小型医用制氧机振动噪声测试与降噪设计

任旭东，孙景工，马军，牛福，高振海，田涛

（军事医学科学院卫生装备研究所，天津300161）

小型医用制氧机振动噪声测试与降噪设计

任旭东，孙景工，马军，牛福，高振海，田涛

（军事医学科学院卫生装备研究所，天津300161）

为降低制氧机的运行噪声，在对制氧机的壳体振动和辐射噪声测试分析后，发现主要的噪声源是壳体振动和空气压缩泵工作噪声。根据制氧机结构振动的传递路径，在空气压缩泵和底板之间加装弹簧减振装置，同时在壳体内表面粘贴隔声吸声材料。试验结果表明，降噪措施能有效减小制氧机结构振动，降低工作噪声，降噪后制氧机工作状态噪声由51.9 dB(A)降低到44.3 dB(A)。

振动与波；制氧机；试验；降噪

PSA-YY-5L型医用制氧机是基于分子筛变压吸附（Pressure Swing Adsorption,PSA）技术[1，2]研制的一款新型氧疗设备，适用于中老年人、体质较差者、孕期妇女、学生等存在不同程度缺氧的人群，也可在重体力或脑力消耗较大者，用于消除疲劳，恢复身体机能。该型制氧机功耗低、制氧浓度高、操作方便、成本低廉，具有很好的社会效益和经济效益。

目前，医疗和家用环境中对制氧机设备的运行噪声有严格限制[3]，国内外同类型医用制氧机的运行噪声一般都在50 dB(A)左右。如果制氧机噪声较大，对使用者所要求的舒适吸氧环境不相符，尤其在夜晚使用时，会降低使用者的睡眠质量，影响氧疗效果。因此，对小型制氧机进行必要的减振和降噪是十分重要的。

本文对该小型医用制氧机进行振动噪声特性测试，对制氧机工作状态下的振动与噪声进行综合分析，识别制氧机噪声的主要来源，通过对制氧机采取减振、隔声吸声措施，达到降低振动和噪声的目标。

1 噪声与振动试验

制氧机外形见图1，尺寸为565 mm×400 mm× 660 mm。制氧机结构主要由空气压缩泵、氮氧分离单元、储氧单元、壳体以及其他功能模块组成。制氧机工作噪声主要来源于空气压缩泵本身的工作噪声和制氧机壳体振动辐射噪声[4―6]。

本试验主要通过测量制氧机壳体振动和辐射噪声，分析工作状态下制氧机噪声的主要来源。根据

图1 制氧机外形

《家用电器及类似用途器具噪声测试方法》（GB/T4214.1-2000）及《噪声源声功率级的测定消声室和半消声室精密法》（GB 6882-1986），采用直接测量法对制氧机进行多点测声。试验在上海交通大学振动、冲击、噪声研究所半消声室进行，本底噪声为15.6 dB(A)。将4个B&W小型加速度传感器分别固定于制氧机壳体的左侧面、右侧面、后面及顶面，将Senaco AS100型声传感器分别与加速度传感器所布置表面相距5 cm处各布置一个，测点布置示意位置见图2。现场试验如图3所示。

图2 测点示意图

图3 现场试验图

图4为4个测点声压级倍频程曲线，可以看出低频段内的测点声压级要明显高于中高频段，制氧机工作噪声能量主要集中在低频段。通常，低频噪声往往是由结构振动引起的[7]。因此，可以判断制氧机工作噪声主要是由振动引起的结构低频噪声。

空气压缩泵的工作转速为n=1 400 r/m in，转频为23.3 Hz。表1为模态试验测得的制氧机壳体前6阶固有频率，可以看出这些固有频率与空气压缩泵的转频及转频的倍频均不重合，不会导致制氧机壳体发生共振。

图4 测点声压级倍频程曲线

表1 壳体前6阶固有频率

为验证低频噪声与结构振动的相关性，对噪声信号和振动信号进行相干分析。相干系数可以评价系统输入输出信号之间的因果性，判断噪声信号的功率谱中有多少是振动信号引起的。取置于同一侧壳板的一对加速度传感器和声传感器的数据，求得相干函数。图5为制氧机各表面声振相干系数，在0～200 Hz的低频段，相干系数大于0.7的频率点很多，特别是在振动的峰值频率附近，此时壳板振动与噪声信号具有很强的相关性。

从上述试验分析结果可知，制氧机壳板的振动是制氧机产生较大噪声的主要原因，噪声性质为非共振条件下壳体受迫振动产生的结构振动辐射噪声。

从图5中噪声信号的频谱还可以看出，出现声压峰值的频率多为空气压缩泵转频的倍频，如47 Hz和95 Hz，噪声能量主要集中在以空气压缩泵的转频的倍频为主要成分的中低频频段，因此可以判断空气空气压缩泵本身的工作噪声对所测噪声具有较大的贡献作用。

2 制氧机降噪设计

由上述试验结果可知，制氧机噪声的主要来源是壳体振动和空气压缩泵工作噪声，因此对制氧机采取减振和隔声、吸声处理。

2.1 空气压缩泵弹簧减振

对制氧机结构进行分析可知，振动传递的过程是由空气压缩泵传递至底座，再由底座传递至壳体。因此，在空气空气压缩泵和底板之间加4个装弹簧减振装置，减小泵对壳体的振动传递。弹簧的近似线性刚度为1 075 N/m。

