超声CT方法检测古建筑木构件缺陷研究
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2022-04-01 09:11 来源:文物保护与考古科学
摘 要：为实现建筑木构件裂缝及孔洞的检测，采用自主研发的整套超声CT检测系统，包括非金属超声检测仪、微弱信号放大系统、探头直径转换系统、多探头固定系统和超声CT分析软件。检测中采用干耦合技术，不使用任何耦合剂，避免了耦合剂对木质文物的污染。通过实验室标准试块检测得到了与试块实况吻合的检测结果，并对陕西西岳庙古建筑木构件进行了实地检测，取得了良好的检测效果。
中国古代建筑主要以砖木结构为主，古建筑的整体重力主要由木构件来分解和承担。而木构件中立柱、大梁及斗拱的木材缺陷已经成为严重危害古建筑安全性的主要因素。古建筑健康评估及保护维修中，对于木构件保存状况的评估是一个很重要的问题，评估结果将为决定对该构件采取何种保护措施提供依据。
应用在木材缺陷的无损检测技术很多，如微波技术、激光技术、x射线技术、核磁技术以及基于声与超声的应力波技术。由于受检测成本和野外检测等因素的影响，微波技术、激光技术、X射线技术以及核磁技术在使用中都有不足之处；而超声波检测技术，其检测成本低和现场检测便利，使其应用广泛。中外学者应用超声波对木材进行检测，主要以超声波在木材中传播的弹性模量和速度为检测标准，运用超声波首波法提取超声波在木材中传播的时间和速度。木材如有缺陷，超声波在其中的传播路径就会改变。接收探头最先接收到的声波信号是探头接触平面上某一点最先到达的超声波波前信号，形成超声仪接受的首波信号。后续波会与先期到达的波列叠加产生的叠加信号，其中包含了木材内部的各种信息。由于后续波形成的复杂性，对后续波形的分析就十分复杂，这是超声波检测分析中以首波声时和幅值为首要判据的原因。以往木材超声检测多采用单一的透射法进行。
笔者研发了一套可用于古建木构件检测的超声CT系统，包括IUs2011 Pundit Lab+非金属超声波检测仪、信号放大与多通道控制箱、换能器直径转换装置、多换能器固定装置和超声CT分析软件。换能器采用SONOTEC L40 54kHz纵波换能器，分析软件为本研究小组研发的超声CT分析软件。检测中采用干耦合技术，不使用任何耦合剂，避免了耦合剂对木质文物的污染。
通过实验室标准试块检测得到了与试块实况吻合的检测结果，并对陕西西岳庙古建筑木构件进行了实地检测，取得了良好的检测效果。
超声CT检测原理在很多文献中都已有叙述，这里予以简要介绍。
在超声CT检测时，多采用两则、三则、四则透射及组合透射方法(图1)。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)，以射线理论为基础的成像方法归结为求解如下方程:
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；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。求出各个像元的超声波速值，合理划分各个波速段的显示颜色，在成像结果图上予以显示。
Fig. 1 Detecting system of ultrasonic CT
超声CT检测中，常出现由于探测点坐标不准确引入测量误差，从而导致解析结果误差的情况。同时，超声波的指向性与超声换能器的半扩散角密切相关，换能器的半扩散角越小，指向性也越好。换能器的半扩散角与探头的直径成反比。换能器与木材表面接触面积过大也会引入检测误差。可采用成本较高的锥形换能器解决这一问题，采用的换能器直径为50mm，所以设计了将接触点转换为直径10mm的转换装置。
穿透法超声检测中，基本都是采用两个换能器一发一收，用人力将换能器压在被测物体表面，检测中需要在换能器与被测物体之间涂抹液态或胶体态耦合剂。笔者研制了多换能器固定装置，利用两个尼龙绑带夹将最多20个换能器固定于被测剖面(图2)。换能器直径装换装置与每个换能器固定块之间采用螺旋连接，可保证换能器与凹凸不平的被测剖面有效接触。同时，利用绑带夹收紧产生压力将使换能器与被测表面有效压紧，既解决了需要人力压紧换能器的问题，又实现了干耦合检测，避免对木质文物引入未知的人为污染。
Fig. 2 Multi - sensor fixing apparatus
采用干耦合技术，不可避免地降低了接收信号的幅度。设计制作了信号放大与多通道控制箱，以解决弱信号无法采集及换能器发射接收转换问题。
配合作者研发的超声CT分析软件，形成的超声CT检测系统框图见图3。全套设备纳入一个设备箱中，便于携带进行现场检测，现场检测场景见图4。
Fig. 3 Block diagram of ultrsonic CT system
