摘要
在極限環境中看見你所未聞之物-工業聲學顯像儀實務應用
The professional responsibility of the facility engineer is to safely supply everything needed for the equipment in the foundry. As the front line of safety protection in the factory, there are thousands of machines/subsidiary machines in the factory area that need to be monitored and inspected. How to effectively find out the problems of the machines in a short time is a big challenge. For This challenge. This article uses an industrial acoustic imager to try to break through this dilemma. It focuses on the various noises that occur in the foundry and their fundamental detection methods.
For further analysis of the use of the instrument and factory noise summarizes the reasonable scope of application of the imager.
In terms of leakage, two meters are used as the distance of the acoustic imager in detecting gas leakage. It is easier to find leakage at pressure leakage points greater than 5 psi. Such as common quick coupling aging leakage, leakage caused by hardening and cracking of pipes, etc.
For noisy environments. High frequency sounds need to be used as screening intervals to avoid leaking sound sources from being masked by high-decibel noise. In the general environment, the use of 2-20kHz low-frequency sound measurement is more susceptible to environmental noise interference, resulting in the inability to measure specific leakage points.
These screening methods are helpful to improve the effectiveness of inspection and prevent misoperation by inspectors, resulting in misjudgment or missing the golden time for rescue due to failure to find the source of leakage.
1. 前言
維持穩定且安全的供應系統是廠務工程的核心精神與作為。穩定意味著長久，在動輒運轉超過20年以上的廠區，如何使供應系統穩定不中斷變愈顯得重要。在晶圓廠區，絕大部分供應系統為維護安全性，使用能夠立即且快速地阻斷的閥件，而閥件的動力大多都來自於壓縮潔淨空氣(Compress Dry Air, CDA)或GN2，而CDA或GN2通常藉由塑材管線來供應機台內部的各個閥件。當這些管線硬化、破損，由於閥件設計通常為normally close設計，在失去驅動氣源狀況下會阻斷供應，則使得供應系統出現不穩定的風險。以電力供應為例，高壓的盤面及變壓器機組長久的使用下因為零組件老化，導致無法預防突波、斷路動作失效、變壓器燒毀等等導致供應中斷甚至廠房安全疑慮，而在這之前除了傳統的使用遠紅外線掃描(Infra-Red scan, IR Scan)掃描識別機件是否過熱，我們也嘗試利用聲學顯像儀針對變壓器所產生的電磁噪音進行偵測，嘗試擴展聲學顯像儀在工廠中的應用方式。
