精密实验室素地微振动测试与分析

钮于蓝， 汪洪军， 蔡晨光， 黄秋菊， 叶 文

(1. 之江实验室，浙江 杭州 310000; 2. 中国计量科学研究院，北京 100029;3. 中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120)

0 引 言

实验室是探索世界、认识世界的前沿阵地，是研究新理论新技术的重要工具，是符合性验证的重要手段。先进仪器设备逐渐成为实验室必备的重要装备，这些仪器设备具备价值大、精度高、使用环境要求苛刻等特点。大多数精密仪器对环境振动比较敏感，环境振动会对精密仪器设备造成损害、降低精度、产生难以接受的偏离，因此在实验室规划选址和建设过程中必须考虑降低或消除环境振动影响[1]。环境微振动是由各种无定向振源激发产生的一种非重复性随机振动，振源机制通常为白噪声，其物理特征相当复杂，且受到振源机制、波的传播路径、场地岩土特性等因素影响[2]。为此，欲实现高精度的微振动控制，需从实验室选址、建筑结构减振措施、振源隔振方法和精密仪器调整等多方面考虑。

2015年颁布的GB 51076—2015《电子工业防微振工程技术规范》中规定，纳米实验室装置在1～ 100 Hz频段内的容许振动速度仅为 1.56 µm/s，电子显微镜在1～ 100 Hz频段内的容许振动速度为6.25 µm/s，并规定仪器设备容许振动幅值不大于表1规定限制时，宜进行建设场地素地环境微振动测试与分析[3]。对于这一类工程，建设场地原则上应尽量选择在远离高铁、地铁、城市干道等交通繁忙区域，但由于城市建设迅猛发展，在工程选址时难以全都避开，因此需要根据工程实际情况开展人类活动的近距离干扰振动激发的环境振动对精密装置振动影响的分析研究[4-5]。

表1 微振动限值

公路和高铁交通引起的振动是车辆在行驶时通过车轮给路面或路基一个变动的接地压力对周边地表引起的振动[6-7]。彭也也等[7]测试分析了成渝高速铁路某路堤地面三向振动传播特性，结果表明列车在路堤段高速运行时引起的地面三向振动会对沿线一定范围人群的生产和生活造成较大影响。武利军[8]测试了公路交通引起的振动传播特性，分析得出车辆的运行速度、载荷和离振源的距离是影响地面振动的主要因素，公路交通会对附近精密仪器的正常使用带来严重影响。目前，主要采取实地测量和有限元动力分析等方法研究微振动特性，并对各类隔振减振方法进行评价。

本文以之江实验室6号实验楼为例，对该实验楼建设区域素地进行实测，通过1/3倍频程法对振动时程数据进行处理分析，重点评估未来周边道路车辆和高铁行驶产生的振动波通过周围地层向外传播，诱发附近地基场地及邻近建筑物的振动，对精密实验室的结构安全及实验环境产生的影响，以用于判定该实验楼建设选址的适用性和指导防微振设计方案的制定，亦可为该实验楼整体布局及类似实验室微振动特性研究提供借鉴。

1 工程及控制标准概况

6号实验楼位于之江实验室一期项目东北侧，总规划建设面积 22098 m2，地下一层，地上四层。之江实验室一期项目东南西北侧道路分别为南湖西路、文一西路、之达路、环溪路。6号楼距离最近的北侧环溪路约200 m，环溪路北侧为南苕溪，四季有水，汛季水流较大。距离6号楼建设用地约360 m处有一条规划高铁线路。另外，6号楼东南侧约1600 m处为具有大面积水域的南湖。项目建设场地地形平坦，主要地层自上而下依次为杂填土、粉质粘土、淤泥质粘土、粉质粘土、圆砾、强风化泥岩、中风化泥岩。6号实验楼主要从事超高灵敏度极弱磁测量、惯性测量、重力加速度测量和重力仪研制等科研工作，从事这些研究工作所需要的精密设备对微振动要求较高。

精密设备的振动容许值是由精密设备本身所决定的，一般应通过试验确定，当由于条件的限制难以实现时，可以对现有精密设备的环境振动调查及统计分析得到该类设备正常工作的振动容许参考值。国际振动VC标准是美国的Colin Gordon[9]针对振动敏感设备给定的振动标准，是一组标记为VC-A到VC-G的1/3倍频程速度谱，每条曲线规定了与之相应的一类精密设备的振动允许值，2005年由Amick[10]对其进行了优化和更新，其具体控制值如图1所示。随着精密仪器的发展，甚至VC标准的最高水平都已无法满足某些振动敏感设备及实验室的振动控制要求，新的振动控制标准正不断发展[11]。本项目根据实验要求，实验设备工作平台表面环境微振动应满足国际标准VC标准中的VC-C、VC-D、VC-E多种控制要求。

