精密工程拟建场地微振动响应测试与评价_谭潜.pdf

49材料与技术Material&Technology2023NO.03基金项目：重庆市自然科学基金博士后基金项目（cstc2019jcyj-bshX0070）；重庆市勘察设计行业创新研究与能力建设项目（勘设创研 2019-12）；九龙坡区科技局基础研究与成果转化项目（2020-02-007-Y）；九龙坡区科技局技术创新与产业应用项目（2020-01-001-Y）。引文检索：谭潜，胡艳飞，罗小峰，等.精密工程拟建场地微振动响应测试与评价 J.重庆建筑，2023（3）：49-52.精密工程拟建场地微振动响应测试与评价谭潜1，2，胡艳飞1，罗小峰1，牟阳1，詹华1，孙小华1，魏伏佳1(1 中机中联工程有限公司，重庆400039；2 重庆大学土木工程学院，重庆400045)摘要：微振动的控制对保证精密工程结构中产品质量具有十分重要的意义，为调查拟建芯片厂房工程结构建设用地的微振动特性，对工程的选址与结构设计提供建设性意见，利用精密微振动测试设备及分析系统对拟建场地的微振动进行检测，从时域上分析了振动的衰减特性与峰值水平，从频域上基于 1/3 倍频程分析方法对振动的平均水平及最大能量时段对应的振动幅值进行分析评价。测试与分析结果表明：拟建地块多数测点的素地微振动平均水平未达到 VC-G，少数测点振动处于 VC-G VC-F 之间；最大能量时段对应的振动幅值多数测点未达到 VC-D，少数测点振动处于 VC-D VC-C 之间；满足整体 VC-C、局部 VC-D 的微振动控制要求；车行激励 1 10Hz 的频率区段对拟建场地的微振动影响较大，规划设计时应予以重点考虑。测试分析结果对拟建工程及其他精密工程结构的选址和防微振设计具有较强的参考意义。关键词：车行激励；精密工程结构；拟建场地；微振动测试与分析；1/3 倍频程中图分类号：TU198+.6；TU274.9 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）03-0049-04收稿日期：2022-08-09作者简介：谭潜（1982），男，博士，主要从事地震动、工程结构抗震与振动控制的研究工作，邮箱：。0 引言芯片精度的进化导致半导体芯片生产进程中对振动的要求越来越高。高精密芯片制造厂房作为此类高科技产品的生产基地，在规划选址、整体设计与施工的进程中，控制环境振动的影响是决定电子芯片的加工精度和产品良率的关键点1。精密工业厂房的重要环境振动荷载来源为轨道交通及公路交通等，准确测量和评价各类车行激励下微振动的水平是芯片厂房设计的重要前提，而准确测量与控制厂房的振动正是这个过程中需要面临的难题之一。电子工业防微振工程技术规范（GB510762015）的发布2，对微振动的限值做出了明确的定义，要求在防微振工程进行场地环境振动测试及分析，在振动测量与评价上前进了一步。以往的研究中，对轨道交通激励下的精密工程结构拟建场地现场环境振动测试与评价已有一定的研究成果3-7，公路交通荷载激励下的精密工程结构环境振动测试与评价相对较少，其中，钮于蓝等8基于之江实验室的振动控制要求，对建设场地的微振动进行了现场测试与场选评价，高广运等9依托烟台某电子工业厂房对其建设场地进行了场地测试与分析。基于环境振动测试及测试数据评价标准的研究中，Gordon10、Amick11等提出并经过改进的 VC 标准曲线被广泛采用与参考，成为微振动评价的标杆。本文主要对重庆某电子工业厂房拟建场地设置的测点在场地周围汽车（重载与常规）行驶激励下的微振动水平进行测试，并对其环境振动特性进行分析，基于 1/3 倍频程数据分析处理，得到测试场地相应的振动水平与规律，对于电子芯片厂房的防微振动设计工程实践与进一步的科学研究均有较大的参考价值。1 拟建测试场地概况拟建电子芯片厂房场地位于重庆市北培区复兴镇，是两江新区战略布局中的“先进制造基地板块”的重要组成部分，区位优越。根据现场环境调查，其处于重庆中心城区的外沿线，距机场约 10km、路接国道212线和渝武高速，交通便利，周边路面交通繁忙、车流量大。