JP4579548B2 - 多孔性媒体特性の超音波探知 - Google Patents

Description

本発明は、多孔性フィルムの特性を決定するための方法に関する。

品質保証は膜モジュールの製作における重要な側面である。製作過程中並びに膜の作動中の膜の特性についての改良された非破壊検査に対する継続した要求がある。

超音波検査は、膜の諸特性の特徴を示すための非破壊検査として従前から使用されてきた。例えば、超音波音源から膜を通って伝達される縦波が、膜の非破壊検査方法として使用されている。膜における縦波の挙動は、膜の構成、圧縮、及び膜内の音波の伝搬の点での汚染の物理学的特性を記述する。

多孔性媒体における弾性波の反射及び伝達は、地震工学、地球物理学、及び土壌工学における問題の重要性のため大きく注目されている。より最近では、発泡体のような多孔性材料の超音波検査に対する応用分野での関心が持たれている。この問題は、基本的レベルの現象の物理学及び他の高密度材料における測定において有り得る衝撃に対する関心から探索されてきた。

弾性プレートにおける材料特性の測定及び誘導弾性波を使用する層状プレートの特性の測定は、地球物理学及び複合材料の非破壊評価の両者においてよく確立された技法である。しかし、ミクロ細孔膜のような薄い材料における応用に適した技術はごく僅かである。更に、比較的薄い多孔性材料でも所要の材料特性を得ることに伴う論点が大いに好奇心を喚起する。

膜のようなミクロ細孔フィルムにおける欠陥の検出は、多孔性フィルムにおけるプレート波（ｐｌａｔｅ ｗａｖｅ）の伝搬の特徴付け及び多孔性フィルムの穴からの散乱の評価により遂行される。

本発明の一実施例は、多孔性フィルムの特性決定方法に関する。この方法は、少なくも１個の変換器を多孔性フィルムに音響的に結合し、多孔性フィルム内の音波の伝搬により多孔性フィルム内にプレート波を作り、そして多孔性フィルムから表示信号を獲得する諸段階を含む。多孔性フィルムについての表示信号を、基準多孔性フィルムからの基準信号と比較することができる。次いで、多孔性フィルムの特性が決定される。多孔性フィルムは膜とすることができる。

少なくも１個の変換器を、多孔性フィルムの表面に対してある角度で、又は多孔性フィルムの表面と平行に、多孔性フィルムと音響的に結合させることができる。少なくも１個の変換器は、少なくも１個の変換器と多孔性フィルムとの間にガラス粒子フィルターを有するエポキシ樹脂結合用デバイスによるなどで、多孔性フィルム材料にインピーダンス整合をさせることができる。多孔性フィルムの少なくも一方の表面は、液体媒体又は気体媒体と接触させておくことができる。

多孔性フィルムの特性を決定する段階は、多孔性フィルムの材料特性の決定、多孔性フィルムの全孔隙率の決定、又は多孔性フィルムのにおける欠陥の存在の決定を含むことができる。欠陥は、例えば約１波長より小さいとすることができる。

多孔性フィルム特性の決定方法は、多孔性フィルム内の速い圧縮波と遅い圧縮波とを識別する段階を含むこともできる。速い圧縮波は多孔性フィルムの全孔隙率に対してより敏感である。遅い圧縮波は、多孔性フィルムの孔隙率に対してより鈍感であり、そして、例えば多孔性フィルムにおける欠陥の存在、多孔性フィルムを形成する材料の形式、又は多孔性フィルムの表面の汚れを表示するために使用することができる。遅い圧縮波と速い圧縮波との間の時間差は、多孔性フィルムの全孔隙率及び／又は多孔性フィルムにおける欠陥の存在を決定するために使用することができる。

本発明の別の実施例は、多孔性フィルムの材料特性の決定方法に関する。この方法は、少なくも１個の変換器を多孔性フィルムに音響的に結合し、多孔性フィルム内の音波の伝搬により多孔性フィルム内にプレート波を作り、多孔性フィルム内の遅い圧縮波を識別し、そして多孔性フィルムの材料特性を決定するためにこの遅い圧縮波を解析する諸段階を含む。

材料特性は、多孔性フィルム内の少なくも１個の欠陥、多孔性フィルムを形成する材料の種類、又は多孔性フィルムの汚れの存在を含むことができる。遅い圧縮波の解析は、遅い圧縮波を基準の遅い圧縮波と比較することにより遂行することができる。

本発明の別の実施例は、多孔性フィルムにおける全孔隙率を決定する方法に関する。この方法は、少なくも１個の変換器を多孔性フィルムに音響的に結合し、多孔性フィルム内の音波の伝搬により多孔性フィルム内にプレート波を作り、多孔性フィルム内の速い圧縮波を識別し、そして多孔性フィルムの全孔隙率を決定するためにこの速い圧縮波を解析する諸段階を含む。

速い圧縮波の解析は、速い圧縮波を基準の遅い圧縮波と比較することにより遂行することができる。

別の実施例においては、フィルター装置内の多孔性フィルムの多孔性フィルム特性が決定される。少なくも１個の変換器が、多孔性フィルムに音響的に結合される。多孔性フィルム内で音波を伝搬させることにより、多孔性フィルム内にプレート波が作られる。多孔性フィルムについての表示信号が得られる。多孔性フィルムのための表示信号は、基準多孔性フィルムからの基準信号と比較することができる。次いで、多孔性フィルム特性が決定される。多孔性フィルムの細孔の大きさを決定するために、第２の変換器を多孔性フィルムの表面と直角方向で音響的に結合することができる。

