米夏尔·奥哈斯（Michael Auras）

该方法的基本原理在2005年的DIN EN 14579《石材检测方法——声波传播速度的测定》 （”Prüfverfahren für Naturstein-Bestimmung der Geschwindigkeit der Schallausbreitung “）和1999年德国无损检测协会（DGzfP）标准B4 《石质建筑材料和建筑构件无损检测法之超声波脉冲法标准》 （”Merkblatt für das Ultraschall-Impuls-Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung mineralischer Baustoffe und Bauteile “）中都有描述。

检测方法

让一个电声换能器接触天然石材的表面，并发出超声波脉冲。通过这种方式能产生多种不同频率的超声波，其穿透石材的速度也各不相同。超声波穿透石材后，将被另一个电声换能器接收，并转换成电子信号（这就是脉冲传输法）。然后，测得超声波穿透石材样品所需时间以及换能器发射端与接收端之间的距离，计算每一种超声波的波速。

图2.2.2.1　脉冲传输法（DGzfP， 1999）

石材结构越紧密结实，信号在矿物颗粒间就能传播得越好。信号无法穿透如裂隙和空洞这样充满空气的空腔，必须绕过空腔，转而接触颗粒传播。这就延长了信号穿透样品所需的距离，从而延长了其到达接收端的时间，最终导致计算所得的超声波速降低（图2.2.2.1）。因此，超声波速可以作为检测石材结构是否有缺陷的指标。换能器能发出各种不同的频率的波，频率越高，分辨率也越高，但测量信号则会减弱。根据DIN EN 14579，若距离较短（≥50 mm），则推荐使用高频换能器（82～200 kHz） ；若距离较长（≤15 m），则推荐使用低频换能器（10～40 kHz）。若距离很短（20～50 mm），测定传感器位置和由此计算出来的测距误差可能会很大。检测中应避免更短的距离，因为哪怕使用高频信号发生器（350 kHz），此距离也已经小于该信号波长所限的分辨率（式2.2.2.1）。

式中，λ为波长（mm） ；vp为超声波速（km/s） ； f为频率（MHz） 。

使用任意一套发射端、接收端、耦合剂、电缆和电子部件（信号发生器、存储示波器）的组合，都应借助标准件测定该组合特定的过渡时间，并将它从测得的传输时间中扣除。

超声波脉冲的大部分能量垂直射向换能器表面，因此在通常情况下，发射端和接收端安装在待测工件相对的两面（对穿法）。其他安排也是有可能的。

通常在对穿法中会规定测量纵波（P波）的波速。与其他声波相比，纵波的传播速度最大。因此，我们接收到的首批以供分析的声波信号是属于纵波的。测得的信号会显示在示波器上：若信号显示不规律，则表示每个测得的频率都有大幅减弱；若信号太弱，则应换用低频换能器或加用信号放大器。

除纵波外，特殊检测方法中可能还需分析横波、膨胀波或面波（瑞雷波）。为此，对声波信号的数学分析是必要的（快速傅里叶变换及之后的频率分析）。对任一声波类型都需要特定的样品尺寸和形状。只有测量所有类型的声波后，才有可能建立动态的弹性模量。

耦合

石材表面上换能器的耦合质量对测量信号的质量很重要。特殊的耦合剂，比如来自医用超声波检测的接触凝胶能改善耦合质量，但也会残留在石材表面或内部。若使用潮湿的黏土，则其风干过程会引起强烈变化——岩石会吸收水分，因此有必要利用标准件对其做实时的控制性检测。已证明可行的耦合方法，一是使用带尖锐接触面的换能器，其接触面无耦合剂；二是使用带有平面接头的换能器，接头上涂上一层弹性持久的黏合剂，并覆盖一层聚乙烯薄膜，既能防止黏合剂变干，又能防止其附着于石材表面。若使用可延展耦合剂如弹性持久的黏合剂，则应在测量过程中实时监测过渡时间，因为通过向待测文物方向按压测量头能改变耦合剂的厚度。

湿度

石材的湿度对其超声波速测量有很大影响，因此，降雨后马上测量是没有意义的。应尽可能测定湿度，比如用时域反射仪TDR进行无损检测。

分析计算

用穿透石材的通过时间和传输距离计算超声波速（式2.2.2.2） 。

式中，VP为纵波的超声波速（km/s）； L为传输距离（mm）； t为声波信号的通过时间，即测得的传输时间减去过渡时间后得到的时间（μs） 。

超声波速的测量应精确到0.01 km/s 。 DIN 14579的附录A给出了信号间接传输的计算方法。

风化的影响

由于大气的热力作用，天然石材会热胀冷缩。这种循环导致石材内部的微粒间距逐渐扩大。由于这些微小的裂隙，超声波信号无法以最短的路程传播，所测得的超声波通过时间变长，最终计算得出的超声波速减小。结构性改变同时会影响石材的强度，因此，超声波速和石材强度之间存在关联，这种关联是由石材本身特点决定的。(www.daowen.com)

