氧气吸入器的降噪分析研究

赵玉珂+黄亚宇

摘要：氧气吸入器是用于医院急救时用氧、缺氧病人和科研机构作氧气吸入流量和压力控制的装置，是医疗行业常用的治疗呼吸仪器。其工作原理是原来在氧气站或着氧气瓶中的高压氧气通过氧气吸入器减压器的减压之后，由原来的高压状态下的氧气变为低压可供人体直接呼吸的氧气，再经氧气吸入器流量计进行流量调节后，氧气就可按一定的流量值从输出通道输出。氧气通过通气管进入蒸馏水湿化过程中，氧气会在蒸馏水内产生氧气泡，氧气泡在水下融合、破裂或者出水面过程中会产生噪声，影响病患休息，特别在深夜时噪声显得尤为大，因此减小病患在吸氧过程中的噪声就显得很有必要。

Abstract： Oxygen inhaler is the device for hospital emergency with oxygen， hypoxia patients and oxygen inhalation flow and pressure control in research institutions， and is the breathing apparatus commonly used in medical industry. The working principle is that the oxygen in the oxygen station or the oxygen cylinder is decompressed by the oxygen inhaler decompressor， then the oxygen in the high-pressure state is changed into low-pressure oxygen which can be directly breathed by the human body and then after flow control of oxygen Inhaler flow meter， oxygen can be output from the output channel with a certain flow rate value. In the distilled water wet process of the oxygen through ventilator， oxygen will generate oxygen bubbles in the distilled water， and the noise will be produced in the underwater fusion， rupture or out of the water process of the oxygen bubbles， affecting the patient's rest， especially in the night when the noise is particularly large. Therefore， it is necessary to reduce the noise in the process of oxygen absorption.

關键词：氧气吸入器；计算流体力学；降噪；气液两相流；FLUENT

Key words： oxygen inhaler；computational fluid dynamics；noise reduction；gas-liquid two-phase flow；FLUENT

中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0103-03

0 引言

白天氧气吸入器工作时，由于环境嘈杂，在其它声音的掩盖下，氧气吸入器的工作噪声并不能引起病人或家属的特别关注，其工作噪声容易被忽略，白天环境噪音可以达到70dB～80dB左右。但晚上环境非常安静，晚上环境噪音在20dB～40dB左右（农村夜深人静的时候噪音为10dB左右，安静房间的噪音为40dB左右，普通说话的噪音达到60dB左右），夜深人静，病人在医院或者家庭使用氧气吸入器的时候，氧气吸入器的工作噪声就能明显的显现，会扰乱病人的正常休息，影响病人身心，不利于病人的康复。降低氧气吸入器噪声意义。

1 氧气吸入器及头帽建模

医院及家庭常用的氧气吸入器由进气口、基座、流量计、出气口、湿化瓶等组成，实体如图1所示，从其中可以看出氧气吸入器气室头帽的位置。它的头帽部分局部放大图如图2所示。在用Fluent模拟模拟氧气从头帽小孔排出之后，气泡在湿化瓶静水中的运动情况，并用Fluent声音模块和傅里叶变换，得出其声音。

只改进氧气吸入器头帽部分的结构有以下方面的考量：在氧气吸入器正常工作的过程中，工作噪声大部分是由其工作时湿化瓶内气泡产生，因此就从氧气吸入器内氧气泡的运动等情况来对氧气吸入器的优化进行入手。又因为氧气吸入器内头帽的结构影响着气泡的产生和气泡的运动情况，其他地方对氧气吸入器的工作噪声影响不大，而且将来应用于实际，工厂量产的话，只改进头帽部分的成本也会比较低，因此本文着重研究的是氧气吸入器内头帽的结构部分的改良。

头帽的结构如图3所示。

头帽的基本结构参数如图3所示，头帽尺寸是由氧气吸入器实物经过测绘得出。因为要模拟不同大小氧气泡的运动情况，因此需要使氧气经过头帽后在湿化瓶中产生不同大小的氧气泡。没改进之前的头帽出气小孔直径大小为1.5mm，工作时候产生的噪声无论是护士还是病人都感觉非常不好，因此本文从直径为1.0mm的出气小孔入手，对其小孔直径依次增加0.5mm，来做实验验证气泡大小与其产生噪声的关系，并对氧气吸入器的头帽结构进行优化。