在舊有廠區維持穩定運轉的同時，必須面臨管路在長久使用下所造成的老化現象、電磁閥O-ring長久使用後因為應力所造成的硬化、快接頭的塑化材料脆化、電力設備使用年限較長導致組件老化等等狀況。這些狀況可能直接或間接導致供應中斷的風險，雖各廠區皆對此不斷逐步進行改善並效仿新廠區使用材質正確之管路或使用年限更久之零組件，但仍需要對此進行風險管理，在廠區使用的機台數眾多的情況下，巡檢及預防便顯得十分重要。
台積廠區的廠務系統巡檢主要由工程師及TXM駐廠人員進行，在耗費大量的巡檢人力同時，單倚靠人力不借助儀器檢查，很多時候反而無法查出洩漏位置，而能夠以人耳輕鬆識別之聲源往往皆已是大量洩漏或是組件老化嚴重，這時再行處理通常為時已晚。而輕微噪音單憑人耳容易遭受環境背景音影響，在廠務多種環境狀況中必須找出一個適用且迅速，有效的巡檢方式，聲學顯像儀就成為了一個適用於高科技廠區的巡檢利器。
2. 文獻探討
在討論使用聲學顯像儀之前，對於晶圓廠的噪音必須有一定的認識，才有足夠的能力分辨哪些是可被忽略的噪音，而哪些又是值得被關注的聲源。
聲音的傳播在空氣中呈現反平方速率銳減，而在液體及固體環境中，低於4.5kHz的聲源才容易被傳播。這也是在工廠的環境中，較容易聽見背景低頻的聲音的緣故。(圖1)
圖1、聲音的傳播在空氣中呈現反平方速率銳減
聲音遇到物體時可被歸納出四種不同的現象，分別是反射、干涉、折射和衍射。一部分能量從表面反射，一部份通過介質傳輸，一部份被吸收。若是吸收和透射的比率較低，入射的聲音則大部分被反射，被稱為是聲學上的硬介質，對聲音產生鏡面反射。此時便需要注意在實務應用時的多點噪音干擾，以及聲源互相干涉現象。
2.1 氣體管線洩漏偵測的聲學
廠區中的聲音可大略區分為以下幾種：馬達的運轉聲、物品移動的聲音、液體或氣體流經管路的聲音及高壓電流經過變壓器所發出的電磁轉換聲等等，相對來說，氣體洩漏所造成的聲音頻率相對較高，而依據洩漏速率及洩漏孔的大小，而有不同的頻率範圍。(圖2)
圖2、氣體洩漏與機械噪音不同頻率的聲強[1]
依據實驗，氣體洩漏在30至40kHz間有最高的聲強，並且在一般工廠範圍內，20kHz內會有著較大的背景機械噪音，包含機台移動、旋轉、變壓器運作等。
2.2 電力變壓器工作時所產生的聲音與震動
高壓電流在一般正常情況下流經電力設施會產生兩種聲音，一是經過電力傳輸設施所造成的高頻聲音，這種聲音為電暈放電(Corona discharge)所引起。電暈放電常沿著電極的邊沿形成。在電場強度過大，導致電流擊穿帶電導體周圍的非導電介質流體(如空氣)，電離時發生的放電。這種放電所產生的聲音其實是電流擊穿空氣所產生的聲音。
而常在晶圓廠內聽見電流所產生的聲音則是電流經過變壓器所發出的電磁轉換聲。變壓器的電磁轉換聲通常主要是由低於500Hz的震動所引起，特別是300Hz、100Hz及50Hz，與氣體洩漏動輒大於20KHz的頻率相較起來較容易被固體、液體所傳播、吸收，形成在晶圓廠內大部分低頻噪音的主要來源。
2.3 工業聲學顯像儀工作原理[2]
聲學顯像儀工作的原理是利用多個麥克風組成陣列，利用三角測量計算聲音方位，疊加至相機所拍攝之圖像上。
聲學顯像儀依據不同廠牌有不同數量的指向型麥克風對聲音進行蒐集，形成麥克風陣列。而麥克風可由外界的聲壓擠壓薄膜，藉由在薄膜上的線圈或是電容進行感應起電，輸出電流，電流的強度可藉由換算成為音強的大小(dB)。每個麥克風與麥克風之間的距離為固定值d，麥克風可藉由聲源的入射角q以及麥克風之間的距離d，對聲源進行計算其在空間上的距離以及在拍攝圖片中的位置。利用正弦定理a/sinA=b/sinB=c/sinC以及餘弦定理c2=a2+b2-ab*cosC對聲源進行運算。指向型麥克風對聲源蒐集得知聲源入射角度，藉由陣列麥克風得知至少兩入射角度後，由麥可風之間的距離d進行計算。(圖3)
圖3、聲波顯像儀對聲音定位之計算方式
但由於在複雜場域中，會遇到聲音藉由剛性物體反射的狀況，導致單一聲源遭環境分散無法準確定位，需要倚靠人力辨別環境聲源正確性。
3. 研究方法
使用工業聲學顯像儀，針對上述聲源包括變壓器、氣源洩漏等進行量測。氣體洩漏的部分，分別對氣體於不同壓力下洩漏聲源的變化、大口徑洩漏所產生的聲源特徵進行探討；電力變壓器針對不同伏特變壓之變壓器進行量測。實地於工廠內含大量背景噪音環境進行對背景的特徵量測，以及最終實務應用面，環境噪音與真實需要偵測的音源在不同距離之下會受到多少干擾。
3.1 氣體於不同壓力下，洩漏聲源變化