膜のポリマー混合物が細孔の大きさごとに異なるならば、本発明のある実施例は、膜の細孔の大きさ、並びに膜における欠陥を決定することができる。ポリマーの混合が違わないときは、膜の細孔の大きさは、膜に作られた第１の音波に直角な第２の音波を作ることにより決定することができる。

本発明の以上及びその他の目的、特徴及び利点は、付属図面に示された本発明の好ましい実施例についての以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。図面においては種々の図面を通して同様な符号は同様な部分を示す。図面は、必ずしも縮尺によらず、本発明の原理を示すために強調がなされている。

本発明の好ましい実施例の説明は以下のとおりである。

膜又は膜を有するフィルター器具は、超音波発信器を用いて膜内で音波を発生させる超音波法を使用して非破壊検査をすることができる。膜は、膜の長さに沿って音波を担持している音波用の導波具として作用する。膜における波の伝搬により作られた信号は、検査中の特定の膜の「指紋」である。この信号が、他の情報とともに膜を形成している材料の均質性に関する情報を提供する。膜における欠陥の存在は膜の指紋を変化させる。従って、既知の無欠陥の膜と検査膜との指紋の比較が、検査膜の均質性に関する情報を提供する。図示実施例においては、超音波発信器は圧電式の装置である。或いは、ある種の用途においてはレーザー発信器及び受信器を使用することができる。

膜において種々の形式の波を作ることができるが、膜はある厚さをもった多孔性構造として製造されるので、膜の非均一性又は欠陥の存在を検出するために使用されるときはプレート波が有利である。プレート波は、汚れを含んだ膜における欠陥の大きさ及び膜材料の特性を評価するために使用することができる。波が無限の材料内を移動することと対比して、プレート波は、頂部の自由境界面及び底部の自由境界面を有する材料において作ることができる。膜は厚さが比較的小さいので、膜の頂部表面は頂部自由境界面として作用し、また膜の底部表面は底部自由境界面として作用する。

図１は、膜１０、又はより一般的には第１の又は頂部の自由境界面１２及び第２の又は底部の自由境界面１４を有する多孔性フィルムを示す。第１の自由境界面１２は第１の真空１６と接することができ、一方、第２の自由境界面１４は第２の真空１８と接することができる。或いは、境界面のどちらか一方又は双方が異なる媒体と接することができる。境界面１２、１４の存在のため、弾性波又は音波２０は、膜１０の伝搬経路２２に沿って伝搬することができる。弾性波は固体媒体における周期的な伝搬する擾乱であり、そして、材料内の伝搬経路２２に沿って移動しかつ材料の弾性係数に依存した速度を有する縦波を含むことができる。固体材料内の弾性波は、伝搬経路２２と直角方向に材料内を移動する横波又は剪断波を含むこともできる。プレート波は、境界を有する材料において剪断波又は長手方向の平面波を重ね合わせることにより作られる。材料内でプレート波を作るために、材料の自由境界面は、弾性的擾乱のほぼ１０波長以内とすべきである。従って、弾性的擾乱又は波を作る変換器は、プレート波を作るために波の伝搬方向が自由面と平行な状態で材料の表面の近くにあり又は表面との接触状態にあるべきである。

図１に示されるように、プレート波は、材料の自由境界面１２、１４が非粘性の流体媒体と接する材料において作られる。プレート波は，材料の自由境界面の少なくも一方が、水のような粘性流体媒体に接するリーキイ・ラム波（Ｌｅａｋｙ Ｌａｍｂ ｗａｖｅ）も含むことに注意すべきである。その他の形式の波を、固体と接しているプレート内で伝搬させることができる。

プレート波は、１回の測定で膜の比較的大きな面積を検査する能力があるため、膜の欠陥の検出に有用である。完全弾性材料におけるプレート波は、縦波よりも距離による減衰が小さい。膜は完全弾性材料ではないため、材料の減衰により生ずる膜内のプレート波の減衰がなお存在するが、ビームの拡散、又はプレートの２次元に沿った波の拡散による減衰は減らされる。従って、拡張しているビーム内のプレート波の弱化及び導波されたときの長距離伝搬能力が、１個の超音波変換器又は１対の変換器により検査し得る面積を増加させる。例えば、変換器から伝達されそして膜の表面に向けられた１０ＭＨｚの縦波は、約０．２ｍｍ^２の焦点面積を持つ。変換器の焦点面積を増加させることはできるが、より広い面積を検査するためには、変換器が膜の表面上を走査することが必要である。これと比べて、１個の１０ｍｍの平らな変換器は、波が３００ｍｍの距離にわたって伝搬するような平シート膜内のプレート波を使用することができる。そこで、１個の信号により作られるプレート波による検査面積は３，０００ｍｍ^２となるであろう。膜の検査におけるプレート波の使用は、縦波の使用と比較して、検査面積を１５，０００倍に増加させる。

図２及び３は、膜１０を通る音波の伝達方法を示す。図２は、膜１０の長手方向軸線４２と揃えられた変換器３０を示す。変換器３０は、送信器３２と受信器３４とを備える。送信器３２及び受信器３４は、変換器３０の別個の構成要素であるとして示されたが、送信器３２及び受信器３４の両者を、１個の変換器要素ハウジング内に置き、膜１０の一方の縁に押し付けて置くことができ、或いは１個の圧電式の変換器を送信器と受信器の両者として使用することができる。膜１０内にプレート波を作るために、変換器３２が音波４４を作り、これを波の経路３６に沿って膜１０を通して伝達し、そして受信器３４により受信する。