因此，MeasurementandEvaluationonMicro-vibrationResponseoftheProposedSiteforPrecisionEngineeringTanQian,HuYanfei,LuoXiaofeng,MouYang,ZhanHua,SunXiaohua,WeiFujiaAbstract:Thecontrolofmicro-vibrationisofgreatsignificancetoensuretheproductqualityinprecisionengineeringstructures.Inordertoinvestigatethemicro-vibrationcharacteristicsoftheconstructionsiteoftheproposedchipfactoryprojectandtoprovideconstructiveadviceonthesiteselectionandstructuraldesignfortheproject,themicro-vibrationofthesitewasdetectedbyusingtheprecisionmicro-vibrationtestingequipmentandtheanalysissystem,analyzingtheattenuationcharacteristicsandpeaklevelsofthevibrationinthetimedomain,andbasedonthe1/3octavebandanalysismethodinthefrequencydomain,theaveragevibrationandthevibrationamplitudecorrespondingtothemaximumenergyperiodareanalyzedandevaluated.Thetestandanalysisresultsshowedthat:theaveragemicro-vibrationleveloftheproposedsitesdoesnotreachVC-Gatmostmeasurementpoints,andafewmeasurementpointsarebetweenVC-GandVC-F;thevibrationamplitudecorrespondingtothemaximumenergystagedoesnotreachVC-Datmostmeasurementpoints,andafewmeasurementpointsarebetweenVC-DandVC-C;themicro-vibrationcontrolrequirementsofoverallVC-CandlocalVC-Daremet.Thefrequencyrangeof1-10Hzforvehicleexcitationhasasignificantimpactonthevibrationoftheproposedsite,whichshouldbeparticularlyconsideredinplanninganddesigning.Thetestandanalysisresultshaveguidingsignificanceforthesiteselectionandanti-micro-vibrationdesignoftheproposedprojectandotherprecisionengineeringstructures.Keywords:vehicularexcitation;precisionengineeringstructures;proposedsite;micro-vibrationtestandanalysis;1/3octavebanddoi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.03.49Chongqing Architecture50第 22 卷 总第 233 期该场地环境振动主要是公路上经过的各类车辆产生。因新建电子芯片类厂房内的生产设备对振动环境要求较高，芯片厂核心生产区微振要求为 VC-C 级和局部 VC-D 级。为了解建筑场地环境振动情况，指导后续选址设计，需进行环境振动测试与评估。2 拟建场地测试2.1测点布置及测试仪器设备根据现有的场地相关资料，结合现场踏勘，在整个场地上均匀布置 15个测点，横向测点间距25m，纵向测点间距28m，测点布置如图 1 所示。振动测试开始前，需根据测点位置在场地布设测坑，为排除场地浮土及附着物影响，测坑开挖前先挖除测点区域表面杂填土，待挖至原状土层时开始进行测坑开挖，测试坑尺寸 100010001000mm，并在侧坑底部铺设3050mm厚C10薄混凝土层并抹平（图2）。测坑内不能有积水，浇筑完毕后，应采用塑料薄膜进行覆盖养护 24h 以上，薄混凝土层需经过检查，具有强度后，方可进行测试。在测试点测量纵向、横向与竖向振动，并规定X为场地横向，Y 为场地纵向，Z 为竖向。其中，对8#、9#、11#、12#测点进行 17:00 至次日 10:00共 17h 的振动测试，其余测点测试时长约10min。