图1 国际振动VC标准[10]

2 微振动现场测试

精密实验室建设场地素地环境微振动现场测试应根据工程规模、建筑场地面积、有防微振要求的建筑物位置、周边道路及邻近干扰源等因素确定测试方案。环境振动工况分类及组合通常包括常时微动、固定干扰振源及移动干扰振源的分别作用及组合，在邻近固定干扰振源影响微弱且相对不变的情况下，测试时应重点关注最大干扰源的振动影响[3]。作者以之江实验室6号实验楼建设地块为研究对象，对周边公路、高铁、溪流和湖泊等已知干扰振源开展测试和分析。

本次测试使用经过标定且在有效期内的高精度环境振动测量分析系统进行现场测量，测量范围为0.4～ 100 Hz，测量不确定度/准确度等级为 U=3%（k=2）。参照现行国家标准GB 51076—2015附录A，并结合6号实验楼精密设备及仪器的容许振动值、场地及周边道路布置图、未来周边道路可能行车状况、实验楼拟建场地及邻近的振源位置等资料，制定测点布置方案。开展单点稳态测量和在外界环境激励条件下的瞬态测量，每个测点均同时记录南北X方向、东西Y方向和垂直Z方向的振动速度。数据采集前，同型号传感器应进行试采样及对比分析。在采样期间，要求除规定的振源及振源组合外，施工等其余可控振源应暂时停止，20 m范围内无关人员不得靠近。

单点稳态测量是在6号精密实验区中心位置布置1个测点A，如图2所示。在没有外界随机振源干扰情况下，稳定采样时间不小于1 h。根据现场情况和传感器稳定性，在测点A周边10 m范围内再布置一个备用测点A′同时开展测量，以便相互佐证。

图2 测点布置示意图

周边道路车辆行驶环境条件下的激励，选择距离6号楼最近的一条主要道路环溪路作为干扰源，在道路上铺设多排木棍以模拟车辆行驶颠簸场景，场地内南北方向按照不等间距，沿道路边沿退让4 m、16 m、64 m、200 m 布置 B～ E 4个测点，如图 2所示。本次测量共设置4种工况，工况1为大型车以时速30 km/h行驶，工况2为中型卡车以时速20 km/h行驶，工况3为小轿车以时速10 km/h行驶，工况4为道路上无车辆行驶，每种工况采样次数应至少5次。

高铁行驶环境条件下的激励，为达实测目的，本文选择了与6号楼建设用地地质结构类似，实际高铁运行线路周边的杭州市余杭区冯家塘地块，该线路每5 min左右经过一趟高铁。沿高铁线路边沿从左至右等间距布置编号为F～ K 6个测点，测点间隔为60 m，测点布置方式如图2所示。

为保证振动测量的可靠性，在布置测点时，首先在测点处挖一个边长0.8 m的正方体测试坑，去除表面虚土并进行基础找平，然后在其上浇筑一个边长0.5 m的正方体混凝土块，将传感器用螺栓固定在混凝土块的顶部，如图3所示。

图3 传感器放置示意图 (单位:mm)

3 测试数据处理与分析

Amick[12]认为，均方根（RMS）是一种较好的频域分析方法，可评价建筑环境微振动。Gordon[13]、Romdhane[14]和Nishiyama等[15]提出了评价振动敏感仪器的环境振动标准曲线，这些为振动防治措施提供了设计依据。基于下式，对各测点的时程数据进行整体处理，计算出各中心频率带宽内对应的均方根值，从而得到1/3倍频程谱值。

式中：RMS——振动速度均方根值，µm/s；

y(n)——第n个点的振动速度，µm/s；

N——计算频率区间内的总点数。

通过对数据进行处理得到振动频谱曲线，绘制1/3倍频程分析图，其中横坐标为1/3倍频程中心振动频率，纵坐标为振动速度均方根值，微振控制标准亦绘制于1/3倍频程图中。

微振动测试时，虽然施工等外部干扰振源已暂时停止，且20 m范围内无关人员没有靠近。但距离项目约200 m的南笤溪水流正在流动，距离约1600 m的东南侧南湖也伴随有波浪作用。因此，本次测试并非完全只有单一来源的模拟外界环境激励。