図３は、膜１０に関する変換器３０の別の構成を示す。この構成においては、変換器３０は、膜１０の表面４０に関してある角度３８に置かれる。図示のように、送信器３２が、音波３６を、膜１０に関してある角度３８に向ける。音波４４は、経路３６に沿って膜１０を通って移動し、受信器３４により受信される。

変換器３０と膜１０の表面４０との間に形成される角度３８は、膜１０を含んだ材料の定数から決定される。例えば、種々の形式又は様式の膜が種々の種類の材料から形成される。種々の種類の膜を形成する材料が膜の屈折角度に影響を与え、膜においてプレート波を作るために必要な角度を決定する。変換器３０が、膜１０の表面に関して角度３８において音波４４を作るときは、信号の伝達はある屈折した角度において生じ、この角度は膜１０の近くの連結用流体内の音波４４の伝搬により決定される。変換器３０と膜１０との間の角度３８の調整が、プレート波の形式で膜１０内に結合されたエネルギーであってかつ膜１０から所要の信号を得るために必要なエネルギーに適合するように使用し得るエネルギー量を制御する。

変換器３０は、膜１０に直接結合するようにすることもできる。膜１０と変換器３０との間のかかる結合を提供するために結合用デバイスを使うことができる。図４は、結合用デバイス５０による変換器３０の送信器３２と受信器３４とに対する膜１０の直接結合を示す。結合用デバイス５０は、例えば膜１０にデバイス５０をクランプすることによるなどで膜１０の表面に確保することができ、又は膜１０上に直接鋳造することができる。結合用デバイス５０は、膜１０の長手方向軸線４２に沿って膜１０と変換器３０とを連結する。膜１０の長手方向軸線４２に沿った結合は、例えば平らなシート又はメッキされた膜において使用することができる。

結合用デバイス５０は、変換器結合面５４とデバイス５０の膜結合面５６との間にテーパー部分又は曲線部分５２を備えることができる。膜結合面５６が変換器結合面５４より小さい断面積を持つように、テーパー部分５２が、変換器３０と膜１０との間の結合用デバイス５０の断面積を小さくする。変換器３０と膜１０との間の結合用デバイス５０の断面積の減少により、結合用デバイス５０又は変換器３０からの音波の焦点を厚さ１００μｍのような比較的薄い厚さの膜１０に向けて合わせるためのレンズは、例えば直径２５ｍｍのような比較的大きい直径を持つことができる。

弾性波に対しては、この波の伝達係数は、波の速度及び伝達された波が通過する材料の密度の関数である。この大きさは、音響インピーダンスと呼ばれることが多く、そして電気回路内の電気インピーダンスと類似している。膜１０内に伝送される信号の振幅を大きくするために、超音波変換器３０を膜の材料にインピーダンス整合させることが必要である。インピーダンス整合は、膜１０内の信号の振幅維持のために重要であり、そして膜１０と変換器３０との間の結合用デバイス５０に適切な材料を使用することにより達成することができる。

超音波変換器の使用される高インピーダンスの圧電セラミックは、通常は、検査すべき材料とインピーダンス整合する。例えば、接触変換器は、金属に対して最も普通にインピーダンス整合される。鋼の音響インピーダンスはほぼ４５であり、一方、膜の形成に使用される材料、ポリテトラフルオロエチレンのインピーダンスは３．０であり、そして水のインピーダンスは１，５である（すべてのインピーダンス値は１０６ｋｇ／ｍ^２ｓ倍する）。そこで、多孔性の膜１０については、膜１０の音響インピーダンスは完全に密なポリマーに対する値より低いため、膜１０と変換器３０との間の音響インピーダンス整合が貧弱である。

種々の材料から形成されかつ種々の形で膜に取り付けられた結合用デバイス５０を使用することができる。例えば、結合用デバイス５０は、エポキシのようなポリマーから形成することができる。エポキシは約４．０のインピーダンス値を有し、変換器３０と膜１０との間のインピーダンス整合を提供する。デバイス５０は第２段階充填材又はミクロバルーン^ＴＨ充填材のような中空のガラス粒子充填材を有するエポキシ樹脂から形成することもできる。ミクロバルーン充填材は、メリーランド州、コロンビアのダブリュー・アール・グレースから商業的に入手することができる。エポキシレンズを有するミクロバルーンの使用は、エポキシの基本音響インピーダンスを約７０％まで減少させる。エポキシ内のミクロバルーン充填材の分布は、結合用デバイス５０内の音響インピーダンスの急激な変化を避けるように等級分けすることができる。これは、膜１０内に伝搬するエネルギー量の増加をもたらす。結合用デバイス６０におけるミクロバルーン充填材の分布の等級分けにより、インピーダンスは、高インピーダンスの圧電セラミックから低インピーダンスの膜に徐々に減少する。

図５は、膜１０を通って伝搬するプレート波の振幅に対するインピーダンス整合した結合用デバイス５０の影響を示す。上の曲線６０は、送信器を膜に結合しているエポキシレンズであってかつミクロバルーン充填材の等級分けされた分布を有する前記エポキシレンズを使用して膜において得られた信号を示す。下の曲線６２は、変換器を膜に結合するために充填なしのエポキシレンズを使用して得られた信号を示す。この両形式の結合用デバイスが、膜内の信号を作る。しかし、変換器の充填なしのエポキシレンズのため、曲線６２で示される受信信号の振幅は，雑音閾値のごく僅かに上方であるに過ぎない。ミクロバルーン充填材の等級分けされた分布を有するレンズの使用は、受信した信号の振幅を約６倍に大きくさせ曲線６０により示される。