测试中，根据精度要求以及测量的便捷性，选用内置两个水平向和一个垂直向三分量的 G1B 力平衡加速度传感器，如图3 所示，可以同时测试南北方向（NS）、东西方向（EW）和上下方向（UD）的振动，采样频率 200Hz，灵敏度为 2.5V/g，频率响应 0 100Hz，具有大动态范围、高分辨率以及良好的稳定性，可满足环境振动测量的需求。2.2振动测试数据分析方法与标准测试分析中使用多通道信号采集和实时分析软件 DASP-V11，对本次测试采用对测点数据进行时域分析与频域分析，对于时域振动速度峰值，通过时域曲线直接评价。对测试频域结果，以在半导体厂房、精密仪器设备等领域通用的振动评价 VC 标准 中 提 出 的 VC 曲 线11（图 4）进行评价，其评价量为振动的 1/3 倍频程速度有效值。进行 FFT 计算时，采用线性平均及峰值保持的分析方法，分别计算测试过程中的平均振动水平，以及最大能量时段对应的振动幅值，并给出振动水平与 VC-C 指标对比结果。3 微振测试结果与评价3.1整体振动数据分析测试中，测点均匀分布在测试场地内，根据拟建厂房的振动需求，9#测点附近区域是电子芯片生产的黄光区，其振动控制水平为 VC-D，其余区域的振动控制水平为 VC-C，重点对 8#、9#、11#、12#进行了 16h 的振动测试，其余测点测试时长约 10min。对所有测点的三个方向的 1/3 倍频程谱与 VC 谱进行对比，其微振动水平见表 1，由线性平均方法计算得到所图 1 场地测点布置图图 2 振动测试坑示意图图 3 振动测试数据采集设备a）b）表 1 测点振动水平测点编号测量时长线性平均微振水平峰值保持振动水平1#10minVC-GVC-D2#10minVC-GVC-E3#10minVC-FVC-C4#10minVC-GVC-E5#10minVC-GVC-E6#10minVC-GVC-F7#10minVC-GVC-D8#17hVC-GVC-D9#17hVC-GVC-D10#10minVC-GVC-D11#17hVC-FVC-C12#17hVC-FVC-D13#10minVC-FVC-E14#10minVC-GVC-E15#10minVC-GVC-G图 4 振动响应控制标准51材料与技术Material&Technology2023NO.03有测点的振动水平均位于 VC-F 以下，多数测点振动水平优于VC-G，仅3#、11#、12#、13#共4个测点振动超过VC-G水平。由峰值保持方法针对在测试过程中出现的能量最大时段数据进行分析，其振动量级明显大于运用线性平均分析方式得到的结果，说明在测试过程中，环境振动并非均匀平稳的，存在持时短、振动大的偶然振动。3#点及 11#点振动量级已达 VC-C，多数测点振动在 VC-D VC-E 之间，15#点振动水平较好，仍未超过VC-G。三个方向上的微振动水平均满足VC-C的要求。9#点的微振动水平满足 VC-D 的要求。3.2时域数据分析与评价3.2.1振动衰减分析根据场地测点布置图可知，项目的左边为已建成的道路，是车行激励的主要来源，为分析相关测点的振动衰减特性，将测点共分为 5 组，每组的三个测点与道路的距离分别约为65m、90m、115m。图 5 给出车行激励下每组测点垂直向振动响应最大值的衰减曲线，由图可以看出，随着距离的增加，振动响应整体呈现逐渐衰减趋势，但是也可看出，其衰减并不是线性衰减，而是呈现一定的波动，如 3#测点和 6#测点出现反向增大的现象，与两测点的场地特性有一定的关系。a）c）b）d）e）图 5 测点时域峰值衰减曲线3.2.2地面振动速度时程由加速度传感器测量的加速度经过积分后形成速度时程，8#、9#、11#、12#测点的一小时三方向速度时程曲线如图6所示。由图可看出，环境振动整体平稳，只在车辆经过时产生明显的振动峰值，且振动峰值基于不同的车辆荷载有明显的不同，说明环境振动的荷载来源主要是车行激励；场地的水平振动峰值明显大于竖直振动。由车行激励产生的环境振动响应较大，未经过平均处理的振动速度峰值均超越 VC-C 标准的 12.5的要求。a）8#点c)11#点b)9#点d)12#点图 6 振动测试时域数据3.3频域分析与评价3.3.1线性平均分析由于场地周边随机荷载来源较单一，主要为各类小汽车与载重汽车，选择振动控制要求较高的芯片生产黄光区附近的b）9#点 VC 曲线d）12#点 VC 曲线a）8#点 VC 曲线c）11#点 VC 曲线图 7 振动测试 1/3 倍频程分析-线性平均法Chongqing Architecture52第 22 卷 总第 233 期8#、9#、11#、12#测点进行分析，通过对测量得到的数据进行线性平均化处理，形成 1/3 倍频程谱，1 100Hz 范围内 VC 曲线如图 7 所示，测点的振动水平均位于 VC-F 以下，11#、12#共 2 个测点振动超过 VC-G 水平，超过 VC-G 的振动均为水平向振动，且振动变化较一致，这种趋势在 10Hz 以下比较明显，各测点竖向振动均未超过VC-G水平。