精密實驗室素地微振動測試與分析

鈕于藍(lán)， 汪洪軍， 蔡晨光， 黃秋菊， 葉 文

(1. 之江實驗室，浙江 杭州 310000; 2. 中國計量科學(xué)研究院，北京 100029;3. 中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120)

0 引 言

實驗室是探索世界、認(rèn)識世界的前沿陣地，是研究新理論新技術(shù)的重要工具，是符合性驗證的重要手段。先進(jìn)儀器設(shè)備逐漸成為實驗室必備的重要裝備，這些儀器設(shè)備具備價值大、精度高、使用環(huán)境要求苛刻等特點。大多數(shù)精密儀器對環(huán)境振動比較敏感，環(huán)境振動會對精密儀器設(shè)備造成損害、降低精度、產(chǎn)生難以接受的偏離，因此在實驗室規(guī)劃選址和建設(shè)過程中必須考慮降低或消除環(huán)境振動影響[1]。環(huán)境微振動是由各種無定向振源激發(fā)產(chǎn)生的一種非重復(fù)性隨機振動，振源機制通常為白噪聲，其物理特征相當(dāng)復(fù)雜，且受到振源機制、波的傳播路徑、場地巖土特性等因素影響[2]。為此，欲實現(xiàn)高精度的微振動控制，需從實驗室選址、建筑結(jié)構(gòu)減振措施、振源隔振方法和精密儀器調(diào)整等多方面考慮。

2015年頒布的GB 51076—2015《電子工業(yè)防微振工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，納米實驗室裝置在1～ 100 Hz頻段內(nèi)的容許振動速度僅為 1.56 μm/s，電子顯微鏡在1～ 100 Hz頻段內(nèi)的容許振動速度為6.25 μm/s，并規(guī)定儀器設(shè)備容許振動幅值不大于表1規(guī)定限制時，宜進(jìn)行建設(shè)場地素地環(huán)境微振動測試與分析[3]。對于這一類工程，建設(shè)場地原則上應(yīng)盡量選擇在遠(yuǎn)離高鐵、地鐵、城市干道等交通繁忙區(qū)域，但由于城市建設(shè)迅猛發(fā)展，在工程選址時難以全都避開，因此需要根據(jù)工程實際情況開展人類活動的近距離干擾振動激發(fā)的環(huán)境振動對精密裝置振動影響的分析研究[4-5]。

表1 微振動限值

公路和高鐵交通引起的振動是車輛在行駛時通過車輪給路面或路基一個變動的接地壓力對周邊地表引起的振動[6-7]。彭也也等[7]測試分析了成渝高速鐵路某路堤地面三向振動傳播特性，結(jié)果表明列車在路堤段高速運行時引起的地面三向振動會對沿線一定范圍人群的生產(chǎn)和生活造成較大影響。武利軍[8]測試了公路交通引起的振動傳播特性，分析得出車輛的運行速度、載荷和離振源的距離是影響地面振動的主要因素，公路交通會對附近精密儀器的正常使用帶來嚴(yán)重影響。目前，主要采取實地測量和有限元動力分析等方法研究微振動特性，并對各類隔振減振方法進(jìn)行評價。

本文以之江實驗室6號實驗樓為例，對該實驗樓建設(shè)區(qū)域素地進(jìn)行實測，通過1/3倍頻程法對振動時程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，重點評估未來周邊道路車輛和高鐵行駛產(chǎn)生的振動波通過周圍地層向外傳播，誘發(fā)附近地基場地及鄰近建筑物的振動，對精密實驗室的結(jié)構(gòu)安全及實驗環(huán)境產(chǎn)生的影響，以用于判定該實驗樓建設(shè)選址的適用性和指導(dǎo)防微振設(shè)計方案的制定，亦可為該實驗樓整體布局及類似實驗室微振動特性研究提供借鑒。