膜における欠陥の存在の決定の際は、膜に入る波の振幅が重要である。比較的小さい振幅を有する信号の使用と比較して膜内の比較的大きい振幅を有する信号の使用により、膜の中の欠陥の存在がより容易に検出できる。膜１０への変換器のインピーダンス整合の技術又は膜１０の表面に関するある角度に変換器を置くことが、膜に給送される信号の振幅を制御する。信号の帯域幅は示されるように大きくすることができるが、狭帯域周波数の励振も使用することができる。

膜１０の長手方向軸線４２に沿った膜１０への変換器３０の結合が示されたが、ある角度における膜１０への変換器３０の結合もまた実行可能である。図６及び７は、膜１０の表面４０に関してある角度４４における変換器３０の直接結合を示す。変換器３０は、変換器３０のインピーダンスを膜１０のインピーダンスに整合させる結合用デバイス５０を使用して膜１０と接触する。結合用デバイス５０は、エポキシ材料から、ミクロバルーン充填材を有するエポキシ材料から、或いは例えばプレキシガラスのようなアクリル材料から形成されたクサビを備えることができる。この場合も、上述のように、膜１０の表面４０と変換器３０との間に形成された角度４４は材料に依存し、かつ材料の屈折角を制御する。この角度は、膜１０を形成する材料並びに結合用デバイス５０を形成する材料の特性により決定される。

図６及び７に示されるように、膜１０は、膜１０の周囲を回って置かれた変換器３０を備える。比較的大きい表面積を有する膜１０を１段階で検査するために、複数の変換器３０を膜１０と結合させることができる。変換器３０は、互いに１８０゜で膜１０の両側に結合された送信器３２と受信器３４とを備えることができる。比較的大きい面積を有する膜を検査するとき、１個の変換器３０の使用では、膜１０のある限定された表面積だけの検査しかできない。１個の変換器を使用する検査過程中に、膜１０の全面積を検査するためには、変換器３０を膜１０の周囲の周りで位置的に調整するか、又は膜１０を変換器３０に関して位置的に調整しなければならないであろう。比較して、膜の周囲を回って位置決めされた複数個の変換器３０の使用により、膜１０か又は変換器３０のいずれかの置き換えの必要なしに膜１０の全面の検査ができる。或いは、空気結合法又はレーザー超音波を使用して縁を走査することができる。

図８は、変換器３０の膜１０への非接触結合を示す。膜１０の少なくも一方の表面７４は、例えば水のような液体媒体７０との接触状態とすることができる。変換器３０も液体媒体７０に接触しかつ流体媒体７０により膜１０と結合される。変換器３０は、変換器３０を液体媒体７０とインピーダンス整合させるためにインピーダンス整合層７６を備える。試験中、音響信号又は超音波信号が液体媒体７０を経て膜１０に伝送され、膜内にプレート波を作る。この信号は、変換器３０の受信器部分により受信され、膜の全孔隙率、細孔寸法の分布、又は膜における欠陥の存在のような膜の特性を決定するために使用することができる。

膜１０の一方の面が液体と接触して示されたが、膜１０は乾燥しかつ膜１０を変換器３０に結合するためにゲルにより形成されたような液状のビードを使用することができる。液状ビードは、変換器３０の膜１０への非接触結合を許す。

図８は膜１０に直角な基準又は基準線７８に関する角度７２における変換器３０の設置も示す。この第２の角度７２又は第２の限界角度は、結合用流体７０及び膜１０の材料特性に依存する。

ミクロ細孔膜の材料の特性が弾性波機構の観点から特性付けられたことは知られないため、膜の材料モデルと膜の孔隙率との間の相互関係を確立するために数学的モデルが開発された。弾性プレートの穴又は空隙から散乱する波における流体充填の効果が考慮された。モデルは、多孔性の流体で充填されたプレートの厚さを通して伸びかつ流体で満たされた穴からの散乱を考え、かつ流体で満たされた多孔性媒体における球状の非均一により生じた散乱に関係する。

モデル化すべきシステムの構成が図９に示される。このシステムは、プレート内の開口又は空隙９２により表された欠陥を有する弾性プレート９０を備える。開口又は穴９２は、超音波変換器に関して遠い領域でプレート９０又は多孔性膜を完全に貫通するとした。変換器は、膜９０内に対称的な縦波を伝搬させる送信器及び受信器を備えることができる。

エム・エー・ビオットは、流体で満たされた顕微鏡に均一でかつ等方性の媒体における音波の伝搬に対する単純な現象学的モデルを提案した。このモデルは、細孔／粒子の長さと比べては大きいが弾性波の波長と比較して小さい体積が存在するという仮説を組み入れる。更に、各体積要素は流体の平均変位Ｕ（ｒ，ｔ）及び固体の平均変位ｕ（ｒ，ｔ）により記述される。運動の方程式は次のとおりである。

ここに、Ｐ、Ｑ及びＲは一般化された弾性係数であり、材料の体弾性係数に関連付けられる。材料は多孔性であるため、材料を定義するためには下付き文字のある３個の体弾性係数が必要である。流体の体弾性係数Ｋ_ｆ、固体の体弾性係数Ｋ_ｓ、及び（「被覆されかつ排液された」）骨格フレームの体弾性係数Ｋ_ｂが、材料の２種の組成及び構造を定める。加えて、排液されたフレーム及び合成構造の両者の剪断弾性係数Ｎが必要とされる。これらの係数は次のように定義される。

