上海光源实验大厅地基振动规律及相干性分析

宋　丽，李中亮，薛　莲，徐中民，王　劼

（中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800）

上海光源实验大厅地基振动规律及相干性分析

宋丽，李中亮，薛莲，徐中民，王劼

（中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800）

利用高灵敏度速度传感器，对上海光源实验大厅地基的随机振动进行了多点同步测量。数据分析结果表明上海光源实验大厅地基随机振动幅值具有周期变化的规律，且在低频区2 Hz～10 Hz具有较好的隔振效果。首次在上海光源大厅内进行随机振动中传递的相干规律的测试，测试表明在上海光源实验大厅中，距离为10 m的测试点在2.5 Hz以内的随机振动的互相关大于0.9；距离超过10 m时，两点随机偏差大于50 nm，超过随机振动RMS振幅的20%。随机振动传递规律的分析，对同步辐射光学元件的隔振设计有一定的指导作用。

振动与波；同步辐射；随机振动；振动频谱；振动相干性

上海光源（SSRF）是国际领先的第三代同步辐射光源，已广泛应用在材料、环境、生命科学等领域的科学研究和实验。在同步辐射实验中对光束的稳定性有着极高的要求，光束稳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）光束线实验站的光斑在微米甚至亚微米量级。在未来上海光源线站工程建设中，纳米探针光束线（nanoprobe beamline）的次级光源点光斑尺寸为20 μm［1］，垂直方向的位置稳定性小于2 μm，指向稳定性小于0.1 μrad。光束的稳定性好坏将直接影响同步辐射光性能，而地基振动是影响光束稳定性的重要因素之一。目前世界各国的三、四代光源都对于地基的随机振动进行了广泛而深入的研究。随着同步辐射光束线的运行，由于地基随机振动而引起的光束线光学元件的振动［2］，从而影响光束稳定性这一问题已越来越被重视和发现。本文对上海光源（SSRF）实验大厅振动进行了详细的测量和分析，用以得到随机振动在地基中传递特性。通过详细测量上海光源实验大厅地基的振动特性，总结随机振动的周期特性，分析振幅影响的主要因素，以及随机振动在上海光源地基中传递的相干规律。

1　测试方案

测量系统采用高灵敏度的速度传感器：Guralp速度传感器3ESPC，该传器的频率范围60 s 50 Hz（100 Hz在其线性范围内），1 Hz的分辨率为0.02 nm，线性度大于107 dB，动态范围为140 dB，三方向正交误差小于0.05度。传感器的信号经放大器放大后，经过A/D转换，得到时域速度信号。随机振动的测量信号，采用离散傅里叶变换进行处理，对于测量时间T内的功率谱密度（PSD）定义为［3］

其傅里叶变换表达式为

其中对于离散傅里叶变化

功率谱密度的单位为μm2/Hz。其中N为离散傅里叶变换的分析点数。

根据功率谱密度计算位移的均方根值（RMS）为

两个独立振动的互功率谱函数为

通过这三个公式对随机振动的信号进行处理。

本文采样频率设置为1 000 Hz，采样时间设置60 s。依照文献［3］，重点考察1 Hz～100 Hz和4 Hz～100 Hz地基振动的频段。

2　测试结果及分析

上海光源位于上海张江高科技园区，其实验大厅北邻蔡伦路（距离48 m），西为罗山路（距离570 m），东边是科苑路（距离228 m），南靠张衡路（距离62 m）。其中罗山路、科苑路和张衡路均为交通繁忙的干线，蔡伦路车量较小些。在上海光源北面1.3 km处有地下地铁线运行，西面距离约530 m有一条高架地铁线和一条磁悬浮线运行。上海光源实验大厅地理位置及周边交通情况如图1所示。

图1　上海光源位置示意图及周边交通情况图

其周边交通环境复杂，道路交通对地基影响较大［4］。为降低环境随机振动的影响采用整块地基浇筑而成［5］，剖面图见图2，从内至外依次为：内部建筑、内技术走廊、存储环隧道、实验大厅、外技术走廊、外建筑，采用1 000根直径为0.6 m的桩打入地下48 m，隧道底板厚度为1 050 mm，实验大厅厚度为1 350 mm。

图2　上海光源主题建筑剖面图

2.1上海光源实验大厅振动分析

在上海光源实验大厅黄线以内（打桩的混凝地基），采用24 h连续测试，上海光源大厅位移振幅变化如图3所示。

图3　上海光源大厅24小时的振幅变化

依照文献［3］，上海光源实验大厅地基振动对实验仪器的影响主要频段1 Hz～100 Hz，图中位移振幅为1至100 Hz位移的积分值，从图中可以看出，在上午9:00、10:50、下午15:30、17:00时间点左右，随机振动的位移振幅增加明显，这与上海光源的工作时间基本吻合。估计振源主要与上海光源周边交通以及人类活动有关。

实验大厅的一周位移振幅变化如图4所示，测试结果表明：

1）周末与工作日相比有略微的降低，但并不明显，而国外光源周末的振幅是工作日1/3，主要原因是上海光源周围是市区的主干道，且周末有大批值班人员和用户在线工作，而国外光源通常处于郊区；

