基于空气耦合超声的宣纸润墨性检测技术

引用格式：侯亚峰, 李光亚, 简丽, 等. 基于空气耦合超声的宣纸润墨性检测技术[J]. 中国测试，2024, 50(1): 166-170. HOU Yafeng, LI Guangya, JIAN Li, et al. Research on the detection technology of xuan paper’s ink moisturizing properties based on air-coupled ultrasound[J]. China Measurement & Test, 2024, 50(1): 166-170. DOI
: 10.11857/j.issn.1674-5124.2021110001
基于空气耦合超声的宣纸润墨性检测技术
侯亚峰1， 李光亚1， 简 丽2， 张国花2， 高国庆1， 王艳玲1
(1. 中北大学信息与通信工程学院 ，山西 太原 030051; 2. 山西省古建筑与彩塑壁画保护研究院，山西 太原 030001)摘　要: 宣纸在中国书画艺术历史中占据不可小觑的地位，润墨性是鉴别宣纸质量的重要指标，所以对其润墨性的检测至关重要。

现有检测方法易对宣纸造成损坏且受人为主观因素影响较大，为解决现有检测技术的缺陷，该文提出使用空气耦合超声技术对宣纸的润墨性进行检测，针对不同润墨性的宣纸进行C 扫描成像，通过彩色直方图分析成像结果中的颜色分布关系，对宣纸润墨性进行评价。

当采用400 kHz 空耦探头、200 mm/s 扫描速度时，C 扫描结果均能对不同宣纸的润墨性做出表征，该方法克服传统检测中主观因素的影响，能够在对宣纸无损的情况下实现润墨性检测。

通过上述结果表明，该方法可为宣纸的无损检测提供一些理论和实践参考。

关键词: 空气耦合超声; 宣纸润墨性; 彩色直方图中图分类号: TS736.2;TB9文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2024)01–0166–05
Research on the detection technology of xuan paper’s ink moisturizing properties
based on air-coupled ultrasound
HOU Yafeng 1, LI Guangya 1, JIAN Li 2, ZHANG Guohua 2, GAO Guoqing 1, WANG Yanling 1
(1. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2. Shanxi Provincial Academy of Ancient Buildings and Colored Plastic Murals Conservation,Taiyuan 030001, China)
Abstract : Xuan paper occupies a position that cannot be underestimated in the history of Chinese painting and calligraphy art. Moistening is an important indicator to identify the quality of rice paper, so the detection of its moisturizing is very important. The existing detection methods are easy to damage the rice paper and are greatly affected by human subjective factors. In order to solve the defects of the existing detection technology,this paper proposes to use the air-coupled ultrasonic technology to detect the ink wetness of the rice paper. C-scan imaging was performed on the rice paper, and the color distribution relationship in the imaging results was analyzed by the color histogram to evaluate the ink wetness of the rice paper. When using a 400 kHz air-coupled probe and a scanning speed of 200 mm/s, the C-scan results can all characterize the ink wetting properties of different rice paper. This method overcomes the influence of subjective factors in traditional testing, and can be used without damage to rice paper. Realize wettability detection. The above results show that this method provides some theoretical and practical references for non-destructive testing of rice paper.Keywords : air coupled ultrasound; xuan paper’s ink moisturizing properties; color histogram
收稿日期: 2021-11-01；收到修改稿日期: 2022-04-12
基金项目: 国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项(2020YFB2009102)
作者简介: 侯亚峰（1996-），男，山西忻州市人，硕士研究生，专业方向为信号与信息处理、超声波检测技术应用等。

第 50 卷 第 1 期中国测试
Vol.50 No.12024 年 1 月
CHINA MEASUREMENT & TEST January, 2024
0 引　言
宣纸作为文房四宝之冠，是中国特有，始于唐代，产于泾县，迄今已有一千多年的悠久历史。

宣纸独特的手工技艺，驰名中外，对中国书画艺术的发展，起了不可低估的作用[1-2]。

而润墨性是影响宣纸好坏以及作画效果的主要因素，所谓润墨性，就是当接触宣纸纸面的时候，随着笔力轻重，技法不同，水墨量的多少，浓淡不同，着墨面积呈圆形化开，扩散程度合适，吸墨作用力强，层次分明，即使层层加墨也能保持浓淡笔痕不交叉[3]。

因此，一种宣纸润墨性的无损检测方法对于中国书画的发展具有重要意义。

按照GB/T 18739-2008的检测方法，润墨性检测可分为两类，第一类为目视法，即滴一滴墨在待测宣纸上，待充分浸透后由专家对其评判。

第二类为仪器检测法，周裴灿从宣纸原料青檀皮纤维的角度研究润墨性能。

对比分析不同宣纸与书画纸的纤维与纸页纤维间的孔径，探讨它们对润墨性的影响[4]：陈志蔚表明纤维的总表面积、纤维间的孔隙、打浆度和胶料都会影响宣纸的吸附性以及PH 测定法、扫描电镜法、纵横向测定值和墨色反应情况。