ここに、φは孔隙率（流体体積分画）である。

密度の項ρ_ｉｊは、次式に従って固体の密度ρ_ｓ及び流体の密度ρ_ｆに関係付けられる。

ここに、α＞１は、固体又は流体の密度に依存した純粋に幾何学的な量の独立変数である。

速い圧縮波及び遅い圧縮波のスカラー変位ポテンシャルは、それぞれΠ_＋、Π₋である。剪断波のベクトルポテンシャルはΨである。次いで、流体で飽和した多孔性固体に対する変位が、次のポテンシャル関数から得られる。

穴の表面における境界条件は、垂直方向応力の連続、接線方向応力の消滅、流体体積の保存、及び開口細孔の境界条件を仮定した場合の多孔性媒体における圧力不連続と相対速度との間の比例である。図９は、プレート９０内の半径ａ１００を有する穴９２の導出と構成とに使用されるｘ軸９４、ｙ軸９８、及びｚ軸９６を示す。

調波については、単位面積当たりの平均エネルギーフラックスは次式により定義される。

散乱断面が、関連の平均エネルギーフラックスに対する半径ｒ（穴の外側）の表面を通過するフラックスの比により定義される。この関係から次式が得られる。

波の速度のようなその他の関係は、膜の弾性定数への依存を含む。これらの関係は、膜の欠陥、構造、及び材料特性を特徴付ける点においても有用である。

ポテンシャル方程式の解及び散乱断面の定義を使用して、多孔性プレート内の既知の寸法の穴の存在による弾性波の有効減衰を計算することができ、特に穴から散乱された領域におけるプレート孔隙率の効果を決定することができる。計算は、多孔性ポリマー材料に対する近似材料特性及びポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、膜の形成に使用される材料についての特定の材料特性を使用する。単純な体積部分の増分から、膜の排液時の弾性係数及び密度がＫ_ｓ＝０．３８ＧＰａ及びρ_ｓ＝１．７６Ｍｇ／ｍ^３であると算出される。水は、細孔並びに波を散乱する穴を満たすと仮定され、そしてＫ_ｆ＝２．２５ＧＰａ及びρ_ｆ＝１．００Ｍｇ／ｍ^３でほぼ記述される。加えて、材料の全孔隙率が４０％、又はφ＝０．４０であるとした。最初の計算がＫ_ｂ＝Ｎ＝０に対して行われた。モデル化により、散乱場の振幅に対する材料特性の効果、及び流体で満たされた多孔性プレートにおける欠陥が検出されたときに生ずる散乱断面の振幅における顕著な減少が示された。

モデル化の諸結果が、多孔性膜内の欠陥を検出する能力を示す。異なった孔隙率を有する膜は、膜内の穴又は欠陥の直径に依存して異なった散乱パターンを作る。図１０は、穴の半径により正規化された空隙の散乱断面（γ／ａ）対無次元化された波数ｋａ間の関係１１０を示す。ここにａは穴の半径であり、またｋは波数でありｋ＝２π／λである。より小さい穴に対しては、弾性プレートの場合におけると同様に、周波数の増加又は穴寸法の増加とともに、ｋａパラメーターの増加に対応した後方散乱の振幅における単調な減少が生ずる。

図１０は、弾性波による多孔性プレートの空隙からの散乱に対する液体充填及び孔隙率の効果を示す。散乱場の大きさは、プレート内の孔隙の存在のためｋａ＝１において４以上の係数で減らされる。この差は、穴の直径が小さくなるにつれて小さくなり、穴が波長と比較して大きくなると差はなくなる。これらの結果は、材料の孔隙率の特徴がよく記述されないならば、穴寸法対弾性波の定量化を期待するのは難しいことを示す。信号が得られそして信号の振幅から穴寸法が決定されるとき、高い孔隙率を有する材料内の大きい穴は、低い孔隙率を有するプレート内のより小さい穴と同じ信号を作るであろう。そこで、膜の穴寸法の決定には４個の材料弾性係数並びに孔隙率の知識が必要である。

図１１は、流体が満たされた多孔性ＰＶＤＦ膜の空隙についての散乱断面を示している第１の曲線１１０と、完全に密なＰＶＤＦ弾性プレートの空の穴からの散乱場について描かれた第２の曲線１１２との間の比較を示す。曲線１１０は、曲線１１２により表示された固体プレートにおける信号と比較された多孔性プレート内の信号の減衰を示す。多孔性膜の散乱断面１１０と弾性プレートの散乱断面１１２との間の差は、膜の孔隙率の値と膜内の密な流体の存在とにより生ずる。曲線１１０、１１２で表された信号間の差も、膜を形成している材料の体弾性係数及び細孔を満たす流体の種類に依存する。例えば、気体で満たされた細孔を有する膜において作られた信号は、液体で満たされた細孔を有する膜で作られあ信号とは異なる可能性がある。

材料特性の影響、特に後方散乱信号についての膜の種々の孔隙率の影響が図１２に示される。膜の孔隙率が大きくなると、正規化された散乱断面と無次元の波数との間の関係を表している曲線の傾斜が小さくなる。図１２は、欠陥寸法の過大又は過小の評価を避けるために考慮すべき種々の膜の間の孔隙率の差も示す。