图5～7为实验室检测的标准试块原貌和超声CT成像图谱，结果表明超声CT成像结果可较为准确地反映试块内部缺陷的位置和大小。试块1为一直径22cm的圆形松木试块，试块2为一直径28cm的不规则圆形松木试块，试块3为一直径22cm的圆形松木试块，试块圆周存在几条大小不等的裂隙。成像结果表明超声CT系统能够较准确地反映木块裂隙情况，并能准确反映木材内部密度分布情况。
Fig．5 Sample l and the result
Fig．6 Sample 2 and the result
Fig．7 Sample 3 and the result
西岳庙是1988年国务院公布的第三批全国重点文物保护单位，是专为祭祀五岳之一华山之神的庙宇，始建于汉武帝元光元年(公元前134年)，兴盛于唐宋，定型于明清。西岳庙大殿灏灵殿(图8)坐北朝南，面宽七间、进深五间，周有回廊环绕，单檐歇山顶，是西北地区现存最大的殿宇。殿有68根柱，殿高16．81m。从整体结构看，加上廊步共九间，廊柱、金柱和内槽柱随势升高达七举，梁架均为草架形式，只在外廊檐部设有斗拱，结构独特。选取灏灵殿两根外檐木柱进行了超声CT检测，木柱直径55cm。
北檐东3木柱，选取了离地55cm及168cm两个层面进行了超声CT检测实验(图9～11)。每层布满20个超声探头。圆形剖面20个探头观测系统基本一致。
Fig. 9 Detection system for the pillars of Haoling Hall
Fig．10 Location of the sections of pillar N—E 3
Fig．11 Results of the sections of pillar N—E 3
成像结果分析：灏灵殿北檐东三木柱内部有低于1500m／s的低波速区域，疑为空洞区域或裂缝存在。其他表面低速区域为表面裂缝。
选取灏灵殿外檐东北角立柱底层检测了一个剖面，成像结果(图12)显示内部超声波速为2000～3000／s，为木材正常波速，内部状况良好。表面低速区域为表面裂缝的表现。
Fig．12 Location and result of
the section of pillar N—E l
东碑亭内四角各有一根直径40cm的立柱，肉眼观察保存状况较差，甚至存在纵向贯通裂缝。由于超声波不能穿过贯通裂缝，且立柱残存彩画地仗影响超声检测，故选取了2个不存在贯通裂缝，并不残存彩画地仗的立柱共3个层面进行检测。每个剖面布设15个探头，观测系统如（图13）所示。
Fig．13 Detection system of inner pillars
of the East Tablet Pavilion
东碑亭西北内柱南侧存在一条较大的裂隙，避开残存彩画地仗后，选取了靠近底部的一个剖面进行检测(图14)。
图14 两岳庙东碑亭西北内柱底部剖面位置及成像结果
Fig．14 Location an rsult of the section of pillar N—W
成像结果分析：东碑亭西北内柱底部整体超声波速低于1000m／s，属于重度腐朽状况，成像结果显示肉眼观察所见裂隙接近贯通。
东碑亭西南内柱保存状况良好，避开残存彩画地仗后，在离地面48cm和76cm处各选取了一个剖面进行检测(图15～16)。
Fig．15 Location of the sections of pillar S—W
Fig．16 Results of the sections of pillar S—W
成像结果分析：东碑亭西南内柱48cm剖面中心超声波速为1600～2400m／s，保存状况较好，南侧、西南侧及东北侧存在表面裂隙，裂隙深度均约15cm。76cm剖面中心超声波速为2000～2800m／s，保存状况良好。与48cm剖面相同部位存在裂隙，西南及东北侧裂隙深度约15cm，南侧裂隙较浅，深度约5cm，为表层裂隙。成像结果显示肉眼观察所见裂隙未贯通。
使用自主研发的整套超声CT检测系统，进行了实验室标准样块的检测实验，取得了与样块表观一致的超声CT图谱，验证了检测系统和分析软件的可靠性。
通过西岳庙两栋建筑四个木构件的检测，取得了大量超声检测基础数据，形成了直观清晰的超声CT成像剖面图。
超声CT技术应用于古建筑木构件缺陷的无损检测，可比较直观地反映木构件裂隙发育和内部空洞分布情况，是目前较为先进的方法之一，可为古建筑健康评估及古建维修中决定对原有木构件采取哪种保护方法提供科学依据。
本系统采用干耦合检测，不需要使用耦合剂，可避免对古建筑木构件引入未知的人为损害。
超声CT检测方法从原理上讲还有一定的局限性，为了减小现场工作量的数据分析量，将三维传播的球面波在一个剖面进行分析，在超声波路径选择上不尽完美。古建筑木构件检测中，一般在木材径向选取检测剖面，木材在检测剖面附近可看成是上下同性，木材裂隙发育也是按照木材纹理发育，上述局限性在木材径向检测中表现不明显。
