上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基振動規(guī)律及相干性分析

宋　麗，李中亮，薛　蓮，徐中民，王　劼

（中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基振動規(guī)律及相干性分析

宋麗，李中亮，薛蓮，徐中民，王劼

（中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800）

利用高靈敏度速度傳感器，對上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基的隨機(jī)振動進(jìn)行了多點(diǎn)同步測量。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基隨機(jī)振動幅值具有周期變化的規(guī)律，且在低頻區(qū)2 Hz～10 Hz具有較好的隔振效果。首次在上海光源大廳內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)振動中傳遞的相干規(guī)律的測試，測試表明在上海光源實(shí)驗(yàn)大廳中，距離為10 m的測試點(diǎn)在2.5 Hz以內(nèi)的隨機(jī)振動的互相關(guān)大于0.9；距離超過10 m時(shí)，兩點(diǎn)隨機(jī)偏差大于50 nm，超過隨機(jī)振動RMS振幅的20%。隨機(jī)振動傳遞規(guī)律的分析，對同步輻射光學(xué)元件的隔振設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

振動與波；同步輻射；隨機(jī)振動；振動頻譜；振動相干性

上海光源（SSRF）是國際領(lǐng)先的第三代同步輻射光源，已廣泛應(yīng)用在材料、環(huán)境、生命科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)。在同步輻射實(shí)驗(yàn)中對光束的穩(wěn)定性有著極高的要求，光束穩(wěn)定性一般要求小于光斑尺寸的10%。目前上海光源微聚焦（MFX，15U）光束線實(shí)驗(yàn)站的光斑在微米甚至亞微米量級。在未來上海光源線站工程建設(shè)中，納米探針光束線（nanoprobe beamline）的次級光源點(diǎn)光斑尺寸為20 μm［1］，垂直方向的位置穩(wěn)定性小于2 μm，指向穩(wěn)定性小于0.1 μrad。光束的穩(wěn)定性好壞將直接影響同步輻射光性能，而地基振動是影響光束穩(wěn)定性的重要因素之一。目前世界各國的三、四代光源都對于地基的隨機(jī)振動進(jìn)行了廣泛而深入的研究。隨著同步輻射光束線的運(yùn)行，由于地基隨機(jī)振動而引起的光束線光學(xué)元件的振動［2］，從而影響光束穩(wěn)定性這一問題已越來越被重視和發(fā)現(xiàn)。本文對上海光源（SSRF）實(shí)驗(yàn)大廳振動進(jìn)行了詳細(xì)的測量和分析，用以得到隨機(jī)振動在地基中傳遞特性。通過詳細(xì)測量上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基的振動特性，總結(jié)隨機(jī)振動的周期特性，分析振幅影響的主要因素，以及隨機(jī)振動在上海光源地基中傳遞的相干規(guī)律。

1　測試方案

測量系統(tǒng)采用高靈敏度的速度傳感器：Guralp速度傳感器3ESPC，該傳器的頻率范圍60 s 50 Hz（100 Hz在其線性范圍內(nèi)），1 Hz的分辨率為0.02 nm，線性度大于107 dB，動態(tài)范圍為140 dB，三方向正交誤差小于0.05度。傳感器的信號經(jīng)放大器放大后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，得到時(shí)域速度信號。隨機(jī)振動的測量信號，采用離散傅里葉變換進(jìn)行處理，對于測量時(shí)間T內(nèi)的功率譜密度（PSD）定義為［3］

其傅里葉變換表達(dá)式為

其中對于離散傅里葉變化

功率譜密度的單位為μm2/Hz。其中N為離散傅里葉變換的分析點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)功率譜密度計(jì)算位移的均方根值（RMS）為

兩個獨(dú)立振動的互功率譜函數(shù)為

通過這三個公式對隨機(jī)振動的信號進(jìn)行處理。

本文采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，采樣時(shí)間設(shè)置60 s。依照文獻(xiàn)［3］，重點(diǎn)考察1 Hz～100 Hz和4 Hz～100 Hz地基振動的頻段。

2　測試結(jié)果及分析

上海光源位于上海張江高科技園區(qū)，其實(shí)驗(yàn)大廳北鄰蔡倫路（距離48 m），西為羅山路（距離570 m），東邊是科苑路（距離228 m），南靠張衡路（距離62 m）。其中羅山路、科苑路和張衡路均為交通繁忙的干線，蔡倫路車量較小些。在上海光源北面1.3 km處有地下地鐵線運(yùn)行，西面距離約530 m有一條高架地鐵線和一條磁懸浮線運(yùn)行。上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地理位置及周邊交通情況如圖1所示。