综上，现阶段对于宣纸润墨性的研究大都还是从原材料和生产流程，属于生产之前的检测方法，而生产之后的检测方法全部需要进行滴墨[5-6]，即将墨汁滴入待测宣纸中，待其充分浸透后再进行一系列检测。

这些方法无一例外都是有损检测且具有较强的主观性，既浪费纸张又需要专业人员。

为此，笔者搭建了基于空气耦合超声的纸张扫描成像系统，该系统具有检测时间短、检测精度高、人机交互界面友好等优点，针对宣纸润墨性检测问题，本文采用超声透射法[7-8]，对宣纸进行成像并对检测结果进行分析。

实验证明，本文提出的宣纸润墨性检测系统突破了传统超声耦合剂的限制，满足了纸张不能使用耦合剂检测的要求，能够在节省纸张的同时，提升检测结果的客观性和通用性，给厂家进一步改进以及使用者创作提供了参考。

1 空气耦合超声检测宣纸润墨性
1.1 检测原理
润墨性与原料纤维的均整性(纤维分布率)、纤维柔软度、纸张中钙含量、纸张的孔隙度大小以及纤维细胞壁表面的皱纹有关系，均整性是影响纸张润墨性的重要条件。

原料纤维均整性好,柔软适度,纸张孔隙度适中才能产生好的润墨效果，如图1为纤维均整形依次增加的宣纸电镜扫描图[8]。

50 μm50 μm50 μm
图 1 宣纸纤维电镜扫描图
本文采用超声透射法对宣纸进行C扫描成像，其检测原理是:当超声垂直入射纸面时，因为空气与纤维声阻抗不同，声波会在纸张表面发生反射和透射，不同纤维均整形的宣纸对超声的透射率都不同，因此可对其进行超声成像，然后利用Matlab对该图像生成颜色分布直方图，该直方图可直观观测到各个颜色所占的比重，进一步判断整张宣纸对超声透射的稳定性即纤维的均整形，从而可判断其润墨性。

图2中：超声在接触到宣纸后，一部分被反射到空气中，一部分穿透宣纸被超声接收探头接收，其反射量与透射量由空气与宣纸的声阻抗决定。

设Z1、Z2分别为空气和宣纸的声阻抗，由图2（a）可知，超声由空气透射到纸纤维时的透射率为：
T1=
2×Z2
Z1+Z2
(1)
如图2（b）为超声穿透均整性差的纸纤维的示意图，则超声经空气在纤维含量高的部分的透射率为：
T2=T12×T21×T12×T21(2)超声经空气在纤维含量低（空洞）部分的透射率为：
T3=Z1(3)
T2
式（2）中，表示超声穿透纤维均整形较差的
第 50 卷 第 1 期侯亚峰，等：基于空气耦合超声的宣纸润墨性检测技术167
宣纸的透射率。

T 1T 3T 2由于声阻抗大于0小于1，因此超声在宣纸各部分的透射率从大到小依次为、、。

基于这一原理可对宣纸进行C 扫描成像，随后对所成图像进行分析，生成颜色直方图[9-10]。

颜色直方图是在许多图像检索系统中被广泛采用的颜色特征。

它所描述的是不同色彩在整幅图像中所占的比例，该方法包括RGB 直方图、HSV 直方图等多种颜色空间，由于HSV 空间更接近于人们对颜色的主观认识，它的三个分量分别代表色彩（hue ）、饱和度（saturation ）明度（value ）因此本文所采用的方法为HSV 直方图，使用色彩代表横轴，该色彩在全图所占数量代为纵轴。

其中横轴所代表的色彩用角度度量，取值范围为0°~360°，从红色开始按逆时针方向计算，红色为0°，绿色为120°，蓝色为240°。

它们的补色是：黄色为60°，青色为180°，紫色为300°。

由于LabVIEW 强度图[10-11]颜色生成是由0°~360°的Hue （色彩）组成，因此图为HSV 颜色空间展开图及各颜色对应值，其中150°所对应为本系统色环最中间颜色且本系统成像规则是自适应，即自动调节超声幅值与颜色间的映射关系，因此一张C 扫图中有越多像素集中于此颜色，则说明超声幅值越稳定，纤维分布越好，宣纸润墨性越高。