1 工程及控制標(biāo)準(zhǔn)概況

6號實驗樓位于之江實驗室一期項目東北側(cè)，總規(guī)劃建設(shè)面積 22098 m2，地下一層，地上四層。之江實驗室一期項目東南西北側(cè)道路分別為南湖西路、文一西路、之達(dá)路、環(huán)溪路。6號樓距離最近的北側(cè)環(huán)溪路約200 m，環(huán)溪路北側(cè)為南苕溪，四季有水，汛季水流較大。距離6號樓建設(shè)用地約360 m處有一條規(guī)劃高鐵線路。另外，6號樓東南側(cè)約1600 m處為具有大面積水域的南湖。項目建設(shè)場地地形平坦，主要地層自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、圓礫、強風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖。6號實驗樓主要從事超高靈敏度極弱磁測量、慣性測量、重力加速度測量和重力儀研制等科研工作，從事這些研究工作所需要的精密設(shè)備對微振動要求較高。

精密設(shè)備的振動容許值是由精密設(shè)備本身所決定的，一般應(yīng)通過試驗確定，當(dāng)由于條件的限制難以實現(xiàn)時，可以對現(xiàn)有精密設(shè)備的環(huán)境振動調(diào)查及統(tǒng)計分析得到該類設(shè)備正常工作的振動容許參考值。國際振動VC標(biāo)準(zhǔn)是美國的Colin Gordon[9]針對振動敏感設(shè)備給定的振動標(biāo)準(zhǔn)，是一組標(biāo)記為VC-A到VC-G的1/3倍頻程速度譜，每條曲線規(guī)定了與之相應(yīng)的一類精密設(shè)備的振動允許值，2005年由Amick[10]對其進(jìn)行了優(yōu)化和更新，其具體控制值如圖1所示。隨著精密儀器的發(fā)展，甚至VC標(biāo)準(zhǔn)的最高水平都已無法滿足某些振動敏感設(shè)備及實驗室的振動控制要求，新的振動控制標(biāo)準(zhǔn)正不斷發(fā)展[11]。本項目根據(jù)實驗要求，實驗設(shè)備工作平臺表面環(huán)境微振動應(yīng)滿足國際標(biāo)準(zhǔn)VC標(biāo)準(zhǔn)中的VC-C、VC-D、VC-E多種控制要求。

圖1 國際振動VC標(biāo)準(zhǔn)[10]

2 微振動現(xiàn)場測試

精密實驗室建設(shè)場地素地環(huán)境微振動現(xiàn)場測試應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、建筑場地面積、有防微振要求的建筑物位置、周邊道路及鄰近干擾源等因素確定測試方案。環(huán)境振動工況分類及組合通常包括常時微動、固定干擾振源及移動干擾振源的分別作用及組合，在鄰近固定干擾振源影響微弱且相對不變的情況下，測試時應(yīng)重點關(guān)注最大干擾源的振動影響[3]。作者以之江實驗室6號實驗樓建設(shè)地塊為研究對象，對周邊公路、高鐵、溪流和湖泊等已知干擾振源開展測試和分析。

本次測試使用經(jīng)過標(biāo)定且在有效期內(nèi)的高精度環(huán)境振動測量分析系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測量，測量范圍為0.4～ 100 Hz，測量不確定度/準(zhǔn)確度等級為 U=3%（k=2）。參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 51076—2015附錄A，并結(jié)合6號實驗樓精密設(shè)備及儀器的容許振動值、場地及周邊道路布置圖、未來周邊道路可能行車狀況、實驗樓擬建場地及鄰近的振源位置等資料，制定測點布置方案。開展單點穩(wěn)態(tài)測量和在外界環(huán)境激勵條件下的瞬態(tài)測量，每個測點均同時記錄南北X方向、東西Y方向和垂直Z方向的振動速度。數(shù)據(jù)采集前，同型號傳感器應(yīng)進(jìn)行試采樣及對比分析。在采樣期間，要求除規(guī)定的振源及振源組合外，施工等其余可控振源應(yīng)暫時停止，20 m范圍內(nèi)無關(guān)人員不得靠近。

單點穩(wěn)態(tài)測量是在6號精密實驗區(qū)中心位置布置1個測點A，如圖2所示。在沒有外界隨機振源干擾情況下，穩(wěn)定采樣時間不小于1 h。根據(jù)現(xiàn)場情況和傳感器穩(wěn)定性，在測點A周邊10 m范圍內(nèi)再布置一個備用測點A′同時開展測量，以便相互佐證。