2 仿真结果分析

2.1 头帽小孔半径为1.0mm时仿真结果分析

①当头帽壁面四周有4个小孔时，得出的噪声频谱图如图5所示。endprint

通过傅里叶噪声转换后得出的噪声分贝大小为77.81634dB和82.303993dB。

②当头帽壁面四周有6个小孔时，通过傅里叶噪声转换后得出的噪声分贝大小是81.582281dB和77.067791dB。

③当头帽壁面四周有8个小孔时，得出的噪声频谱图如图6所示。

通过傅里叶噪声转换后得出的噪声分贝大小为82.428445dB和78.00913dB。

2.2 头帽小孔半径为1.5mm时仿真结果分析

①当头帽壁面四周有4个小孔时，经过傅里叶转换后得出的噪声为80.99046dB和76.942516dB。

②当头帽壁面四周有6个小孔时，得出的噪声频谱图如图7所示。

由图7可知气泡在上升过程中，气泡未发生融合，经过傅里叶转换后得出的噪声为80.14635dB和78.38824dB。

③当头帽壁面四周有8个小孔时，得出的噪声频谱图如图8所示。

经过傅里叶转换后得出的噪声为77.07203dB和76.214346dB。

2.3 头帽小孔半径为2.0mm时仿真结果分析

①当头帽壁面四周有4个小孔时，得出的噪声频谱图如图9所示。

经过傅里叶转换后得出的噪声为82.23315dB和79.54675dB。

②當头帽壁面四周有6个小孔时，得出的噪声频谱图如图10所示。

经过傅里叶转换后得出的噪声为79.15149dB和77.72471dB。

③当头帽壁面四周有8个小孔时，得出的噪声频谱图如图11所示。

经过傅里叶转换后得出的噪声为83.101622dB和 79.597545dB。

在现实氧气吸入器的工作过程中，氧气吸入器湿化瓶中的气泡发出的声音经过湿化瓶传播到外面，湿化瓶材料为医疗级聚丙烯，曹卫国研究发现，在实验条件下，纯聚乙烯板的降噪量为18.6dB，无机粒子（BaSO4、滑石粉）与聚丙烯复合物的降噪效果更好，分别平均降噪72.6%和37.1%。FLUENT只能测声源处噪声，因此以上所测噪声是在没有这个外壳包裹下测得的接近声源处的噪声，因此在考虑湿化瓶对声音的阻隔作用下，湿化瓶对声音的降噪量为37.1～72.6%，因此在此范围内，分别对上面所测噪声分贝做降低40%的处理。处理后的噪声如表1所示。

综上：可以看出：

①在气泡没有聚合现象发生的情况下，气泡直径越大，其产生的噪声也越大。由上面仿真可以看出，当小孔直径同为1.5mm时的情况下，气泡没有发生融合，初始气泡直径为1.70mm的气泡发出的噪声比直径为1.56mm的气泡发出的噪声大了2.35dB；②在有聚合现象发生的情况下，即使气泡初始半径较小，气泡发出的噪音也比初始气泡半径较大但气泡在上升过程中不聚合的情况下大。由上面的仿真可以看出，当小孔直径为2.0mm时，气泡发生融合情况下初始直径为2.10mm的气泡发出的噪声比气泡不融合的情况下初始半径为2.20mm的气泡发出的噪声大了0.52dB左右；③初始半径大的气泡发出的噪音也比较大。不发生融合状态下，直径为2.0mm的气泡发出的噪音比气泡直径为1.0mm的气泡发出的噪音最大大了3.10dB。

3 结语

由以上仿真可以看出：①在气泡没有聚合现象发生的情况下，气泡直径越大，其产生的噪声也越大。由上面仿真可以看出，当小孔直径同为1.5mm时的情况下，气泡没有发生融合，初始气泡直径为1.70mm的气泡发出的噪声比直径为1.56mm的气泡发出的噪声大了2.35dB；②在有聚合现象发生的情况下，即使气泡初始半径较小，气泡发出的噪音也比初始气泡半径较大但气泡在上升过程中不聚合的情况下大。由上面的仿真可以看出，当小孔直径为2.0mm时，气泡发生融合情况下初始直径为2.10mm的气泡发出的噪声比气泡不融合的情况下初始半径为2.20mm的气泡发出的噪声大了0.52dB左右；③初始半径大的气泡发出的噪音也比较大。不发生融合状态下，直径为2.0mm的气泡发出的噪音比气泡直径为1.0mm的气泡发出的噪音最大大了3.10dB。

参考文献：

[1]王丽健.浮标式氧气吸入器故障分析与维修[J].品牌与标准化，2011，C1：53.

[2]陈绵康，沈正海.气泡式氧气吸入器的性能评价及改进方案探[J].十堰：湖北十堰市太和医院，2007.

[3]朱从云.噪声控制研究进展及展望[J].噪声与振动控制，2007.

[4]张弛.噪声污染控制技术[M].北京：中国环境科学出版社：2007.

[5]赵良省.噪声与振动控制技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

[6]曹卫国.聚丙烯静音材料的研制[D].上海：华东理工大学，2012.endprint