宋　麗，李中亮，薛　蓮，徐中民，王　劼

（中國(guó)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(dòng)規(guī)律及相干性分析

宋麗，李中亮，薛蓮，徐中民，王劼

（中國(guó)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(duì)上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基的隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了多點(diǎn)同步測(cè)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(dòng)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(dòng)中傳遞的相干規(guī)律的測(cè)試，測(cè)試表明在上海光源實(shí)驗(yàn)大廳中，距離為10 m的測(cè)試點(diǎn)在2.5 Hz以內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)的互相關(guān)大于0.9；距離超過(guò)10 m時(shí)，兩點(diǎn)隨機(jī)偏差大于50 nm，超過(guò)隨機(jī)振動(dòng)RMS振幅的20%。隨機(jī)振動(dòng)傳遞規(guī)律的分析，對(duì)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(dòng)與波；同步輻射；隨機(jī)振動(dòng)；振動(dòng)頻譜；振動(dòng)相干性

上海光源（SSRF）是國(guó)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(duì)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(jí)。在未來(lái)上海光源線站工程建設(shè)中，納米探針光束線（nanoprobe beamline）的次級(jí)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(dòng)是影響光束穩(wěn)定性的重要因素之一。目前世界各國(guó)的三、四代光源都對(duì)于地基的隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)而引起的光束線光學(xué)元件的振動(dòng)［2］，從而影響光束穩(wěn)定性這一問(wèn)題已越來(lái)越被重視和發(fā)現(xiàn)。本文對(duì)上海光源（SSRF）實(shí)驗(yàn)大廳振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量和分析，用以得到隨機(jī)振動(dòng)在地基中傳遞特性。通過(guò)詳細(xì)測(cè)量上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基的振動(dòng)特性，總結(jié)隨機(jī)振動(dòng)的周期特性，分析振幅影響的主要因素，以及隨機(jī)振動(dòng)在上海光源地基中傳遞的相干規(guī)律。

1　測(cè)試方案

測(cè)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(dòng)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(hào)經(jīng)放大器放大后，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，得到時(shí)域速度信號(hào)。隨機(jī)振動(dòng)的測(cè)量信號(hào)，采用離散傅里葉變換進(jìn)行處理，對(duì)于測(cè)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(duì)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(gè)獨(dú)立振動(dòng)的互功率譜函數(shù)為

通過(guò)這三個(gè)公式對(duì)隨機(jī)振動(dòng)的信號(hào)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(dòng)的頻段。

2　測(cè)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(duì)地基影響較大［4］。為降低環(huán)境隨機(jī)振動(dòng)的影響采用整塊地基澆筑而成［5］，剖面圖見(jiàn)圖2，從內(nèi)至外依次為：內(nèi)部建筑、內(nèi)技術(shù)走廊、存儲(chǔ)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(dòng)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(cè)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(dòng)對(duì)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(dòng)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(dòng)有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)大廳的一周位移振幅變化如圖4所示，測(cè)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(guó)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(guó)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(duì)于谷值增加兩倍；

3）考慮到1 Hz～4 Hz為低頻振動(dòng)，包括了自然環(huán)境振動(dòng)和大地脈動(dòng)，具有低頻和隨機(jī)的特性，很難對(duì)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(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出4 Hz～100 Hz的振動(dòng)位移變化平緩且幅值遠(yuǎn)低于1 Hz～100 Hz，說(shuō)明在上海光源實(shí)驗(yàn)大廳中，1 Hz～4 Hz的低頻振動(dòng)為隨機(jī)振動(dòng)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(shuō)明周邊的交通是上海光源的振動(dòng)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(dòng)的頻譜特性

通過(guò)振動(dòng)位移周期規(guī)律，選取嘈雜和安靜兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)測(cè)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(dòng)功率譜（白天）

圖6b　上海光源實(shí)驗(yàn)大廳振動(dòng)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(cè)量振動(dòng)位移功率譜。圖6a為白天測(cè)試結(jié)果，圖6b為晚上測(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的傳播特性

隨機(jī)振動(dòng)的傳播特性通過(guò)振動(dòng)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(gè)振動(dòng)。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?cè)谏虾９庠磳?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(dòng)的互相干測(cè)量。測(cè)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(dòng)的相干性

距離為0.2 m時(shí)，50 Hz以下的隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)引起的相對(duì)位移差，結(jié)果如圖9所示，當(dāng)距離超過(guò)10 m時(shí)，偏差大于50 nm，超過(guò)隨機(jī)振動(dòng)RMS振幅的20%。

3　討論

為了減少上海光源的大廳地基振動(dòng)，可采取相應(yīng)的措施和方法，如（1）減少或相對(duì)降低光源周邊振源；（2）對(duì)于對(duì)振動(dòng)要求極高的實(shí)驗(yàn)，可避開(kāi)振動(dòng)嘈雜期，在振動(dòng)相對(duì)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(dòng)中傳遞的相干規(guī)律的測(cè)試。通常在相干函數(shù)大于0.9時(shí)，可看作同一個(gè)振動(dòng)。從測(cè)試的相干性測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)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(dòng)可視為同步振動(dòng)；而單色器與鏡箱的距離為3 m，在20 Hz以下的振動(dòng)可視為同步振動(dòng)；對(duì)于XBPM，當(dāng)距離超過(guò)10 m，測(cè)量光束指向穩(wěn)定性時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)的誤差可認(rèn)為是白噪聲。通過(guò)對(duì)隨機(jī)振動(dòng)中傳遞的相干規(guī)律的分析，對(duì)同步輻射光束線光學(xué)元件的振動(dòng)分析有一定的指導(dǎo)作用。

圖9（a）　不同距離隨機(jī)振動(dòng)引起的相對(duì)位移差

圖9（b）　不同距離隨機(jī)振動(dòng)引起的相對(duì)比率

4　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)上海光源實(shí)驗(yàn)大廳地基隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)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(dòng)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(dòng)為隨機(jī)振動(dòng)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(cè)試表明在上海光源實(shí)驗(yàn)大廳中，距離為10 m的測(cè)試點(diǎn)在2.5 Hz以內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)的互相關(guān)大于0.9。距離超過(guò)10 m時(shí)，兩點(diǎn)隨機(jī)偏差大于50 nm，超過(guò)隨機(jī)振動(dòng)RMS振幅的20%。

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

［1］李愛(ài)國(guó).上海光源線站工程（二期）關(guān)鍵技術(shù)預(yù)制研究項(xiàng)目申請(qǐng)報(bào)告［R］.硬X射線納米聚焦系統(tǒng)，2015，10.

［2］邵珺，葉景峰，胡志云，等.光學(xué)元件的模態(tài)分析與模型修正［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2012，32（1）：39.

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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(dòng)對(duì)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?dòng)檢測(cè)。E-mail:songli@sinap.ac.cn

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