図１３は、浸透セル１３６とポンプ１３０とを備えた膜検査システム１２０を示す。浸透セル１３６は、第１の室１２２、及びこの第１の室１２２内に置かれた第２の室１２４を備える。膜１０が第２の室１２４内に確保され、そして第１の室１２２と第２の室１２４との間の障壁として作用する。膜１０の第１の境界面１２は、第１の室１２２内に置かれた流体媒体１２６と接する。膜１０の第２の境界面１４は、第２の室１２４内の気体媒体１２８又は乾燥部分と接する。第２の室１２４内の気体媒体は、膜１０により、第１の室１２２内の流体媒体１２６から分離される。この配列により、流体媒体１２６は、検査中、膜１０を通過して第２の室１２４の乾燥部分１２８内に入ることができる。

膜１０を通って第２の室１２４の気体媒体１２８内に動いた流体は、ポンプ１３０により第２の室１２４から排除される。ポンプ１３０は、例えば蠕動ポンプとすることができる。ポンプ１３０は、チューブのようなポンプ連結具１３４により第２の室１２４の底部部分に取り付けられる。第２の室１２４からの流体は、ポンプ連結具１３４を通り経路１３２に沿って移動する。流体は第２の室１２４から運ばれ、そして第１の室１２２に向けられる。浸透セル１３６内の流体の循環が、膜１０上方の手頃な流体深さ１３８を維持する。流体深さ１３８は、深さ数ｃｍとすることができる。

膜１０は結合用デバイス５０を備え、これにより、膜１０への変換器３０の結合ができる。示されるように、変換器３０は送信器３２と受信器３４とを備える。システム１２０において使用される検査周波数は、膜の中の欠陥の大きさに依存する。検査周波数が高くなると、システム１２０により検出可能な欠陥が小さくなる。例えば、作動周波数９０−１００ＭＨｚを有する変換器３０は、寸法が５μｍ以下の欠陥の存在を検出するために使用することができる。より高い作動周波数の変換器の使用により、膜内の比較的小さい欠陥の検出が可能である。膜内で検出される欠陥の寸法は、作動周波数の増加により小さくすることができる。

変換器３０は、膜から得られた信号を記憶するために、コンピューターのようなデータ獲得装置に接続することができる。次いで、記憶された信号は、膜内の欠陥の存在のような膜の特性を決定するために、電子的又は可視的に基準信号と比較することができる。

図１３は、膜１０の長手方向軸線に沿って置かれた変換器３０を示す。変換器３０は、膜１０内の欠陥の存在を決定するために使用される。図１４は、膜１０の表面１２、１４にほぼ直角に取り付けられた第２のセンサー１４０の使用を示す。第２のセンサー１４０は、送信器１４２及び受信器１４４の両方を備えることができる。第２のセンサー１４０は、膜１０の孔隙率を決定するために使用され、かつ膜検査システム１２０の部品として変換器３０に関連して使用することができる。第２のセンサー１４０は、膜１０の細孔寸法を決定するため使用することができる。

図１５は、超音波音源を使用して膜におけるプレート波を作ることにより得られる膜の信号又は指紋を示しているグラフを示す。信号１４８は、膜１０を通って移動する速い圧縮波１５０、膜１０を通って移動する遅い圧縮波１５２、及び水を通って移動する超音波１５４を表している信号のある一部分を含んだ数種の現象を示す。速い圧縮波１５０は、膜の全孔隙率に敏感である。従って、速い圧縮波１５０は、未知の膜の指紋又は信号１４８を既知の孔隙率を有する膜の指紋又は信号と比較することにより、ある膜の未知の孔隙率を決定するために使用することができる。遅い圧縮波１５２は、膜の孔隙率に対しては低感度であり、膜の材料特性を示すために使用される。例えば、遅い圧縮波は、膜における欠陥の存在、及び膜を形成する材料の種類を決定するために使用することができる。遅い圧縮波は膜を形成する種々の種類のポリマー混合物に対して敏感である。弾性係数は材料の組成に依存するため、遅い圧縮波の速度は、膜を形成しているポリマーの混合物の組成も知らせることができる。更に、フィルターとしての膜の使用により生じた膜の付着物は、遅い圧縮波に影響を与える可能性がある。膜が汚染されたときは膜の全孔隙率が変化するため、速い圧縮波も膜の付着物により影響を受けることに注意すべきである。

速い圧縮波及び遅い圧縮波の形成は、膜の流体部分及び固体部分の中のプレート波の重ね合わせにより生ずる。膜に沿ったプレート波の送信が膜の細孔内の流体の運動を生ずる。膜の細孔内の流体の運動又は「スロッシング」は、圧縮波の速い圧縮波及び遅い圧縮波への分離に対して応答可能である。膜の細孔内の流体は、例えば、空気のような気体とし、或いは水のような液体とすることができる。

図１６は、２種の異なった膜についての指紋を表している２個の曲線１５６と１５８との間の比較を示し、更に膜内の欠陥の存在の決定の際の遅い圧縮波の適用性を示す。第１の曲線１５６は既知の孔隙率を有しかつ欠陥のない膜に対する信号を表す。超音波信号は、周波数１ＭＨｚで膜に給送された。第２の曲線１５８は、曲線１５６の材料と同じ孔隙率及び同じ組成を有しかつ膜内に０．７ｍｍの空隙又は欠陥を有する膜についての信号を表す。この膜の超音波検査も、周波数１ＭＨｚで行われた。

無欠陥の膜と欠陥を有する膜との比較の際、曲線１５６と１５８との間の差は、曲線の遅い圧縮波の区域１５２内にある。欠陥を有する膜に対する第１の圧縮波又は遅い圧縮波の最後尾における振幅は、無欠陥の膜についての遅い圧縮波の振幅より小さい。無欠陥の膜と欠陥のある膜との信号又は指紋のこの比較が、膜内の欠陥の存在を示す弾性プレート波の能力を示す。