显示测量点各个测量值的图示能使文物特定的病害区域一目了然（图2.2.2.2）。对特定石材类型作超声波速和风化进程的系统整理是有意义的（见下文）。为比较不同系列的检测结果，可使用箱形图来呈现（图2.2.2.3、图2.2.2.4）。

图2.2.2.2　米尔豪森（Mühlhausen） ，玛利亚大教堂（Marienkirche） ，神圣罗马帝国皇帝查理四世雕塑的超声波速测量值及其分级评估：其头部位置、双手和法衣上大面积石材修补剂位置较低的测量值表明有松动或裂隙产生

项目成果

历史上，一些文物已有超声波速检测的比较数据，但其他更多文物才刚实施首次检测。这些检测数据一方面可用于现状程度评估，另一方面也作为未来对比的基础数据。

超声波法非常适用于大理石风化程度测定以及大理石雕塑经丙烯酸树脂固化后的效果检测（图2.2.2.3） 。刚开采的新鲜大理石，超声波速为5～6 km/s。随岩石结构松散程度增加，超声波速减小。大理石的一大特点是：因热胀冷缩而严重劣化。大理石极其严重劣化的部分，所测超声波速将降到1.0～1.5 km/s。这样严重劣化的部位不再稳定，并存在完全崩解的危险。在分析超声波速测量结果时需注意：有些大理石种类具有很强的各向异性，会影响超声波速，这是由平行排列的方解石晶体及其各向异性造成的。

在其他石材种类中，未发生劣化的和严重劣化部分的超声波速差距较小。再者，石材异质性以及文物湿度、防腐剂的不均匀分布也会和石材风化情况相叠加，从而影响超声波速，导致检测值的离散度很大。

图2.2.2.3　慕尼黑纽芬堡宫殿花园（Schlosspark Nymphenburg）萨图恩雕塑：超声波速的前后对比表明大理石雕塑的丙烯酸树脂固化状况良好（参见3.4节）

图2.2.2.4　米尔豪森玛利亚大教堂雕塑群1994年和2009年的超声波速对比

第二次检测所得的超声波速数值偶尔会比第一次的数值大。但这种矛盾现象并不总能被解释清楚。图2.2.2.4对比了米尔豪森玛利亚大教堂4座阳台雕塑1994年和2009年的超声波速检测值。其中3座雕塑符合预期，超声波速呈减小趋势，表明其处于风化过程；但皇帝雕塑却呈现相反的趋势，1994年所测数值明显小于2009年。单个数值的对比可以稍许解释这些矛盾，比如测量时测点太靠近裂隙区域，既可能测到中等的数值，也可能测到很小的数值。1994年测量结果的其他误差也可能源自缺少适合的图样而无法标出测量位点以准确计算距离。同时2009年测量的测点数量也相比1994年显著增加。为避免这种不一致，需重视信号质量的目视检查、测量距离的准确记录并保证足够的测量次数。

超声波法的改进

取样的石材芯部超声波速所得的深度曲线适用于测定风化剖面和检测石材固化剂的作用深度。

传输测量法的一种特殊技术即超声波成像技术，能在文物几何形状简单的情况下对测量对象进行简单的分析。例如，在监测格拉赫斯海姆（Gerlachsheim）耶稣受难雕塑群的丙烯酸树脂固化情况时，在对抹大拉的马利亚的雕塑的头部和躯干部重叠的扇形测量曲线进行简单的图表分析后，发现了雕塑的裂隙及劣化区域（图2.2.2.5）。

评估

很多情况下，超声波速检测已成为追踪风化进程和检查文物保护效果的可行工具（Siegesmund & Ruedrich， 2004） 。特定文物上不同的劣化部位很容易通过超声波速鉴定出来；但总会出现特例，即超声波速的重新检测值会出现无法解释的增大趋势。可能的原因有湿度的不同、保护材料的老化、测量点位置的变化等。若有条件，应在测量完成后对这些因素进行分析。

就大理石而言，有一部公认的超声波速及结构状况分级标准（见3.4节）。大理石因热胀冷缩而导致结构严重松散是其特有的特点，且在健康的大理石和严重劣化的大理石上所测得的超声波速差距很大，因此超声波法简直就是为这种石材量身打造的。

一种适用于所有石材的超声波速与结构状况的关联是不存在的。新鲜石材的超声波速各异，随风化而降低的程度也各不相同。大量实验证明，每一种石材的强度和其超声波速的关系都不一样，且往往是非线性的。

因此，建筑检查中必须每一处都根据具体情况作权衡，比如，通过比较相应的病害图片决定超声波速哪些程度的减弱是可以容忍的，以及何时采取保护措施是必要的。也因此任何情况下测定的波速都应与新鲜材料的超声波速进行比较。石材种类较多时，也应查询相关历史文献数据。

图2.2.2.5　格拉赫斯海姆耶稣受难雕塑群：超声波速检测显示雕塑躯干部位存在严重空鼓区域（Grüner， 2010）

若测量结果显示，历史石材的超声波速明显减小，我们就应讨论相关保护措施，或至少应该缩短测量时间间隔。