圖2 測點布置示意圖

周邊道路車輛行駛環(huán)境條件下的激勵，選擇距離6號樓最近的一條主要道路環(huán)溪路作為干擾源，在道路上鋪設(shè)多排木棍以模擬車輛行駛顛簸場景，場地內(nèi)南北方向按照不等間距，沿道路邊沿退讓4 m、16 m、64 m、200 m 布置 B～ E 4個測點，如圖 2所示。本次測量共設(shè)置4種工況，工況1為大型車以時速30 km/h行駛，工況2為中型卡車以時速20 km/h行駛，工況3為小轎車以時速10 km/h行駛，工況4為道路上無車輛行駛，每種工況采樣次數(shù)應(yīng)至少5次。

高鐵行駛環(huán)境條件下的激勵，為達(dá)實測目的，本文選擇了與6號樓建設(shè)用地地質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，實際高鐵運行線路周邊的杭州市余杭區(qū)馮家塘地塊，該線路每5 min左右經(jīng)過一趟高鐵。沿高鐵線路邊沿從左至右等間距布置編號為F～ K 6個測點，測點間隔為60 m，測點布置方式如圖2所示。

為保證振動測量的可靠性，在布置測點時，首先在測點處挖一個邊長0.8 m的正方體測試坑，去除表面虛土并進(jìn)行基礎(chǔ)找平，然后在其上澆筑一個邊長0.5 m的正方體混凝土塊，將傳感器用螺栓固定在混凝土塊的頂部，如圖3所示。

圖3 傳感器放置示意圖 (單位:mm)

3 測試數(shù)據(jù)處理與分析

Amick[12]認(rèn)為，均方根（RMS）是一種較好的頻域分析方法，可評價建筑環(huán)境微振動。Gordon[13]、Romdhane[14]和Nishiyama等[15]提出了評價振動敏感儀器的環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)曲線，這些為振動防治措施提供了設(shè)計依據(jù)。基于下式，對各測點的時程數(shù)據(jù)進(jìn)行整體處理，計算出各中心頻率帶寬內(nèi)對應(yīng)的均方根值，從而得到1/3倍頻程譜值。

式中：RMS——振動速度均方根值，μm/s；

y(n)——第n個點的振動速度，μm/s；

N——計算頻率區(qū)間內(nèi)的總點數(shù)。

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到振動頻譜曲線，繪制1/3倍頻程分析圖，其中橫坐標(biāo)為1/3倍頻程中心振動頻率，縱坐標(biāo)為振動速度均方根值，微振控制標(biāo)準(zhǔn)亦繪制于1/3倍頻程圖中。

微振動測試時，雖然施工等外部干擾振源已暫時停止，且20 m范圍內(nèi)無關(guān)人員沒有靠近。但距離項目約200 m的南笤溪水流正在流動，距離約1600 m的東南側(cè)南湖也伴隨有波浪作用。因此，本次測試并非完全只有單一來源的模擬外界環(huán)境激勵。

圖4為6號實驗樓沒有外界隨機振源干擾情況下的A測點三向振動頻程圖，測點A位于6號實驗樓建設(shè)區(qū)域中心位置，為盡量減少外界環(huán)境干擾，測量時間選擇在晚上10:30～ 次日8:30，在3個方向上的振動情況如圖4所示。測點A在1～ 100 Hz頻段南北方向、東西方向及垂直方向上的振動速度值均小于 0.78 μm/s（VC-G），結(jié)果表明，在僅有距離項目約200 m的南笤溪水流和距離約1600 m的東南側(cè)南湖已知干擾源干擾情況下，本地塊滿足該實驗室所需的微振動控制要求，即溪流和湖泊對6號實驗樓建設(shè)地塊的微振動影響極其微弱，并非是本建設(shè)用地的主要干擾源。

圖4 測點A三向振動頻譜圖

圖5表明項目周邊的環(huán)溪路在工況1環(huán)境條件下，退讓道路不同距離場地內(nèi)所產(chǎn)生的激勵，限于篇幅，僅給出了不同測點在垂直方向上的頻譜曲線。圖6表明不同工況對距離道路200 m的測點E所產(chǎn)生的干擾。測試時間為晚上7:30，根據(jù)實測數(shù)據(jù)可以看出周邊道路交通引起的地面振動有如下規(guī)律：