曲線１５６と１５８との間の振幅の相違をより明瞭に示すために、図１７は、遅い圧縮波区域１５２のフーリエ変換を示す。曲線１５６により示されたような無欠陥膜からの圧縮波は、曲線１５８で示された欠陥膜で測定された波の右に変位され、一方、両曲線１５６及び１５８の下方の像面積は同じに維持される。これは、膜内の欠陥は圧縮波を示すが波のエネルギーは消費しないことを意味する。

図１５の遅い波は、使用後の膜が完全であるかを決定するための校正用のガイドとして使うことができる。例えば、薬品の濾過処理中に、膜に欠陥が作られなかったことを確かめるために、濾過の完了後に膜の完全性を決定する。濾過処理後の膜における欠陥の存在又は汚染の増加は、薬品又は溶液が膜により適正に濾過されなかったことを示す。濾過処理後の膜の完全性を決定するために、膜は、濾過処理中に膜に付着したいかなる汚染も除去するようにまず洗浄される。次いで、膜を通して信号が送られ、膜を通る遅い圧縮波が決定される。フィルター洗浄後の遅い波と基準膜からの遅い波又は薬品濾過の前の膜からの遅い波との比較が、膜における欠陥の存在を示すことができる。

遅い波は、フィルターが次の濾過処理に使用できるように適切に清浄にされたか否かを決定するために使用することができる。ある用途においては、膜を再使用することができる。しかし、再使用するためには、濾過すべき溶液のある一つのバッチと別のバッチとの間の交差汚染を防止するために、膜は適切に洗浄されねばならない。

フィルターの完全性を決定するためにそれ自体における遅い波を使用できるが、膜の完全性を決定するために、膜を形成する材料に依存して遅い波１５０と速い波１５２の両者を使うことができる。例えば、遅い波１５０と速い波１５２との間の振幅比の比較を、膜の清浄度の決定に使うことができる。振幅比は幾つかの異なった方法を使用して決めることができる。例えば、膜において遅い波からのピークエネルギーが到着しとき及び速い波からのピークエネルギーが到着しときを決定するために信号処理を使うことができる。これらピークエネルギーの相互相関を、フィルターの完全性又はフィルターの清浄度の決定のために使用することができる。この処理は、膜における信号の比較的高速な標本採取に基づく。別の方法においては、フーリエ変換を用いて、遅い波１５０と速い波１５２との間の位相差を決定することができる。位相のずれは膜における欠陥の存在を示す。フィルターの完全性を決定するために時間測定も使用することができる。即ち、エネルギーピークが異なった時に膜を叩くことの発生により、膜の完全性を示すことができる。膜における欠陥の存在についての情報に加えて、遅い圧縮波と速い圧縮波のピーク間の時間差が、膜の汚染についての情報を提供することができる。

図１８は、変動する細孔寸法を有する膜における速い圧縮波の時間遅延の比較を示す。上述のように、速い圧縮波は、膜の全孔隙率に対して敏感である。速い圧縮波における細孔寸法の影響を決定するために、同じ孔隙率を有するが細孔寸法のことなる３個の異なった膜が検査された。細孔寸法０．１μｍ、細孔寸法０．２μｍ、及び細孔寸法０．４５μｍを有する複数の膜が、膜を通して音波を伝搬させ、得られた信号を評価することにより検査された。０．１μｍ及び０．２μｍの細孔寸法を有する膜は同じポリマー混合物で形成された。一方、０．４５μｍの細孔寸法を有する膜は、０．１μｍ及び０．２μｍの細孔寸法のものとは異なるポリマー混合物で形成された。

図１８は、細孔寸法０．１μｍを有する膜１７０、細孔寸法０．２μｍを有する膜１７２、及び細孔寸法０．４５μｍを有する膜１７４におけるい速い圧縮波の時間遅延を示す。２種の基準標本１７６、１７８に対する速い圧縮波の時間遅延も決定された。図１８は、細孔寸法０．１μｍを有する膜と細孔寸法０．２μｍを有する膜との間の速い圧縮波の時間遅延には僅かの差しかなかったことを示す。これら２種の膜と細孔寸法０．４５μｍを有する膜との間には差があった。しかし、この差は、細孔寸法０．４５μｍを有する膜が、細孔寸法０．１μｍを有する膜又は細孔寸法０．２μｍを有する膜とは異なったポリマー混合物から作られたためである。このグラフは、速い圧縮波は膜を形成するポリマー混合物の種類には敏感であるが細孔寸法には敏感でないことを示す。一般に、膜の弾性係数は、膜内の速い圧縮波の時間遅延に影響を与える。

膜の材料を識別するために速い圧縮波の時間遅延を使う方法は、未知の組成を有する膜を形成する材料の種類の決定に応用することができる。例えば、膜がマーク又はラベルにより識別することができない場合に、膜における速い圧縮波の時間遅延の測定が、その膜を形成している材料を特徴付ける情報を提供する。かかる応用は、膜を有するフィルターの製造中の品質管理にも使用することができる。例えば、膜は複数の材料の混合物から形成される。濾過装置の部品として膜を組み込む前は、膜を形成する材料の変動は未知である。膜を形成する材料の変動を決定するために、膜を濾過装置に組み込むより前に膜における速い圧縮波の時間遅延の測定を行うことができる。変動が品質調査過程で大きすぎることが決定された場合は、膜は、濾過装置内に組み込むより前に排除することができる。かかる応用が、製造工程中の品質に倒して許される。

