上海光源實驗大廳地基振動規律及相干性分析

宋　麗，李中亮，薛　蓮，徐中民，王　劼

（中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800）

上海光源實驗大廳地基振動規律及相干性分析

宋麗，李中亮，薛蓮，徐中民，王劼

（中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800）

利用高靈敏度速度傳感器，對上海光源實驗大廳地基的隨機振動進行了多點同步測量。數據分析結果表明上海光源實驗大廳地基隨機振動幅值具有周期變化的規律，且在低頻區2 Hz～10 Hz具有較好的隔振效果。首次在上海光源大廳內進行隨機振動中傳遞的相干規律的測試，測試表明在上海光源實驗大廳中，距離為10 m的測試點在2.5 Hz以內的隨機振動的互相關大于0.9；距離超過10 m時，兩點隨機偏差大于50 nm，超過隨機振動RMS振幅的20%。隨機振動傳遞規律的分析，對同步輻射光學元件的隔振設計有一定的指導作用。

振動與波；同步輻射；隨機振動；振動頻譜；振動相干性

上海光源（SSRF）是國際領先的第三代同步輻射光源，已廣泛應用在材料、環境、生命科學等領域的科學研究和實驗。在同步輻射實驗中對光束的穩定性有著極高的要求，光束穩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）光束線實驗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中，納米探針光束線（nanoprobe beamline）的次級光源點光斑尺寸為20 μm［1］，垂直方向的位置穩定性小于2 μm，指向穩定性小于0.1 μrad。光束的穩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振動進行了廣泛而深入的研究。隨著同步輻射光束線的運行，由于地基隨機振動而引起的光束線光學元件的振動［2］，從而影響光束穩定性這一問題已越來越被重視和發現。本文對上海光源（SSRF）實驗大廳振動進行了詳細的測量和分析，用以得到隨機振動在地基中傳遞特性。通過詳細測量上海光源實驗大廳地基的振動特性，總結隨機振動的周期特性，分析振幅影響的主要因素，以及隨機振動在上海光源地基中傳遞的相干規律。

1　測試方案

測量系統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），1 Hz的分辨率為0.02 nm，線性度大于107 dB，動態范圍為140 dB，三方向正交誤差小于0.05度。傳感器的信號經放大器放大后，經過A/D轉換，得到時域速度信號。隨機振動的測量信號，采用離散傅里葉變換進行處理，對于測量時間T內的功率譜密度（PSD）定義為［3］

其傅里葉變換表達式為

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數。

根據功率譜密度計算位移的均方根值（RMS）為

兩個獨立振動的互功率譜函數為

通過這三個公式對隨機振動的信號進行處理。

本文采樣頻率設置為1 000 Hz，采樣時間設置60 s。依照文獻［3］，重點考察1 Hz～100 Hz和4 Hz～100 Hz地基振動的頻段。

2　測試結果及分析

上海光源位于上海張江高科技園區，其實驗大廳北鄰蔡倫路（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處有地下地鐵線運行，西面距離約530 m有一條高架地鐵線和一條磁懸浮線運行。上海光源實驗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

其周邊交通環境復雜，道路交通對地基影響較大［4］。為降低環境隨機振動的影響采用整塊地基澆筑而成［5］，剖面圖見圖2，從內至外依次為：內部建筑、內技術走廊、存儲環隧道、實驗大廳、外技術走廊、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，實驗大廳厚度為1 350 mm。

圖2　上海光源主題建筑剖面圖

2.1上海光源實驗大廳振動分析

在上海光源實驗大廳黃線以內（打樁的混凝地基），采用24 h連續測試，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小時的振幅變化

依照文獻［3］，上海光源實驗大廳地基振動對實驗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時間點左右，隨機振動的位移振幅增加明顯，這與上海光源的工作時間基本吻合。估計振源主要與上海光源周邊交通以及人類活動有關。

實驗大廳的一周位移振幅變化如圖4所示，測試結果表明：

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；

2）晝夜周期的規律較為明顯，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，包括了自然環境振動和大地脈動，具有低頻和隨機的特性，很難對該頻段進行隔振，故上海光源實驗大廳隔振的目標及關注的頻域為4 Hz～100 Hz。從圖4測試數據中可以看出4 Hz～100 Hz的振動位移變化平緩且幅值遠低于1 Hz～100 Hz，說明在上海光源實驗大廳中，1 Hz～4 Hz的低頻振動為隨機振動中的主要部分。