圖5 工況1測點B～ E垂直方向振動頻譜圖

1）大型車以時速30 km/h在環(huán)溪路行駛時，測點B～ 測點E垂直方向振動速度最大值分別為2203.91 μm/s、618.27 μm/s、258.78 μm/s、64.83 μm/s。沿道路邊沿隨著退讓距離的增加，振動速度最大值逐漸衰減，超過一定的距離后衰減趨于平緩。

2）不同運行工況下，測點E的振動強度明顯不同。表明場地振動速度與環(huán)溪路行駛的汽車載荷及車速有關(guān)，通過的載荷越大，速度越快引起的地面速度振級越大。

3）不同載荷和行駛速度的車輛均對測點E處的振動產(chǎn)生較大影響，經(jīng)過場地土層過濾及結(jié)構(gòu)自身作用，高頻振動成分得到顯著抑制，振動主要表現(xiàn)為低頻振動。

4）測點E在2～ 12.5 Hz頻率范圍內(nèi)，各類工況下的三向振動速度均方根值基本均大于3.12 μm/s（VC-E）。因此，6號樓工程設(shè)計時需要對周邊公路交通所可能產(chǎn)生的激勵尤其是對低頻段采取必要的隔振處理措施。

圖7為距離高鐵線路60 m、120 m、180 m、240 m、300 m和360 m測點F～ 測點K所產(chǎn)生的垂直方向上的振動激勵，圖8為距離高鐵360 m的測點K所產(chǎn)生的三向振動頻譜圖。測試時間為上午11:30，由圖6和圖7可知，高鐵線路引起的地面振動有如下規(guī)律：

圖6 各工況下測點E三向振動頻譜圖

圖7 測點F～ K垂直方向振動頻譜圖

圖8 測點K三向振動頻譜圖

1）高鐵通過時，測點F～ 測點K垂直方向振動速度最大值分別為 368.15 μm/s、240.91 μm/s、143.26 μm/s、125.46 μm/s、38.79 μm/s、23.7 μm/s，與公路交通相比，高鐵影響量更大且振動速度最大值發(fā)生在更低頻段。振動影響規(guī)律與公路交通類似，振動強度亦會隨水平距離的增加而減小。

2）高鐵對測點K造成的振動影響主要集中在1.6～ 12.5 Hz低頻段，高頻段影響不明顯。建議自振頻率處于此頻段的精密儀器采取相應(yīng)減振處理。

3）高鐵通過時測點K的三向振動速度均方根值在頻率 1.6～ 12.5 Hz 范圍內(nèi)仍大于 3.12 μm/s（VCE）。因此，6號實驗樓工程設(shè)計時需要對高鐵所可能產(chǎn)生的低頻段振動激勵采取必要的隔振處理措施。

4 結(jié)束語

采用環(huán)境激勵法，通過對之江實驗室一期6號實驗樓建設(shè)區(qū)域素地進(jìn)行微振動測試，并采用1/3倍頻程法對時程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到以下結(jié)論：

1）在僅有南笤溪溪流和南湖湖泊已知干擾源激勵下，該建設(shè)地塊的本底微振動指標(biāo)小于0.78 μm/s（VC-G），表明本地塊滿足該實驗室所需的微振動控制要求。

2）該地塊周邊規(guī)劃的未來道路，尤其是距離6號樓約200 m的環(huán)溪路，任何車輛的行駛都會對該地塊微振動產(chǎn)生較大影響。因此，建議取消該規(guī)劃路段或針對影響量采取微振動隔離措施。

3）之江實驗室周邊規(guī)劃高鐵線路，正式運行后在1.6～ 12.5 Hz低頻率段對6號樓微振動影響比較大，建議在該樓設(shè)計時考慮對該頻段進(jìn)行針對性處理。

4）本次測試是在建設(shè)前的素地微振動測試，實驗室及周邊配套設(shè)施建設(shè)完成并投入運行后環(huán)境振動勢必會有所增加，這些都給設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。建議各類振動源在設(shè)計安裝時，應(yīng)充分考慮不利因素，可采取實測方式及時準(zhǔn)確獲取干擾量值，適時調(diào)整隔振、減振設(shè)計策略，以確保達(dá)到實驗設(shè)備工作平臺表面環(huán)境微振動控制要求。