圖1　上海光源位置示意圖及周邊交通情況圖

其周邊交通環(huán)境復(fù)雜，道路交通對地基影響較大［4］。為降低環(huán)境隨機(jī)振動的影響采用整塊地基澆筑而成［5］，剖面圖見圖2，從內(nèi)至外依次為：內(nèi)部建筑、內(nèi)技術(shù)走廊、存儲環(huán)隧道、實(shí)驗(yàn)大廳、外技術(shù)走廊、外建筑，采用1 000根直徑為0.6 m的樁打入地下48 m，隧道底板厚度為1 050 mm，實(shí)驗(yàn)大廳厚度為1 350 mm。

圖2　上海光源主題建筑剖面圖

2.1上海光源實(shí)驗(yàn)大廳振動分析

在上海光源實(shí)驗(yàn)大廳黃線以內(nèi)（打樁的混凝地基），采用24 h連續(xù)測試，上海光源大廳位移振幅變化如圖3所示。

圖3　上海光源大廳24小時(shí)的振幅變化

依照文獻(xiàn)［3］，上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基振動對實(shí)驗(yàn)儀器的影響主要頻段1 Hz～100 Hz，圖中位移振幅為1至100 Hz位移的積分值，從圖中可以看出，在上午9:00、10:50、下午15:30、17:00時(shí)間點(diǎn)左右，隨機(jī)振動的位移振幅增加明顯，這與上海光源的工作時(shí)間基本吻合。估計(jì)振源主要與上海光源周邊交通以及人類活動有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)大廳的一周位移振幅變化如圖4所示，測試結(jié)果表明：

1）周末與工作日相比有略微的降低，但并不明顯，而國外光源周末的振幅是工作日1/3，主要原因是上海光源周圍是市區(qū)的主干道，且周末有大批值班人員和用戶在線工作，而國外光源通常處于郊區(qū)；

2）晝夜周期的規(guī)律較為明顯，白天峰值相對于谷值增加兩倍；

3）考慮到1 Hz～4 Hz為低頻振動，包括了自然環(huán)境振動和大地脈動，具有低頻和隨機(jī)的特性，很難對該頻段進(jìn)行隔振，故上海光源實(shí)驗(yàn)大廳隔振的目標(biāo)及關(guān)注的頻域?yàn)? Hz～100 Hz。從圖4測試數(shù)據(jù)中可以看出4 Hz～100 Hz的振動位移變化平緩且幅值遠(yuǎn)低于1 Hz～100 Hz，說明在上海光源實(shí)驗(yàn)大廳中，1 Hz～4 Hz的低頻振動為隨機(jī)振動中的主要部分。

圖4　上海光源大廳一周的振幅變化

五一假期間實(shí)驗(yàn)大廳位移振幅變化結(jié)果如圖5所示（光源正常運(yùn)行）。與工作日位移振幅的比較，假期的實(shí)驗(yàn)大廳位移振幅有明顯下降，這從另一方面說明周邊的交通是上海光源的振動的主要因素之一。

圖5　上海光源大廳假期的振幅變化

2.2隨機(jī)振動的頻譜特性

通過振動位移周期規(guī)律，選取嘈雜和安靜兩個時(shí)間段內(nèi)測量實(shí)驗(yàn)大廳功率譜［6］，如圖6所示。

圖6a　上海光源實(shí)驗(yàn)大廳振動功率譜（白天）

圖6b　上海光源實(shí)驗(yàn)大廳振動功率譜（晚上）

傳感探頭分別放置在實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)（澆筑地基）、外（普通地基）用以測量振動位移功率譜。圖6a為白天測試結(jié)果，圖6b為晚上測試結(jié)果。由圖中可以看出，在超低頻，嘈雜（白天）大廳實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)外的振動幅度差值遠(yuǎn)大于安靜（晚上）時(shí)的差值，而高頻部分的基本一致；安靜時(shí)（晚上）二者基本一致。

光源實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)外振動位移RMS值，如圖7所示。

圖7a　上海光源實(shí)驗(yàn)大廳位移頻譜（白天）

圖7b　上海光源實(shí)驗(yàn)大廳位移頻譜（晚上）

圖中可以看出實(shí)驗(yàn)大廳外的振動幅值明顯高于實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)（澆筑地基）的振幅，在0.02 Hz～2 Hz區(qū)間位移積分為恒定值，該部分是振幅的主要貢獻(xiàn)的頻段，為大地的脈動頻率。高于2 Hz的部分的差值有變化，且隨著頻率的增加，差值逐漸減小。而人類活動的噪聲主要集中的2 Hz～10 Hz的頻段范圍內(nèi)。從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)大廳地基在2 Hz～10 Hz低頻區(qū)具有較好的隔振效果。

2.3隨機(jī)振動的傳播特性

隨機(jī)振動的傳播特性通過振動相關(guān)函數(shù)進(jìn)行描述［7］，同步輻射通常認(rèn)為相干函數(shù)大于0.9時(shí)為同一個振動。在光束線設(shè)計(jì)中，通常單色器與鏡箱的距離為3 m，前端區(qū)XBPM距離單色器的距離接近當(dāng)6 m，鏡箱到樣品的距離通常大于10 m。以此為依據(jù)，我們在上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基地面上選擇了距離0.2 m、3 m、6 m、10 m的位置，在鉛錘方向進(jìn)行了振動的互相干測量。測試結(jié)果如圖8所示。