圖4　上海光源大廳一周的振幅變化

五一假期間實驗大廳位移振幅變化結果如圖5所示（光源正常運行）。與工作日位移振幅的比較，假期的實驗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隨機振動的頻譜特性

通過振動位移周期規律，選取嘈雜和安靜兩個時間段內測量實驗大廳功率譜［6］，如圖6所示。

圖6a　上海光源實驗大廳振動功率譜（白天）

圖6b　上海光源實驗大廳振動功率譜（晚上）

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

光源實驗大廳內外振動位移RMS值，如圖7所示。

圖7a　上海光源實驗大廳位移頻譜（白天）

圖7b　上海光源實驗大廳位移頻譜（晚上）

圖中可以看出實驗大廳外的振動幅值明顯高于實驗大廳內（澆筑地基）的振幅，在0.02 Hz～2 Hz區間位移積分為恒定值，該部分是振幅的主要貢獻的頻段，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。從圖中可以看出實驗大廳地基在2 Hz～10 Hz低頻區具有較好的隔振效果。

2.3隨機振動的傳播特性

隨機振動的傳播特性通過振動相關函數進行描述［7］，同步輻射通常認為相干函數大于0.9時為同一個振動。在光束線設計中，通常單色器與鏡箱的距離為3 m，前端區XBPM距離單色器的距離接近當6 m，鏡箱到樣品的距離通常大于10 m。以此為依據，我們在上海光源實驗大廳地基地面上選擇了距離0.2 m、3 m、6 m、10 m的位置，在鉛錘方向進行了振動的互相干測量。測試結果如圖8所示。

圖8　上海光源實驗大廳內振動的相干性

距離為0.2 m時，50 Hz以下的隨機振動的互相關系數大于0.9；距離為6 m時下降到5 Hz以下互相關系數大于0.9；當離達到10 m時僅在2.5 Hz以下互相關系數大于0.9。在10 m的條件下，當相干函數降為0.5時的頻率為8.35 Hz，降為零時的截止頻率為21.59 Hz。

計算由隨機振動引起的相對位移差，結果如圖9所示，當距離超過10 m時，偏差大于50 nm，超過隨機振動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驗，可避開振動嘈雜期，在振動相對安靜的時刻進行實驗。

本文首次在上海光源大廳內進行隨機振動中傳遞的相干規律的測試。通常在相干函數大于0.9時，可看作同一個振動。從測試的相干性測數據來看，距離相距10 m兩光學元件（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，當距離超過10 m，測量光束指向穩定性時，隨機振動的誤差可認為是白噪聲。通過對隨機振動中傳遞的相干規律的分析，對同步輻射光束線光學元件的振動分析有一定的指導作用。

圖9（a）　不同距離隨機振動引起的相對位移差

圖9（b）　不同距離隨機振動引起的相對比率

4　結語

本文對上海光源實驗大廳地基隨機振動進行測試，對不同時間段、不同時刻、不同頻段、以及不同距離條件下的振動相干性進行分析，得出如下結論：

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

（2）上海光源實驗大廳地基在低頻區2 Hz～10 Hz具有較好的隔振效果。

（3）實驗測試表明在上海光源實驗大廳中，距離為10 m的測試點在2.5 Hz以內的隨機振動的互相關大于0.9。距離超過10 m時，兩點隨機偏差大于50 nm，超過隨機振動RMS振幅的20%。

致謝：感謝歐陽聯華博士、NSLS-II Nicholas Simos及Animesh Jain關于振動測量及數據處理的指導

［1］李愛國.上海光源線站工程（二期）關鍵技術預制研究項目申請報告［R］.硬X射線納米聚焦系統，2015，10.

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

［3］劉斌，馮濤，吳雪，等.道路交通噪聲中單車輻射噪聲測量及分析［J］.噪聲與振動控，2012，32（5）：104.

［4］BIALOWONS W，AMIRIKAS R，BERTOLINI A，et al. Measuremnt of ground motion in varios sites［J］.Deutsches ElektronenSynchrotroninDerHelMholtz-Gemeinschaft DESY，2007，07（051）:1.

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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，主要研究方向為振動檢測。E-mail:songli@sinap.ac.cn

王劼，男，博士生導師。E-mail:wangjie@sinap.ac.cn