示された測定は線形応答すると仮定されたが、信号に対する膜の非線形応答も、膜の特性決定のために使用することができる。例えば、１０ＭＨｚの周波数を有する信号が膜の中に給送され、そして１０．１ＭＨｚの周波数を有する信号が膜から受け取られたならば、かかる信号は非線形である。この非線形応答は、膜の汚染のような膜の特性を決定するために使うことができる。非線形応答は、膜が濡れていても乾燥しているときも膜において作ることができる。

膜におけるプレート波の伝搬を示す。 膜を通して第２の波を伝達させる方法を示す。 膜への変換器の結合を示す。 膜に結合された変換器により作られた信号を示す。 膜の表面に関してある角度における変換器の膜への直接結合を示す。 膜への変換器の非接触結合を示す。 システムのモデル化に使用される穴を有するプレートを示す。 穴の半径により正規化されたプレートの穴の散乱断面と対応する無次元の波数との間の関係を示す。 多孔性プレートにおける液で満たされた穴の散乱断面を示している曲線と密なプレートの空孔のための散乱断面との間の比較を示す。 膜における後方散乱信号に対する孔隙率の影響を示す。 膜検査システムを示す。 膜検査システムの別の構成を示す。 プレート波により励起された膜の速い圧縮波及び遅い圧縮波の存在を示している信号を示す。 膜において作られた２個の信号の比較を示す。 膜において作られた２個のフーリエ変換された信号に比較を示す。 速い圧縮波の時間遅延を示す。

Claims (27)

1. 多孔性フィルムの特性を決定するための方法であって、
   ａ）少なくも１個の変換器を多孔性フィルムに音響的に結合する段階と、
   ｂ）多孔性フィルム内の音波の伝搬により多孔性フィルムにおけるラム波を作る段階であって、ラム波が、多孔性フィルムの孔内を流体が動くようになすことにより孔内に速い圧縮波と遅い圧縮波とを生じる段階と、
   ｃ）速い圧縮波により生じる音響信号と遅い圧縮波により生じる音響信号とを得る段階と、
   ｄ）多孔性フィルムについての、速い圧縮波により生じる音響信号と遅い圧縮波により生じる音響信号とを有する表示信号を得る段階と、そして
   ｅ）表示信号から多孔性フィルムの特性を決定する段階と、
   を備える方法。
2. 少なくも１個の変換器を、多孔性フィルムの表面に関してある角度で多孔性フィルムに音響的に結合することを有する請求項１の方法。
3. 少なくも１個の変換器を、多孔性フィルムの表面に平行な軸線に沿って多孔性フィルムに音響的に結合することを有する請求項１の方法。
4. 少なくも１個の変換器を、多孔性フィルム材料にインピーダンス整合させることを有する請求項１の方法。
5. ガラス粒子充填材を有するエポキシ樹脂の結合用デバイスを、少なくも１個の変換器と多孔性フィルムとの間に取り付けることを有する請求項４の方法。
6. 多孔性フィルムの特性を決定する段階が、多孔性フィルムの材料特性を決定することを有する請求項１の方法。
7. 多孔性フィルムの特性を決定する段階が、多孔性フィルムの総空隙率を決定することを有する請求項１の方法。
8. 多孔性フィルムの特性を決定する段階が、多孔性フィルムにおける欠陥の存在を決定することを有する請求項１の方法。
9. 欠陥が、寸法で、ラム波の１波長より小さい請求項８の方法。
10. 速い圧縮波と遅い圧縮波との間の時間差を決定することを有する請求項１の方法。
11. 多孔性フィルムの特性を決定する段階が、多孔性フィルムの総空隙率を決定することを有する請求項１０の方法。
12. 多孔性フィルムの特性を決定する段階が、多孔性フィルムにおける欠陥の存在を決定することを有する請求項１０の方法。
13. 多孔性フィルムの少なくも一方の表面が液体媒体と接触する請求項１の方法。
14. 多孔性フィルムの少なくも一方の表面が気体媒体と接触する請求項１の方法。
15. 総空隙率の少なくとも１つと多孔性フィルムの孔寸法を決定するために音響測定を行うように、多孔性フィルムの表面に直角に第２の変換器を結合することを有する請求項１の方法。
16. 多孔性フィルムの総空隙率を決定することを有する請求項１５の方法。
17. 多孔性フィルムの孔寸法を決定することを有する請求項１５の方法。
18. 多孔性フィルムに対する表示信号を、基準多孔性フィルムからの基準信号と比較することを有する請求項１の方法。
19. 多孔性フィルムが膜である請求項１の方法。
20. 表示信号から多孔性フィルムの特性を決定する段階が、遅い圧縮波の解析を有する請求項１の方法。
21. 多孔性フィルムの特性が、多孔性フィルムを形成する材料の種類を示す請求項２０の方法。
22. 多孔性フィルムの特性が、多孔性フィルムの汚れを示す請求項２０の方法。
23. 表示信号から多孔性フィルムの特性を決定する段階が、速い圧縮波の解析を有する請求項１の方法。
24. 多孔性フィルムの特性が総空隙率を示す請求項２３の方法。
25. 多孔性フィルムがフィルターである請求項１の方法。
26. ラム波が、多孔性フィルムの自由境界面が粘性流体媒体と接触する漏出ラム波である請求項１の方法。
27. 多孔性フィルムの自由境界面が、弾性的擾乱から約１０波長又はそれ以下のラム波の距離内にある請求項１の方法。

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