圖8　上海光源實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)振動的相干性

距離為0.2 m時(shí)，50 Hz以下的隨機(jī)振動的互相關(guān)系數(shù)大于0.9；距離為6 m時(shí)下降到5 Hz以下互相關(guān)系數(shù)大于0.9；當(dāng)離達(dá)到10 m時(shí)僅在2.5 Hz以下互相關(guān)系數(shù)大于0.9。在10 m的條件下，當(dāng)相干函數(shù)降為0.5時(shí)的頻率為8.35 Hz，降為零時(shí)的截止頻率為21.59 Hz。

計(jì)算由隨機(jī)振動引起的相對位移差，結(jié)果如圖9所示，當(dāng)距離超過10 m時(shí)，偏差大于50 nm，超過隨機(jī)振動RMS振幅的20%。

3　討論

為了減少上海光源的大廳地基振動，可采取相應(yīng)的措施和方法，如（1）減少或相對降低光源周邊振源；（2）對于對振動要求極高的實(shí)驗(yàn)，可避開振動嘈雜期，在振動相對安靜的時(shí)刻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

本文首次在上海光源大廳內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)振動中傳遞的相干規(guī)律的測試。通常在相干函數(shù)大于0.9時(shí)，可看作同一個振動。從測試的相干性測數(shù)據(jù)來看，距離相距10 m兩光學(xué)元件（如鏡箱到樣品）在2.5 Hz以下的振動可視為同步振動；而單色器與鏡箱的距離為3 m，在20 Hz以下的振動可視為同步振動；對于XBPM，當(dāng)距離超過10 m，測量光束指向穩(wěn)定性時(shí)，隨機(jī)振動的誤差可認(rèn)為是白噪聲。通過對隨機(jī)振動中傳遞的相干規(guī)律的分析，對同步輻射光束線光學(xué)元件的振動分析有一定的指導(dǎo)作用。

圖9（a）　不同距離隨機(jī)振動引起的相對位移差

圖9（b）　不同距離隨機(jī)振動引起的相對比率

4　結(jié)語

本文對上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基隨機(jī)振動進(jìn)行測試，對不同時(shí)間段、不同時(shí)刻、不同頻段、以及不同距離條件下的振動相干性進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）上海光源的晝夜周期的規(guī)律較為明顯，白天峰值為谷值的三倍。在光源實(shí)驗(yàn)大廳中，1 Hz～4 Hz的低頻振動為隨機(jī)振動中的主要部分。

（2）上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基在低頻區(qū)2 Hz～10 Hz具有較好的隔振效果。

（3）實(shí)驗(yàn)測試表明在上海光源實(shí)驗(yàn)大廳中，距離為10 m的測試點(diǎn)在2.5 Hz以內(nèi)的隨機(jī)振動的互相關(guān)大于0.9。距離超過10 m時(shí)，兩點(diǎn)隨機(jī)偏差大于50 nm，超過隨機(jī)振動RMS振幅的20%。

致謝：感謝歐陽聯(lián)華博士、NSLS-II Nicholas Simos及Animesh Jain關(guān)于振動測量及數(shù)據(jù)處理的指導(dǎo)

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Analysis of Ground Vibration Law and Coherence of the Experimental Hall of Shanghai Synchrotron Radiation Facility

SONGLi，LI Zhong-liang，XUELian，XU Zhong-min，WANGJie
（Shanghai Institute ofApplied Physics，ChineseAcademy of Sciences，Shanghai 201800，China）

Multi-points synchronous measurement of random ground vibration of the experimental hall of SSRF has been done using high sensitivity velocity sensors.Results of analysis show that the amplitude of the random ground vibration of the hall changes periodically，and the 1-meter thick cement floor supported by piles has a good vibration isolation performance for the frequencies beyond 2 Hz.It is the first-time test of the coherence law of the random vibration transfer in the experimental hall of SSRF.Results of measurement show that the cross-correlation of the random vibration at the measurement points with 10-meter spacing is greater than 0.9 in the frequency range below 2.5 Hz.When the spacing exceeds 10m，the displacement deviation of the random vibration between two adjacent measurement points is greater than 50 nm，which exceeds 20%of the vibration amplitude in RMS.The test result of the coherence in the experimental hall of SSRF can be considered as a reference for the beamline isolation design.

vibration and wave；synchronous radiation；random vibration；frequency spectrum of vibration；vibration coherence

O324

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.023

1006-1355（2016）05-0108-04+159

2016-02-24

微振動對雙晶單色器穩(wěn)定性影響的研究（11505279）

宋麗（1984-），女，江蘇省連云港人，碩士生，主要研究方向?yàn)檎駝訖z測。E-mail:songli@sinap.ac.cn

王劼，男，博士生導(dǎo)師。E-mail:wangjie@sinap.ac.cn