3.3.2峰值保持分析汽车等移动振源引起的振动作用对精密设备及仪器正常工作将产生明显影响，对产品品质或实验数据会产生不可挽救的损失。针对在测试过程中出现的能量最大时段数据，采用峰值保持平均分析方法进行数据分析。1100Hz范围内VC曲线如图8所示，其振动量级明显大于线性平均分析的结果，且振动峰值出现没有明显的一致性，表明在测试过程中，环境振动并非均匀平稳的，存在持时短、振动大的偶然振动。测点的水平、竖向振动峰值基本上在 10Hz 之前出现，这与振动荷载的频率相关。振动的竖向峰值小于水平峰值。8#、9#、12#点振动峰值小于 6（VC-D），11#点振动量级已超越 6，但仍然小于 12.5（VC-C）。a)8#点 VC 曲线c)11#点 VC 曲线b)9#点 VC 曲线d)12#点 VC 曲线图 8 振动测试 1/3 倍频程分析-峰值保持法4 结语通过对某精密芯片厂房拟建场地进行素地环境振动测试，从时域分析角度分析了振动的衰减与振动水平；从频域上采用线性平均及最大值保持的分析方法，以振动的 1/3 倍频程速度有效值作为评价量，分别评价测试过程中的平均振动水平以及最大能量时段对应的振动幅值。主要结论如下：（1）整体振动数据分析表明，根据平均分析方法，该地块的环境振动多数测点平均振动水平未达到VC-G，少数测点振动处于 VC-G VC-F 之间；根据峰值保持方法，多数测点振动水平未达到 VC-D，少数测点振动处于 VC-D VC-C 之间，均满足 12.5（VC-C）、局部 6.25(VC-D)的要求；（2）在素地测试中的偶然不利因素主要是左侧主干路交通影响，随着距离的增加，振动响应整体呈现逐渐衰减趋势，但并不是线性衰减，而是呈现一定的波动。环境振动整体平稳，基于不同的车辆荷载产生不同的振动峰值，场地的水平振动峰值大于竖直振动；（3）振动控制核心区分析表明，根据线性平均法，8#、9#平均振动小于 VC-G，11#、12#平均振动超越 VC-G，根据峰值保持分析方法，多数测点振动幅值在VC-D VC-E 之间。11#三个测点振动水平超越 VC-D，需考虑该偶然不利因素。拟建芯片厂房周边规划有更多的公路线路，在 1 10Hz 的频率区段对拟建的芯片厂房的微振动影响比较大，建议在芯片厂房设计时可以考虑该频段的影响，保障芯片厂房的振动核心需求。参考文献：1SOUEIDA，AMICKH，ZSIRAIT，etal.AddressingtheenvironmentalchallengesoftheNISTAdvancedMeasurementLaboratoryJ.ProceedingsofSPIETheInternationalSocietyforOpticalEngineering，2005，5933:59330N.2中华人民共和国建设部.电子工业防微振工程技术规范：GB510762015S.北京：中国计划出版社，2015.3王祥秋，张火军，谢文玺.高速铁路周边建筑物环境振动现场测试与分析 J.土木建筑与环境工程，2018（3）：16-22.4盛涛，张善莉，单伽锃，等.地铁振动的传递及对建筑物的影响实测与分析J.同济大学学报（自然科学版），2015（1）：54-59.5肖桂元，韦红亮，王志驹，等.地铁列车引起与地铁合建建筑结构环境振动特性现场测试分析J.铁道学报，2015（5）：88-93.6孟鑫，刘鹏辉，姚京川，等.重载铁路振动对沿线建筑物结构影响试验 J.噪声与振动控制，2015（2）：101-106.7夏禾，张楠，曹艳梅.列车对周围地面及建筑物振动影响的实验研究 J.铁道学报，2004（4）：93-988钮于蓝，汪洪军，蔡晨光，等.精密实验室素地微振动测试与分析 J.中国测试，2021（7）：36-41.9高广运，李佳，张博，等.电子工业厂房环境振动实测与分析 J.桂林理工大学学报，2012（3）：88-92.10GordonCG.Genericcriteriaforvibration-sensitiveequipmentC/VibrationControlinMicroelectronics，Optics，&Metrology.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics，1992:22-33.11AmickH，GendreauM，BuschT，etal.Evolvingcriteriaforresearchfacilities:vibrationJ.BuildingsforNanoscaleResearch&Beyond，2005，5933:593303.责任编辑：刘艳萍，董婉妮