图5 制氧机各表面声振相干系数

测量工作状态下泵体及制氧机底板与弹簧减振器相连部位的垂向振动加速度信号，弹簧减振器安装位置与测点位置见图6。借助振级差分析法，通过求得弹簧减振器两端振动频谱幅值的振级之差，分析减振器对空气压缩泵的减振效果。根据振级差的计算公式，求得空气压缩泵和底板之间的加速度振级差如图7所示。

从图中可以直观的看出在0～1 000 Hz的频率范围内，平均振级差约15 dB，而最大振级差可达34 dB，可见弹簧减振器对于空气压缩泵具有良好的减振效果。

2.2 隔声吸声处理

针对空气压缩泵工作噪声，在泵周围壳体内表面粘贴波浪型隔声、吸声材料。这种材料由合成的特种聚合物经发泡制成，具有密度小、质量轻以及阻隔和吸收噪音功能，同时具有一定的阻燃性。粘贴隔声吸声材料后的壳体内表面见图8。

图6 弹簧减振器与测点位置

图7 弹簧减振效果图

图8 粘贴隔音吸音材料后的壳体内表面

3 降噪效果

为验证上述降噪措施的降噪效果，采用五点测声法测量降噪前后制氧机工作噪声。在制氧机周围布置五个声测点，分别布置于制氧机矩形体距离各面（除底面）1m处，测点的具体布置方法如图9所示。

表2为实施减振降噪措施前后5个测点的A计权声压级对比结果。由表2可知，降噪前，各测点声压级数值相差5 dB以上，需用平均能量法求出制氧机在降噪后的工作噪声。根据平均能量法的公式计算得到51.9 dB(A)，即降噪前制氧机工作噪声为51.9 dB(A)。降噪后各测点A计权声压级数值相差不到5 dB，在这种情况下可以用算术平均法求出制氧机降噪后的工作噪声。算术平均得44.3 dB(A)，即降噪后制氧机工作噪声为44.3 dB(A)。

图9 测点位置

由以上试验可知，该型制氧机降噪前后的工作噪声分别为51.9 dB(A)和44.3 dB(A)，降噪措施使声压级减小了7.6 dB。

表2 测点声压级对比结果

4 结语

(1)通过制氧机噪声的倍频程曲线、壳体模态分析结果以及壳体表面声振相干分析可知，非共振条件下壳体受迫振动产生的结构振动辐射噪声和空气压缩泵工作噪声是制氧机的主要噪声源；

(2)根据制氧机结构振动传递路径，在空气压缩泵和底板之间安装弹簧减振装置,达到良好的减振效果;同时在壳体内表面粘贴波浪型吸声材料，吸收空气压缩泵工作噪声。实测结果表明，工作状态下制氧机噪声由51.9 dB(A)降低至44.3 dB(A)，降噪效果明显；

(3)本文研究成果已应用于产品生产，对于提高质量，增强市场竞争力具有重要意义。

[1]冯念伦，夏文龙，孙铁军.医用分子筛变压吸附制氧技术的探讨[J].中国医学装备，2006，3（11）：39-41.

[2]毕光迎.医用分子筛制氧机应用研究[J].医疗装备，2009，22(9)：21-23.

[3]陈刚.PSA制氧机常见故障处理及管理体会[J].医疗卫生装备，2007，28(6)：82-83.

[4]严辉，杨诚，查崇秀,等.压缩机声源识别与控制[J].压缩机技术，2007(03)：5-8.

[5]孙洪军，钱网生，何金龙.压缩机机组隔声罩设计与应用[J].噪声与振动控制，2007，27(05)：125-127.

[6]杨诚，张攀登，查崇秀，等.压缩机机械噪声控制研究[J].压缩机技术，2007，27(4)：16-19.

[7]丁文捷，金涛，刘金玲，等.近场声全息试验用于医用制氧机噪声控制[J].振动、测试与诊断，2011，31(2)：251-254.

Noise and Vibration Test of a Medical Oxygen Generator and Its Noise Reduction Design

REN Xu-dong,SUN Jing-gong,MA Jun,NIU Fu, GAO Zhen-hai,TIAN Tao

(Institute of Medical Equipment,Academy of M ilitary Medical Sciences,Tianjin 300161,China)

To reduce the operation noise of a medical oxygen generator,the shell’s vibration and radiation noise of the generator are tested and analyzed in an experiment.The result shows that the shell’s vibration and air-compression pump noise are the main source of the operation noise.In accordance with the transmission path of the structural vibration of the oxygen generator,spring anti-vibration devices are installed between the air pump and the bottom plate.Meanwhile,sound insulation materials are pasted on the internal surface of the shell.It is shown that these measures can effectively reduce the structural vibration and operation noise of the generator.The operating noise of the oxygen generator is reduced from 51.9 dB (A)to 44.3 dB(A).

vibration and wave;oxygen generator;experiment;noise reduction

TB52；TB534.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.047

1006-1355(2014)01-0209-04

2012-02-27

任旭东(1976-)，男，山西太原人，助理研究员，研究方向机动卫生装备人机工程。

E-mail:r_xudong@163.com

马军(1973-)，男，河北蔚县人，副研究员，研究方向为分离工程技术与装备。

E-mail:majun@163.com