氧氣吸入器的降噪分析研究

趙玉珂+黃亞宇

摘要：氧氣吸入器是用于醫(yī)院急救時用氧、缺氧病人和科研機構作氧氣吸入流量和壓力控制的裝置，是醫(yī)療行業(yè)常用的治療呼吸儀器。其工作原理是原來在氧氣站或著氧氣瓶中的高壓氧氣通過氧氣吸入器減壓器的減壓之后，由原來的高壓狀態(tài)下的氧氣變?yōu)榈蛪嚎晒┤梭w直接呼吸的氧氣，再經(jīng)氧氣吸入器流量計進行流量調(diào)節(jié)后，氧氣就可按一定的流量值從輸出通道輸出。氧氣通過通氣管進入蒸餾水濕化過程中，氧氣會在蒸餾水內(nèi)產(chǎn)生氧氣泡，氧氣泡在水下融合、破裂或者出水面過程中會產(chǎn)生噪聲，影響病患休息，特別在深夜時噪聲顯得尤為大，因此減小病患在吸氧過程中的噪聲就顯得很有必要。

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.

關鍵詞：氧氣吸入器；計算流體力學；降噪；氣液兩相流；FLUENT

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

中圖分類號：TB535 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）01-0103-03

0 引言

白天氧氣吸入器工作時，由于環(huán)境嘈雜，在其它聲音的掩蓋下，氧氣吸入器的工作噪聲并不能引起病人或家屬的特別關注，其工作噪聲容易被忽略，白天環(huán)境噪音可以達到70dB～80dB左右。但晚上環(huán)境非常安靜，晚上環(huán)境噪音在20dB～40dB左右（農(nóng)村夜深人靜的時候噪音為10dB左右，安靜房間的噪音為40dB左右，普通說話的噪音達到60dB左右），夜深人靜，病人在醫(yī)院或者家庭使用氧氣吸入器的時候，氧氣吸入器的工作噪聲就能明顯的顯現(xiàn)，會擾亂病人的正常休息，影響病人身心，不利于病人的康復。降低氧氣吸入器噪聲意義。

1 氧氣吸入器及頭帽建模

醫(yī)院及家庭常用的氧氣吸入器由進氣口、基座、流量計、出氣口、濕化瓶等組成，實體如圖1所示，從其中可以看出氧氣吸入器氣室頭帽的位置。它的頭帽部分局部放大圖如圖2所示。在用Fluent模擬模擬氧氣從頭帽小孔排出之后，氣泡在濕化瓶靜水中的運動情況，并用Fluent聲音模塊和傅里葉變換，得出其聲音。

只改進氧氣吸入器頭帽部分的結構有以下方面的考量：在氧氣吸入器正常工作的過程中，工作噪聲大部分是由其工作時濕化瓶內(nèi)氣泡產(chǎn)生，因此就從氧氣吸入器內(nèi)氧氣泡的運動等情況來對氧氣吸入器的優(yōu)化進行入手。又因為氧氣吸入器內(nèi)頭帽的結構影響著氣泡的產(chǎn)生和氣泡的運動情況，其他地方對氧氣吸入器的工作噪聲影響不大，而且將來應用于實際，工廠量產(chǎn)的話，只改進頭帽部分的成本也會比較低，因此本文著重研究的是氧氣吸入器內(nèi)頭帽的結構部分的改良。

頭帽的結構如圖3所示。

頭帽的基本結構參數(shù)如圖3所示，頭帽尺寸是由氧氣吸入器實物經(jīng)過測繪得出。因為要模擬不同大小氧氣泡的運動情況，因此需要使氧氣經(jīng)過頭帽后在濕化瓶中產(chǎn)生不同大小的氧氣泡。沒改進之前的頭帽出氣小孔直徑大小為1.5mm，工作時候產(chǎn)生的噪聲無論是護士還是病人都感覺非常不好，因此本文從直徑為1.0mm的出氣小孔入手，對其小孔直徑依次增加0.5mm，來做實驗驗證氣泡大小與其產(chǎn)生噪聲的關系，并對氧氣吸入器的頭帽結構進行優(yōu)化。