2）昼夜周期的规律较为明显，白天峰值相对于谷值增加两倍；

3）考虑到1 Hz～4 Hz为低频振动，包括了自然环境振动和大地脉动，具有低频和随机的特性，很难对该频段进行隔振，故上海光源实验大厅隔振的目标及关注的频域为4 Hz～100 Hz。从图4测试数据中可以看出4 Hz～100 Hz的振动位移变化平缓且幅值远低于1 Hz～100 Hz，说明在上海光源实验大厅中，1 Hz～4 Hz的低频振动为随机振动中的主要部分。

图4　上海光源大厅一周的振幅变化

五一假期间实验大厅位移振幅变化结果如图5所示（光源正常运行）。与工作日位移振幅的比较，假期的实验大厅位移振幅有明显下降，这从另一方面说明周边的交通是上海光源的振动的主要因素之一。

图5　上海光源大厅假期的振幅变化

2.2随机振动的频谱特性

通过振动位移周期规律，选取嘈杂和安静两个时间段内测量实验大厅功率谱［6］，如图6所示。

图6a　上海光源实验大厅振动功率谱（白天）

图6b　上海光源实验大厅振动功率谱（晚上）

传感探头分别放置在实验大厅内（浇筑地基）、外（普通地基）用以测量振动位移功率谱。图6a为白天测试结果，图6b为晚上测试结果。由图中可以看出，在超低频，嘈杂（白天）大厅实验大厅内外的振动幅度差值远大于安静（晚上）时的差值，而高频部分的基本一致；安静时（晚上）二者基本一致。

光源实验大厅内外振动位移RMS值，如图7所示。

图7a　上海光源实验大厅位移频谱（白天）

图7b　上海光源实验大厅位移频谱（晚上）

图中可以看出实验大厅外的振动幅值明显高于实验大厅内（浇筑地基）的振幅，在0.02 Hz～2 Hz区间位移积分为恒定值，该部分是振幅的主要贡献的频段，为大地的脉动频率。高于2 Hz的部分的差值有变化，且随着频率的增加，差值逐渐减小。而人类活动的噪声主要集中的2 Hz～10 Hz的频段范围内。从图中可以看出实验大厅地基在2 Hz～10 Hz低频区具有较好的隔振效果。

2.3随机振动的传播特性

随机振动的传播特性通过振动相关函数进行描述［7］，同步辐射通常认为相干函数大于0.9时为同一个振动。在光束线设计中，通常单色器与镜箱的距离为3 m，前端区XBPM距离单色器的距离接近当6 m，镜箱到样品的距离通常大于10 m。以此为依据，我们在上海光源实验大厅地基地面上选择了距离0.2 m、3 m、6 m、10 m的位置，在铅锤方向进行了振动的互相干测量。测试结果如图8所示。

图8　上海光源实验大厅内振动的相干性

距离为0.2 m时，50 Hz以下的随机振动的互相关系数大于0.9；距离为6 m时下降到5 Hz以下互相关系数大于0.9；当离达到10 m时仅在2.5 Hz以下互相关系数大于0.9。在10 m的条件下，当相干函数降为0.5时的频率为8.35 Hz，降为零时的截止频率为21.59 Hz。

计算由随机振动引起的相对位移差，结果如图9所示，当距离超过10 m时，偏差大于50 nm，超过随机振动RMS振幅的20%。

3　讨论

为了减少上海光源的大厅地基振动，可采取相应的措施和方法，如（1）减少或相对降低光源周边振源；（2）对于对振动要求极高的实验，可避开振动嘈杂期，在振动相对安静的时刻进行实验。

本文首次在上海光源大厅内进行随机振动中传递的相干规律的测试。通常在相干函数大于0.9时，可看作同一个振动。从测试的相干性测数据来看，距离相距10 m两光学元件（如镜箱到样品）在2.5 Hz以下的振动可视为同步振动；而单色器与镜箱的距离为3 m，在20 Hz以下的振动可视为同步振动；对于XBPM，当距离超过10 m，测量光束指向稳定性时，随机振动的误差可认为是白噪声。通过对随机振动中传递的相干规律的分析，对同步辐射光束线光学元件的振动分析有一定的指导作用。

图9（a）　不同距离随机振动引起的相对位移差

图9（b）　不同距离随机振动引起的相对比率

4　结语

本文对上海光源实验大厅地基随机振动进行测试，对不同时间段、不同时刻、不同频段、以及不同距离条件下的振动相干性进行分析，得出如下结论：

（1）上海光源的昼夜周期的规律较为明显，白天峰值为谷值的三倍。在光源实验大厅中，1 Hz～4 Hz的低频振动为随机振动中的主要部分。

（2）上海光源实验大厅地基在低频区2 Hz～10 Hz具有较好的隔振效果。

（3）实验测试表明在上海光源实验大厅中，距离为10 m的测试点在2.5 Hz以内的随机振动的互相关大于0.9。距离超过10 m时，两点随机偏差大于50 nm，超过随机振动RMS振幅的20%。

致谢：感谢欧阳联华博士、NSLS-II Nicholas Simos及Animesh Jain关于振动测量及数据处理的指导

［1］李爱国.上海光源线站工程（二期）关键技术预制研究项目申请报告［R］.硬X射线纳米聚焦系统，2015，10.

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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编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.05.023

1006-1355（2016）05-0108-04+159

2016-02-24

微振动对双晶单色器稳定性影响的研究（11505279）

宋丽（1984-），女，江苏省连云港人，硕士生，主要研究方向为振动检测。E-mail:songli@sinap.ac.cn

王劼，男，博士生导师。E-mail:wangjie@sinap.ac.cn