小型醫(yī)用制氧機(jī)振動噪聲測試與降噪設(shè)計

任旭東，孫景工，馬軍，牛福，高振海，田濤

（軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津300161）

小型醫(yī)用制氧機(jī)振動噪聲測試與降噪設(shè)計

任旭東，孫景工，馬軍，牛福，高振海，田濤

（軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津300161）

為降低制氧機(jī)的運(yùn)行噪聲，在對制氧機(jī)的殼體振動和輻射噪聲測試分析后，發(fā)現(xiàn)主要的噪聲源是殼體振動和空氣壓縮泵工作噪聲。根據(jù)制氧機(jī)結(jié)構(gòu)振動的傳遞路徑，在空氣壓縮泵和底板之間加裝彈簧減振裝置，同時在殼體內(nèi)表面粘貼隔聲吸聲材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，降噪措施能有效減小制氧機(jī)結(jié)構(gòu)振動，降低工作噪聲，降噪后制氧機(jī)工作狀態(tài)噪聲由51.9 dB(A)降低到44.3 dB(A)。

振動與波；制氧機(jī)；試驗(yàn)；降噪

PSA-YY-5L型醫(yī)用制氧機(jī)是基于分子篩變壓吸附（Pressure Swing Adsorption,PSA）技術(shù)[1，2]研制的一款新型氧療設(shè)備，適用于中老年人、體質(zhì)較差者、孕期婦女、學(xué)生等存在不同程度缺氧的人群，也可在重體力或腦力消耗較大者，用于消除疲勞，恢復(fù)身體機(jī)能。該型制氧機(jī)功耗低、制氧濃度高、操作方便、成本低廉，具有很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，醫(yī)療和家用環(huán)境中對制氧機(jī)設(shè)備的運(yùn)行噪聲有嚴(yán)格限制[3]，國內(nèi)外同類型醫(yī)用制氧機(jī)的運(yùn)行噪聲一般都在50 dB(A)左右。如果制氧機(jī)噪聲較大，對使用者所要求的舒適吸氧環(huán)境不相符，尤其在夜晚使用時，會降低使用者的睡眠質(zhì)量，影響氧療效果。因此，對小型制氧機(jī)進(jìn)行必要的減振和降噪是十分重要的。

本文對該小型醫(yī)用制氧機(jī)進(jìn)行振動噪聲特性測試，對制氧機(jī)工作狀態(tài)下的振動與噪聲進(jìn)行綜合分析，識別制氧機(jī)噪聲的主要來源，通過對制氧機(jī)采取減振、隔聲吸聲措施，達(dá)到降低振動和噪聲的目標(biāo)。

1 噪聲與振動試驗(yàn)

制氧機(jī)外形見圖1，尺寸為565 mm×400 mm× 660 mm。制氧機(jī)結(jié)構(gòu)主要由空氣壓縮泵、氮氧分離單元、儲氧單元、殼體以及其他功能模塊組成。制氧機(jī)工作噪聲主要來源于空氣壓縮泵本身的工作噪聲和制氧機(jī)殼體振動輻射噪聲[4―6]。

本試驗(yàn)主要通過測量制氧機(jī)殼體振動和輻射噪聲，分析工作狀態(tài)下制氧機(jī)噪聲的主要來源。根據(jù)

圖1 制氧機(jī)外形

《家用電器及類似用途器具噪聲測試方法》（GB/T4214.1-2000）及《噪聲源聲功率級的測定消聲室和半消聲室精密法》（GB 6882-1986），采用直接測量法對制氧機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)測聲。試驗(yàn)在上海交通大學(xué)振動、沖擊、噪聲研究所半消聲室進(jìn)行，本底噪聲為15.6 dB(A)。將4個B&W小型加速度傳感器分別固定于制氧機(jī)殼體的左側(cè)面、右側(cè)面、后面及頂面，將Senaco AS100型聲傳感器分別與加速度傳感器所布置表面相距5 cm處各布置一個，測點(diǎn)布置示意位置見圖2。現(xiàn)場試驗(yàn)如圖3所示。

圖2 測點(diǎn)示意圖

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)圖

圖4為4個測點(diǎn)聲壓級倍頻程曲線，可以看出低頻段內(nèi)的測點(diǎn)聲壓級要明顯高于中高頻段，制氧機(jī)工作噪聲能量主要集中在低頻段。通常，低頻噪聲往往是由結(jié)構(gòu)振動引起的[7]。因此，可以判斷制氧機(jī)工作噪聲主要是由振動引起的結(jié)構(gòu)低頻噪聲。

空氣壓縮泵的工作轉(zhuǎn)速為n=1 400 r/m in，轉(zhuǎn)頻為23.3 Hz。表1為模態(tài)試驗(yàn)測得的制氧機(jī)殼體前6階固有頻率，可以看出這些固有頻率與空氣壓縮泵的轉(zhuǎn)頻及轉(zhuǎn)頻的倍頻均不重合，不會導(dǎo)致制氧機(jī)殼體發(fā)生共振。

