源点，在其余1 1个点接收，共测量了144组超声波波速值。

4.2.2裂隙深度计算
裂隙的发育和延伸，是乾陵石刻保护所要考虑的主要问题，对其深度的估算因而
也显得很重要。

通常情况下，我们用表面法估算。

2/12]1)/[(2/1-=s c t t h
式中，t c 为第一次测量超声波通过裂隙岩的时间；t s 为第二次测量超声波通过同
样长度无裂隙岩的时间；l 为超声波振源与接收器间的距离；h 危为裂隙深度。

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