在同樣的管徑下，氣體不同的壓力代表著輸送的氣體量不同，愈高壓力下洩出的氣體量就愈多。本次計畫以1/8"氣源管路全洩漏作為參照目標，使用調壓閥對GN2進行洩漏壓力調整，量測距離為2公尺，模擬實務上常使用的距離，洩漏壓力以2psi作為級距調整，分別調整由0至20psi。洩漏聲源變化則主要以分貝做為比較標的並進行三重複。冀望能藉由聲源的變化判斷該氣源洩漏的壓力，進而確保量測時發現洩漏點時的人員安全。
3.2 電力變壓器產生的聲音變化
本篇主要以晶圓廠區常用電力變壓器作為量測主體，分別為161kV轉22.8kV主變壓器、22.8kV轉480V以及22.8kV轉220V三種變壓器。主要希望能夠辨別不同變壓器所發出的低頻噪音以及新舊變壓器的音頻變化。
3.3 環境噪音特徵
在CDA room/ Sub-FAB及FAB中進行環境聲音採樣，對聲音頻譜進行確認特徵。區分為人耳可聽見的2kHz至20kHz頻譜，以及20kHz以上頻譜，分別比對。希望能利用頻譜比對的方式，降低干擾，使得能夠更精確地發現洩漏源。
3.4 不同距離下環境噪音與欲偵測音源之分辨
我們期望能在吵雜的環境中能夠立即分辨異常音源，但由於聲音在空間中呈現倍數衰減，這時就須了解在不同距離下，能夠在吵雜環境中能夠明確探知異常聲音的最長距離，並且分析相應環境下的推薦使用距離，使得能夠精準的對待偵測物進行快速且有效的掃描。本次我們挑選出半導體廠較常使用的區域，FAB以及Sub-FAB，並且特意挑選長期大於80分貝的區域CDA room作為參照。在對待測物距離2公尺、4公尺、6公尺、8公尺以及10公尺，對模擬洩漏待測物1/8"口徑PU管路，10 psi CDA洩漏源進行量測。
4. 結果與分析
4.1 以聲學檢知氣體洩漏偵測之極限(圖4)
圖4、人耳聽力區間，不同壓力洩漏狀況人耳的檢知極限
在壓力測試下，我們可以發現在10psi的洩漏壓力，1/8"吋管路作為洩漏樣點，距離2M的分貝數與日常環境背景音無太大差異，約略都在小於50分貝的範圍內。在頻譜上幾乎沒有起伏。安靜的環境下可約略聽見，但在Sub-FAB中則完全無法聽見。需要靠近至將近0.5公尺時才可明確聽見氣體外洩聲響。而在CDA room時則是無法以人耳聽見小於20psi的洩漏壓力。(圖5)
圖5、超出人耳極限音頻聲強
可以在實驗結果中發現，相同距離之下，較高頻率的分貝數較高。
4.2 適用於檢知電力變壓器聲學頻譜變化與否
在實驗結果中，22.8kV-220V及22.8kV-480V變壓器所發出的電磁噪音在聲學顯像儀中並無太大差異，新舊變壓器亦同。然而聲音區間則與氣體洩漏有所區別，集中在2-20kHz的區間。20Hz至2000Hz區間聲波顯像儀無法確認，但可藉由人耳識別低頻的聲源位置。
大型變壓器(161kV-22.8kV)則在戶外，量測易受環境噪音、變壓器風扇導致失真故不採計。
4.3 吵雜環境中偵測聲源特徵及適用場域分析
本研究以CDA room作為吵雜環境樣本，在CDA機台周圍10公尺內，人耳音域聲音量測均大於75分貝，20公尺則以外仍有大於70分貝的聲壓強度。在這樣的環境對於聽覺會有極大損傷。且在此環境中人耳完全無法進行氣體洩漏巡檢，音域內之聲音將被CDA機台完全掩蓋。(圖6)
圖6、CDA區域不同頻率之背景噪音
但在高音頻區域則可以明確發現背景聲音響度較低，可以看到距離2公尺以上的距離時，其聲音響度皆小於55dB，此時以聲波顯像儀即可檢出8psi壓力以上的洩漏位置。
5. 結論
以2公尺作為一般環境洩漏點巡檢方式，需大於5psi壓力以上之洩漏點較易發現洩漏，因其音量能夠突出環境背景聲音，而使得被檢出。舉例如CDA快接頭老化造成的洩漏，或是氣源管路PU/PE管脆化破裂洩漏的聲響皆在此範圍。但在CDA room等吵雜環境中，同樣為CDA快接頭輕微洩漏的狀態，必須針對高頻率聲音(大於35 kHz)做為篩檢級距才可明確檢出確切洩漏位置。原因為現場環境具有強聲壓之低頻聲音(2至20 kHz)，低頻聲音會遭到現場環境背景覆蓋而無法明確檢知，進而無法針對特定洩漏點進行量測。
變壓器方面，使用聲學顯像儀無法如IR scan精準量測問題部位，低頻聲音無法如人耳精準辨別位置，且量測區間易受環境干擾，量測不易。故不推薦聲學顯像儀用作量測變壓器使用。
參考文獻
- https://distran.swiss/en/spectrogram-improve-leak-detection/
- Correlation between audible noise and corona current generated by AC corona discharge in time and frequency domains Physics of Plasmas 25, 063512 (2018).
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