2 仿真結果分析

2.1 頭帽小孔半徑為1.0mm時仿真結果分析

①當頭帽壁面四周有4個小孔時，得出的噪聲頻譜圖如圖5所示。endprint

通過傅里葉噪聲轉換后得出的噪聲分貝大小為77.81634dB和82.303993dB。

②當頭帽壁面四周有6個小孔時，通過傅里葉噪聲轉換后得出的噪聲分貝大小是81.582281dB和77.067791dB。

③當頭帽壁面四周有8個小孔時，得出的噪聲頻譜圖如圖6所示。

通過傅里葉噪聲轉換后得出的噪聲分貝大小為82.428445dB和78.00913dB。

2.2 頭帽小孔半徑為1.5mm時仿真結果分析

①當頭帽壁面四周有4個小孔時，經(jīng)過傅里葉轉換后得出的噪聲為80.99046dB和76.942516dB。

②當頭帽壁面四周有6個小孔時，得出的噪聲頻譜圖如圖7所示。

由圖7可知氣泡在上升過程中，氣泡未發(fā)生融合，經(jīng)過傅里葉轉換后得出的噪聲為80.14635dB和78.38824dB。

③當頭帽壁面四周有8個小孔時，得出的噪聲頻譜圖如圖8所示。

經(jīng)過傅里葉轉換后得出的噪聲為77.07203dB和76.214346dB。

2.3 頭帽小孔半徑為2.0mm時仿真結果分析

①當頭帽壁面四周有4個小孔時，得出的噪聲頻譜圖如圖9所示。

經(jīng)過傅里葉轉換后得出的噪聲為82.23315dB和79.54675dB。

②當頭帽壁面四周有6個小孔時，得出的噪聲頻譜圖如圖10所示。

經(jīng)過傅里葉轉換后得出的噪聲為79.15149dB和77.72471dB。

③當頭帽壁面四周有8個小孔時，得出的噪聲頻譜圖如圖11所示。

經(jīng)過傅里葉轉換后得出的噪聲為83.101622dB和 79.597545dB。

在現(xiàn)實氧氣吸入器的工作過程中，氧氣吸入器濕化瓶中的氣泡發(fā)出的聲音經(jīng)過濕化瓶傳播到外面，濕化瓶材料為醫(yī)療級聚丙烯，曹衛(wèi)國研究發(fā)現(xiàn)，在實驗條件下，純聚乙烯板的降噪量為18.6dB，無機粒子（BaSO4、滑石粉）與聚丙烯復合物的降噪效果更好，分別平均降噪72.6%和37.1%。FLUENT只能測聲源處噪聲，因此以上所測噪聲是在沒有這個外殼包裹下測得的接近聲源處的噪聲，因此在考慮濕化瓶對聲音的阻隔作用下，濕化瓶對聲音的降噪量為37.1～72.6%，因此在此范圍內(nèi)，分別對上面所測噪聲分貝做降低40%的處理。處理后的噪聲如表1所示。

綜上：可以看出：

①在氣泡沒有聚合現(xiàn)象發(fā)生的情況下，氣泡直徑越大，其產(chǎn)生的噪聲也越大。由上面仿真可以看出，當小孔直徑同為1.5mm時的情況下，氣泡沒有發(fā)生融合，初始氣泡直徑為1.70mm的氣泡發(fā)出的噪聲比直徑為1.56mm的氣泡發(fā)出的噪聲大了2.35dB；②在有聚合現(xiàn)象發(fā)生的情況下，即使氣泡初始半徑較小，氣泡發(fā)出的噪音也比初始氣泡半徑較大但氣泡在上升過程中不聚合的情況下大。由上面的仿真可以看出，當小孔直徑為2.0mm時，氣泡發(fā)生融合情況下初始直徑為2.10mm的氣泡發(fā)出的噪聲比氣泡不融合的情況下初始半徑為2.20mm的氣泡發(fā)出的噪聲大了0.52dB左右；③初始半徑大的氣泡發(fā)出的噪音也比較大。不發(fā)生融合狀態(tài)下，直徑為2.0mm的氣泡發(fā)出的噪音比氣泡直徑為1.0mm的氣泡發(fā)出的噪音最大大了3.10dB。

3 結語

由以上仿真可以看出：①在氣泡沒有聚合現(xiàn)象發(fā)生的情況下，氣泡直徑越大，其產(chǎn)生的噪聲也越大。由上面仿真可以看出，當小孔直徑同為1.5mm時的情況下，氣泡沒有發(fā)生融合，初始氣泡直徑為1.70mm的氣泡發(fā)出的噪聲比直徑為1.56mm的氣泡發(fā)出的噪聲大了2.35dB；②在有聚合現(xiàn)象發(fā)生的情況下，即使氣泡初始半徑較小，氣泡發(fā)出的噪音也比初始氣泡半徑較大但氣泡在上升過程中不聚合的情況下大。由上面的仿真可以看出，當小孔直徑為2.0mm時，氣泡發(fā)生融合情況下初始直徑為2.10mm的氣泡發(fā)出的噪聲比氣泡不融合的情況下初始半徑為2.20mm的氣泡發(fā)出的噪聲大了0.52dB左右；③初始半徑大的氣泡發(fā)出的噪音也比較大。不發(fā)生融合狀態(tài)下，直徑為2.0mm的氣泡發(fā)出的噪音比氣泡直徑為1.0mm的氣泡發(fā)出的噪音最大大了3.10dB。

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