1.2 检测系统与装置
根据空气耦合超声检测宣纸润墨性的基本原理，搭建了空气耦合超声检测系统，系统总体框架如图3所示。

包括超声发生器、运动控制器PLC 、伺服电机及其驱动器、空气耦合超声探头以及前置放大器等。

图4为实物图。

RS232通信
高速USB 通信
控耦探头
被测物体
编码器返回的脉冲信号
机械扫查装置
限位开关差分转单端模块X 轴驱动器Y 轴驱动器超声发生接收器
Y 轴伺服电机+编码器
X 轴伺服电机+编码器
P L C
工控机 (上位机 L a b V I E W )
图 3 系统流程图
图 4 系统实物图
基于上述系统的宣纸润墨性空耦超声检测过程
为：首先对超声进行回波分析，对闸门区域，采样频率、增益等参数进行设定，确定扫描范围并将数值输入到系统前面板内，然后控制电机开始扫描，同时伺服驱动器将另一路脉冲信号激励JPR-600C 超声发生器输出激励信号，激励空耦超声发射探头，超声信号经空气后穿过宣纸到达空耦超声接收探头，随后输入到可调增益0~60 dB 的前置放大器进行信号放大及滤波，返回至超声发生接收器，通过USB 传入计算机并实时成像。

2 结果及讨论
实验材料选取四种不同润墨性的生宣纸，编号依次为1#、2#、3#、4#。

一分为二，一份用于滴墨，一份用于扫描。

厚度平均为0.104 mm ，规格 （长×宽）
空耦超声发射探头
宣纸
空耦超声接收探头
T
R 空耦超声发射探头
空耦超声接收探头
T
R
宣纸
纸纤维
(a) 超声透射均整形良好宣纸模型
(b) 超声透射均整形差宣纸模型
图 2 超声波垂直入射宣纸透射情况
168中国测试2024 年 1 月
100 mm×100 mm。

扫查平面范围选取（长×宽）100 mm×100 mm，扫查精度0.1 mm（电机步进）。

实验采用频率为一对400 kHz的空气耦合超声探头，固定两探头相对位置不变，分别置于宣纸上下方40 mm处，增益10.0 dB，共采集1×106个数据进行成像。

实验具体流程：由于宣纸的具体浸透量未知，滴墨量太少或太多都会造成实验的误差，则本实验按照GB/T 18739—2008的检测方法，采用0.02 mL 起始量，0.01 mL步进量对四张宣纸进行逐次滴墨，直至出现不同润墨表现，经实验发现，本批次宣纸当滴入0.04 mL墨汁时呈现出不同的润墨现象。

另一组宣纸不进行任何操作直接扫描，对四张纸分别进行三次超声成像求平均值作为结果，最后将图像在Matlab中进行彩色直方图分析得出结论。

如图5为不同润墨性宣纸的C扫描图，图6为不同润墨性的宣纸实物、图7为C扫描成像及其彩色直方图，观察宣纸滴墨效果图可知，图6（b）（c）所代表的宣纸润墨性较好、图6（d）所代表的润墨性次之，图6（a）所代表的宣纸润墨性最差。

，其对应的彩色直方图为图7（b）（c），颜色基本分布于中间即青色，青色在整个HSV色彩空间属于最中间的颜色，说明超声在此区域的透射率分布较均匀。

而润
墨性较差的两张宣纸对应的C扫图像即图5（a）（d）的颜色分布极其不均匀，其对应的彩色直方图为图7（a）（d），颜色两极分化，如图5（a）红色分量最多，几乎占据70%,说明超声在本张宣纸的透射率很大，纤维分布存在空洞，润墨性较差。

而如图5（d）蓝色分量最多，说明超声在本张宣纸的透射率很低，纤维分布不均匀，存在纤维翘起等情况，润墨性也较差。

0150300
1 000
2 000
数
量
/
个
3 000
4 000
角度/(°)
(a) 1#
0150300
1 000
2 000
数
量
/
个
3 000
4 000
角度/(°)
(b) 2#
−1.0
−0.5
幅
值
/
V
−1.0
−0.5
幅
值
/
V
−1.0
−0.5
幅
值
/
V
−1.0
−0.5
幅
值
/
V
(a) 1#(b) 2#
(c) 3#(d) 4#
图 5 不同润墨性宣纸的C扫描图
(a) 1#(b) 2#
(c) 3#(d) 4#
图 6 不同润墨性宣纸的宣纸实物图
第 50 卷 第 1 期侯亚峰，等：基于空气耦合超声的宣纸润墨性检测技术169
角度/(°)(a) 1
角度/(°)(b) 2
150300
01 0002 000
数量/个
3 000
4 000
角度/(°)(c) 3#
150300
01 000
2 000
3 000
4 000
角度/(°)(d) 4#
数量/个
图 7 不同宣纸C 扫描图像的彩色直方图
从实验结果可以看出，当宣纸的润墨性由差到好时，彩色直方图中的各颜色分量越集中于中心，超声透射率变化越稳定，满足了超声透射率变化越稳定宣纸润墨性越好的关系。