图4为6号实验楼没有外界随机振源干扰情况下的A测点三向振动频程图，测点A位于6号实验楼建设区域中心位置，为尽量减少外界环境干扰，测量时间选择在晚上10:30～ 次日8:30，在3个方向上的振动情况如图4所示。测点A在1～ 100 Hz频段南北方向、东西方向及垂直方向上的振动速度值均小于 0.78 µm/s（VC-G），结果表明，在仅有距离项目约200 m的南笤溪水流和距离约1600 m的东南侧南湖已知干扰源干扰情况下，本地块满足该实验室所需的微振动控制要求，即溪流和湖泊对6号实验楼建设地块的微振动影响极其微弱，并非是本建设用地的主要干扰源。

图4 测点A三向振动频谱图

图5表明项目周边的环溪路在工况1环境条件下，退让道路不同距离场地内所产生的激励，限于篇幅，仅给出了不同测点在垂直方向上的频谱曲线。图6表明不同工况对距离道路200 m的测点E所产生的干扰。测试时间为晚上7:30，根据实测数据可以看出周边道路交通引起的地面振动有如下规律：

图5 工况1测点B～ E垂直方向振动频谱图

1）大型车以时速30 km/h在环溪路行驶时，测点B～ 测点E垂直方向振动速度最大值分别为2203.91 µm/s、618.27 µm/s、258.78 µm/s、64.83 µm/s。沿道路边沿随着退让距离的增加，振动速度最大值逐渐衰减，超过一定的距离后衰减趋于平缓。

2）不同运行工况下，测点E的振动强度明显不同。表明场地振动速度与环溪路行驶的汽车载荷及车速有关，通过的载荷越大，速度越快引起的地面速度振级越大。

3）不同载荷和行驶速度的车辆均对测点E处的振动产生较大影响，经过场地土层过滤及结构自身作用，高频振动成分得到显著抑制，振动主要表现为低频振动。

4）测点E在2～ 12.5 Hz频率范围内，各类工况下的三向振动速度均方根值基本均大于3.12 µm/s（VC-E）。因此，6号楼工程设计时需要对周边公路交通所可能产生的激励尤其是对低频段采取必要的隔振处理措施。

图7为距离高铁线路60 m、120 m、180 m、240 m、300 m和360 m测点F～ 测点K所产生的垂直方向上的振动激励，图8为距离高铁360 m的测点K所产生的三向振动频谱图。测试时间为上午11:30，由图6和图7可知，高铁线路引起的地面振动有如下规律：

图6 各工况下测点E三向振动频谱图

图7 测点F～ K垂直方向振动频谱图

图8 测点K三向振动频谱图

1）高铁通过时，测点F～ 测点K垂直方向振动速度最大值分别为 368.15 µm/s、240.91 µm/s、143.26 µm/s、125.46 µm/s、38.79 µm/s、23.7 µm/s，与公路交通相比，高铁影响量更大且振动速度最大值发生在更低频段。振动影响规律与公路交通类似，振动强度亦会随水平距离的增加而减小。

2）高铁对测点K造成的振动影响主要集中在1.6～ 12.5 Hz低频段，高频段影响不明显。建议自振频率处于此频段的精密仪器采取相应减振处理。

3）高铁通过时测点K的三向振动速度均方根值在频率 1.6～ 12.5 Hz 范围内仍大于 3.12 µm/s（VCE）。因此，6号实验楼工程设计时需要对高铁所可能产生的低频段振动激励采取必要的隔振处理措施。

4 结束语

采用环境激励法，通过对之江实验室一期6号实验楼建设区域素地进行微振动测试，并采用1/3倍频程法对时程数据进行处理，得到以下结论：

1）在仅有南笤溪溪流和南湖湖泊已知干扰源激励下，该建设地块的本底微振动指标小于0.78 µm/s（VC-G），表明本地块满足该实验室所需的微振动控制要求。

2）该地块周边规划的未来道路，尤其是距离6号楼约200 m的环溪路，任何车辆的行驶都会对该地块微振动产生较大影响。因此，建议取消该规划路段或针对影响量采取微振动隔离措施。

3）之江实验室周边规划高铁线路，正式运行后在1.6～ 12.5 Hz低频率段对6号楼微振动影响比较大，建议在该楼设计时考虑对该频段进行针对性处理。

4）本次测试是在建设前的素地微振动测试，实验室及周边配套设施建设完成并投入运行后环境振动势必会有所增加，这些都给设计带来挑战。建议各类振动源在设计安装时，应充分考虑不利因素，可采取实测方式及时准确获取干扰量值，适时调整隔振、减振设计策略，以确保达到实验设备工作平台表面环境微振动控制要求。