石質(zhì)文物檢測

超聲波石質(zhì)文物檢測在石質(zhì)文物保護(hù)中，利用自然巖石與超聲波之間的相關(guān)關(guān)系，能夠非常便捷地利用超聲波技術(shù)來測量自然巖石的超聲波波速，進(jìn)而分析巖石的晶間結(jié)合和整體性能等相關(guān)情況。作為彈性波的超聲波在石質(zhì)文物中的傳播速度與巖石的彈性性狀直接相關(guān)，未風(fēng)化的新鮮巖石其表層力學(xué)性質(zhì)與核心部位相同，而風(fēng)化了的巖石表層力學(xué)性質(zhì)與核心甚至距離表層深度梯度層間的差異都很大。超聲波波速高對應(yīng)傳播介質(zhì)的彈性強(qiáng)且力學(xué)強(qiáng)度高，反的之，超聲波波速較低則說明傳播介質(zhì)的彈性差且力學(xué)強(qiáng)度低，換句話說，超聲波波速與傳播介質(zhì)（對石質(zhì)文物而言就是風(fēng)化巖體）的力學(xué)強(qiáng)度成正相關(guān)性，US波速的差異受巖體的風(fēng)化程度、巖石的組成成分、巖體密度、裂隙的發(fā)育程度，巖體含水量等情況的影響。這也就意味著，US波速與石質(zhì)文物的風(fēng)化程度存在相關(guān)度較高的對應(yīng)關(guān)系。利用US波對石質(zhì)文物進(jìn)行無損檢測的原理是利用超聲波在石質(zhì)文物中傳播的US波速、振幅、能量、及相位與石質(zhì)文物風(fēng)化程度之間的關(guān)聯(lián)性來判斷石質(zhì)文物的風(fēng)化情況，這是應(yīng)用US對石質(zhì)文物風(fēng)化程度進(jìn)行檢測的物理理論基礎(chǔ)。更為重要的是，超聲波頻率高、波長短、無損傷，對石質(zhì)文物變化的空間分辨可以達(dá)到cm乃至mm的量級。此外，通過分析US在自然巖石傳播介質(zhì)中振幅的變化，還可以進(jìn)一步分析US在傳播介質(zhì)中強(qiáng)度和能量的變化規(guī)律，所以應(yīng)用US來分析和評價(jià)石質(zhì)文物整體質(zhì)量是非常合適的。目前采用US探測石質(zhì)文物結(jié)構(gòu)形態(tài)時主要用到透射波法和反射波法，在某些特殊條件下也會用到折射波等。1、超聲透射波法：將發(fā)射探頭和接收探頭分別放置在被檢測巖體兩側(cè)，由接收探頭接收通過巖體的超聲波信號來判斷巖體內(nèi)部裂隙、空洞等結(jié)構(gòu)的；超聲透射波法還可以用來研究兩個鉆孔之間的巖體巖性、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)等。透射法要求探頭之間的距離能夠準(zhǔn)確測量，測試時可以相同速度同時移動發(fā)射探頭和接收探頭形成平行掃描;亦可保持發(fā)射探頭不動，以一定間距移動接收探頭而形成扇形掃描。2、 超聲反射波法：使用收發(fā)一體探頭，或在巖體單側(cè)以一定間距布置發(fā)射探頭和接收探頭，然后對接收到的巖體反射回來的超聲波回波信號來分析巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂隙位置及形態(tài)等；反射波法也常用來了解鉆孔內(nèi)側(cè)壁巖體內(nèi)隨深度變化的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等。3、 超聲折射波法：通過分析超聲波在不同巖體介質(zhì)界面所產(chǎn)生的滑行波特性，來研究巖體下伏界面超聲波速度并確定界面位置的方法稱為超聲折射波法。三種方法各有利弊，其中使用平面透射方式時，超聲波可深入巖石層內(nèi)的深度較淺而且能量較低，因此一般只能體現(xiàn)出巖體的表面特征。當(dāng)采用對測透射方式時，超聲波在石質(zhì)巖體中傳播時其穿透能力較強(qiáng)，傳播距離也相應(yīng)遠(yuǎn)一些，對應(yīng)的探測范圍也會大一些。在云岡石窟石雕風(fēng)化程度的研究中，我們選用平面透射超聲波法。