故本系统对于不同宣纸测定的结果分明，对于不同润墨性的宣纸测定敏感性良好。

3 结束语
解决传统方法存在的检测有损，主观性强，对操作人员要求较高等问题，本文使用空气耦合超声技术检测了不同润墨性的宣纸，得出了不同润墨性宣纸对超声衰减影响不同的关系。

由实验结果可知：本系统对于宣纸润墨性的检测扫描精度可达0.1 mm ，检测结果简单明了，通用性强且完全无损，给厂家进一步改进原料和使用者创作提供了参考。

参考文献
何秋菊, 韩宾, 何海平, 等. 胶矾水对宣纸润墨及力学性能的影响初探[J ]. 中国文物科学研究, 2017(2): 88-92.
HE Q J, HAN B, HE H P, et al. A preliminary study on the effect of alum water on the moistening and mechanical properties of rice paper [J ]. Chinese Cultural Relics Science ,2017(2): 88-92.
[1]
崔伟刚. 当代国画教学语境下宣纸的文化符号意义[J ]. 陕
西教育(高教), 2021(8): 77-78.
CUI W G. The cultural symbolic meaning of rice paper in the context of contemporary Chinese painting teaching [J ].Shaanxi Education (Higher Education), 2021(8): 77-78.
[2]赵代胜, 刘晓兵, 殷春前. 宣纸润墨性测试方法标准研究[J ].
中华纸业, 2014, 35(14): 36-39.
ZHAO D S, LIU X B, YIN C Q. Study on the standard of xuan paper moisture test method [J ]. China Paper , 2014, 35(14): 36-39.
[3]周裴灿, 王建江, 胡晓东, 等. 书画用纸润墨性影响因素的研
究[J ]. 华东纸业, 2016, 47(5): 8-12.
[4]ZHOU P C, WANG J J, HU X D, et al. Study on the factors influencing the moisturization of calligraphy and painting paper [J ]. East China Paper , 2016, 47(5): 8-12.
王哲, 刘铮峰, 肖志鹏, 等. 几种楮皮纸的润墨性能研究[J ].北京印刷学院学报, 2020, 28(8): 147-151.
WANG Z, LIU Z F, XIAO Z P, et al. Research on the moisturizing properties of several kinds of lint paper [J ].Journal of Beijing Institute of Graphic Communication , 2020,28(8): 147-151.
[5]
左璇. 手工宣纸润墨性能研究[D]. 北京: 北京印刷学院, 2020.ZUO X. Research on the moisture performance of handmade xuan paper[D]. Beijing: Beijing Institute of Graphic Communication, 2020.
[6]
侯亚峰, 李光亚, 王艳玲, 等. 基于空气耦合超声的纸张粗化检测系统设计[J ]. 国外电子测量技术, 2021, 40(8): 120-124.HOU Y F, LI G Y, WANG Y L, et al. Design of paper coarsening detection system based on air-coupled ultrasound [J ]. Foreign Electronic Measurement Technology ,2021, 40(8): 120-124.
[7]
章寒, 贾婧怡, 汪淑佳, 等. 宣纸及其他六种纸润墨性及耐久性探讨[J ]. 中华纸业, 2021, 42(12): 37-41.
ZHANG H, JIA J Y,WANG S J, et al. Discussion on the ink wettability and durability of xuan paper and six other papers [J ]. Zhonghua Paper , 2021, 42(12): 37-41.
[8]
LOLA F, MARINA C, VIRGINIA S J, et al. Use of air-coupled ultrasound for the non-invasive characterization of the textural properties of pork burger patties [J ]. Journal of Food Engineering, 2021, 27(9): 297.
[9]
李光亚. 基于LabVIEW 的模拟实验数据采集与处理系统开发[J ]. 电子测试, 2008(1): 52-55.
LI G Y. Development of a simulation experiment data acquisition and processing system based on LabVIEW [J ].Electronic Testing , 2008(1): 52-55.
[10]
常培龙. 基于LabVIEW 的水力除焦全自动检测与控制系统研究[D]. 上海: 华东理工大学, 2013.
CHANG P L. Research on the automatic detection and control system of hydraulic decoking based on LabVIEW[D]. Shanghai:East China University of Science and Technology, 2013.
[11]
(编辑:刘杨)
170
中国测试
2024 年 1 月。