細(xì)分國家標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)化程度描述速度比風(fēng)化等級速度比風(fēng)化等級<0.29<026殘積土新近沉積，包括殘積土0.2-0.380.2?0.45全風(fēng)化結(jié)構(gòu)幾乎完全破壞，風(fēng)化裂隙及其發(fā)育0.3-0.4704?0.560.4?0.64強(qiáng)風(fēng)化結(jié)構(gòu)大部分破壞，風(fēng)化裂隙很發(fā)育0A0.650.6?0.740.6?0.83中等風(fēng)化結(jié)構(gòu)部分破壞，風(fēng)化裂隙發(fā)育0.7-0.8303?0.920.8?0.92微風(fēng)化結(jié)構(gòu)基本未變，有少量風(fēng)化裂隙0一9?110.9-11未風(fēng)化巖芯新鮮，偶有風(fēng)化痕跡和裂隙表1波速與風(fēng)化等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)聲時是超聲波實(shí)驗(yàn)測量得到的一個重要參數(shù)，其定義是超聲脈沖波從發(fā)射換能器發(fā)射，經(jīng)待測介質(zhì)傳播后，到接收換能器接收到首波間所用的時間。一般是通過接收信號中的第一個初至波即首波（t0）來讀取該時間，所以關(guān)鍵是區(qū)分出聲波波譜前面的噪聲信號。在對t0判讀時，認(rèn)定落在兩條首波控制線之間的幅度很小的波形為噪聲，超出控制線后的第一個波谷起跳點(diǎn)位置所對應(yīng)時間即為首波

t0。此外，t0中還包括了超聲波信號在超聲波儀、連接線、換能器之間傳播的滯后延時T0，這個時間并不是測試對象所產(chǎn)生的值，只有將其扣除了才是超聲波在介質(zhì)中的實(shí)際傳播時間。對于同一套超聲波儀器（包括接收和發(fā)射換能器），它的滯后延時T0是一個相對固定的數(shù)值。在每次測試前應(yīng)先測出超聲波系統(tǒng)的滯后延時T0值，方法是將兩個換能器的輻射表面涂上耦合劑后直接接觸，并輕微擠壓旋轉(zhuǎn)，盡量使中間的耦合層呈現(xiàn)均勻稀薄狀態(tài)，此時讀出的聲時值便為T0值。4、超聲波CT法原理彈性波CT（包括超聲CT）是根據(jù)醫(yī)學(xué)CT原理而來，測試時要求盡可能全方位對被測剖面進(jìn)行透射測量，才能提高成像精度。超聲波CT的成像方法原理如圖2所示，首先通過扇形測試獲取大量的首波走時數(shù)據(jù)（匕），然后通過求解大型矩陣方程來獲取被測物體內(nèi)部超聲波速剖面圖像，根據(jù)速度剖面圖像可以直觀準(zhǔn)確地判定隱患大小分布，是目前最為有效最為精確的測試方法之一。sn為超聲發(fā)射點(diǎn)，Rii-Rnj為各發(fā)射點(diǎn)對應(yīng)的接收點(diǎn)。2超聲波CT成像原理圖ITio) nfiiltracon「T在超聲CT檢測時，設(shè)在成像剖面內(nèi)共測有N條射線，首先根據(jù)測試精度把剖面分為M個單元（網(wǎng)格）（圖2），以射線理論為基礎(chǔ)的成像方法歸結(jié)為求解如下方程:式中，七是第i條射線在第j個單元內(nèi)的路徑長度；Sj=1/Vj是第，個單元的慢度值；ti是第i條射線的走時值。求解這個矩陣方程，即可得出內(nèi)部每個點(diǎn)的慢度值，其倒數(shù)即為對應(yīng)點(diǎn)的超聲波速度。4.1無字碑網(wǎng)格法超聲探測無字碑，史稱歷代群碑之冠的大碑，碑高6.30m，寬2.1m，厚1.49m，碑座尺寸為3.3mX2.9mX0.75m，總重量大約98.8t。在無字碑上部有一條裂隙，這條裂隙主要分布在陽面和碑西側(cè)，這條裂隙進(jìn)一步的發(fā)育是非常危險(xiǎn)的，有可能造成裂隙貫穿，使整塊碑額沿裂隙塌落；在碑西側(cè)頂部中間有一條裂隙，已經(jīng)貫穿到碑東側(cè)，且沿垂直方向向下發(fā)育；在碑底部的裂隙分布在陽面和西側(cè)，該裂隙的發(fā)育會造成碑棱的塊狀塌落。根據(jù)石碑?dāng)嗝娉书L方形的特點(diǎn)，我們采用了網(wǎng)格法。所謂網(wǎng)格法，是在石刻外部可見裂隙的位置沿一定方向布設(shè)斷面，并將每個斷面劃分成若十個小格，在每小格均布設(shè)超聲波對測點(diǎn)位進(jìn)行透射波的對測，計(jì)算通過各小格的波速比K，并根據(jù)K值的大小按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)先判斷每小格內(nèi)石刻內(nèi)部的風(fēng)化情況，然后綜合各小格結(jié)果，估算出全斷面乃至整個石刻內(nèi)部風(fēng)化、裂隙發(fā)育的狀況。4.2東1翁仲的超聲層析探測針對斷面形狀呈近似圓柱形的翁仲，我們和德國巴伐利亞州文物保護(hù)局的stefensimon先生合作，對乾陵石刻東1號石翁仲下腰部進(jìn)行了現(xiàn)場超聲層析探測。該翁仲從腰部附近觀察，表面有二條相互交錯的裂縫，我們希望借助超聲層析的方法對不能直接觀察到的情況如該二條裂隙是否在下層有延伸和交錯，整個石刻斷面的狀況（強(qiáng)度），通過對大量超聲波速數(shù)據(jù)的計(jì)算進(jìn)行擬合，給出可能的解釋。4.2.1測量方法對東1號翁仲，在離地面1.2m處，我們選了一個與地面平行的近橢圓形剖面，沿圓周等距離布了12個超聲波測點(diǎn)，用usG20型便攜式超聲波探測儀，46kHz的超聲波振源和接收器，以黃土泥為耦合劑（十、濕態(tài)都易于去除，且耦合效果顯著），分別以每點(diǎn)為超聲波源點(diǎn)，在其余11個點(diǎn)接收，共測量了144組超聲波波速值。表7Table7'各點(diǎn)位超聲波傳播時間（JAS）Spreadtimeofultrasonicinpoint點(diǎn)位1234567891011 121.240.23105.864.24621.8381,871.85557.8525.8131.841.86685.8741.8393.889.841.87693.8813.8329.8125.8786.833.48541.864L8297.8155.8114.871.442.69321.8333.8189.818L8143.8114.893.863.810179.8333.8293.8325.8361.8241.8297.8187.887.811153.8321.8345.8401.8357.8309.8297.8217.8113.837.81260.2106.8267.8433.8617.8781.8389.8305.S201.893.860.24.2.2裂隙深度計(jì)算裂隙的發(fā)育和延伸，是乾陵石刻保護(hù)所要考慮的主要問題，對其深度的估算因而也顯得很重要。通常情況下，我們用表面法估算。h=1/2[(t/1)2-1]1/2式中，tc為第一次測量超聲波通過裂隙巖的時間；ts為第二次測量超聲波通過同樣長度無裂隙巖的時間；l為超聲波振源與接收器間的距離；h危為裂隙深度。參考文獻(xiàn)甄剛，秦立科，馬宏林.乾陵無字碑裂隙分布情況調(diào)查及其穩(wěn)定性分析[J].文博，2015(1).馬濤，孫淵，SimonS.乾陵石刻內(nèi)部裂隙的超聲波探測研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2002,14(2):9-20.馬宏林.超聲CT技術(shù)在乾陵石刻風(fēng)化狀況調(diào)查中的應(yīng)用[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2015,27(z1):64-70.馬宏林，甄剛，閆敏，等.超聲波速分析及首波幅度分析方法在石質(zhì)文物裂隙檢測中的應(yīng)用[J].文博，2015(6):90-94.齊揚(yáng)，方云，周偉強(qiáng)，等.唐陵石刻保護(hù)中新技術(shù)的應(yīng)用[J].石窟寺研究，2010(00).孫進(jìn)忠，陳祥，袁加貝，等.石質(zhì)文物風(fēng)化程度超聲波