圖4 測點(diǎn)聲壓級倍頻程曲線

表1 殼體前6階固有頻率

為驗(yàn)證低頻噪聲與結(jié)構(gòu)振動的相關(guān)性，對噪聲信號和振動信號進(jìn)行相干分析。相干系數(shù)可以評價系統(tǒng)輸入輸出信號之間的因果性，判斷噪聲信號的功率譜中有多少是振動信號引起的。取置于同一側(cè)殼板的一對加速度傳感器和聲傳感器的數(shù)據(jù)，求得相干函數(shù)。圖5為制氧機(jī)各表面聲振相干系數(shù)，在0～200 Hz的低頻段，相干系數(shù)大于0.7的頻率點(diǎn)很多，特別是在振動的峰值頻率附近，此時殼板振動與噪聲信號具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

從上述試驗(yàn)分析結(jié)果可知，制氧機(jī)殼板的振動是制氧機(jī)產(chǎn)生較大噪聲的主要原因，噪聲性質(zhì)為非共振條件下殼體受迫振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲。

從圖5中噪聲信號的頻譜還可以看出，出現(xiàn)聲壓峰值的頻率多為空氣壓縮泵轉(zhuǎn)頻的倍頻，如47 Hz和95 Hz，噪聲能量主要集中在以空氣壓縮泵的轉(zhuǎn)頻的倍頻為主要成分的中低頻頻段，因此可以判斷空氣空氣壓縮泵本身的工作噪聲對所測噪聲具有較大的貢獻(xiàn)作用。

2 制氧機(jī)降噪設(shè)計

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，制氧機(jī)噪聲的主要來源是殼體振動和空氣壓縮泵工作噪聲，因此對制氧機(jī)采取減振和隔聲、吸聲處理。

2.1 空氣壓縮泵彈簧減振

對制氧機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，振動傳遞的過程是由空氣壓縮泵傳遞至底座，再由底座傳遞至殼體。因此，在空氣空氣壓縮泵和底板之間加4個裝彈簧減振裝置，減小泵對殼體的振動傳遞。彈簧的近似線性剛度為1 075 N/m。

圖5 制氧機(jī)各表面聲振相干系數(shù)

測量工作狀態(tài)下泵體及制氧機(jī)底板與彈簧減振器相連部位的垂向振動加速度信號，彈簧減振器安裝位置與測點(diǎn)位置見圖6。借助振級差分析法，通過求得彈簧減振器兩端振動頻譜幅值的振級之差，分析減振器對空氣壓縮泵的減振效果。根據(jù)振級差的計算公式，求得空氣壓縮泵和底板之間的加速度振級差如圖7所示。

從圖中可以直觀的看出在0～1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)，平均振級差約15 dB，而最大振級差可達(dá)34 dB，可見彈簧減振器對于空氣壓縮泵具有良好的減振效果。

2.2 隔聲吸聲處理

針對空氣壓縮泵工作噪聲，在泵周圍殼體內(nèi)表面粘貼波浪型隔聲、吸聲材料。這種材料由合成的特種聚合物經(jīng)發(fā)泡制成，具有密度小、質(zhì)量輕以及阻隔和吸收噪音功能，同時具有一定的阻燃性。粘貼隔聲吸聲材料后的殼體內(nèi)表面見圖8。

圖6 彈簧減振器與測點(diǎn)位置

圖7 彈簧減振效果圖

圖8 粘貼隔音吸音材料后的殼體內(nèi)表面

3 降噪效果

為驗(yàn)證上述降噪措施的降噪效果，采用五點(diǎn)測聲法測量降噪前后制氧機(jī)工作噪聲。在制氧機(jī)周圍布置五個聲測點(diǎn)，分別布置于制氧機(jī)矩形體距離各面（除底面）1m處，測點(diǎn)的具體布置方法如圖9所示。

表2為實(shí)施減振降噪措施前后5個測點(diǎn)的A計權(quán)聲壓級對比結(jié)果。由表2可知，降噪前，各測點(diǎn)聲壓級數(shù)值相差5 dB以上，需用平均能量法求出制氧機(jī)在降噪后的工作噪聲。根據(jù)平均能量法的公式計算得到51.9 dB(A)，即降噪前制氧機(jī)工作噪聲為51.9 dB(A)。降噪后各測點(diǎn)A計權(quán)聲壓級數(shù)值相差不到5 dB，在這種情況下可以用算術(shù)平均法求出制氧機(jī)降噪后的工作噪聲。算術(shù)平均得44.3 dB(A)，即降噪后制氧機(jī)工作噪聲為44.3 dB(A)。

圖9 測點(diǎn)位置

由以上試驗(yàn)可知，該型制氧機(jī)降噪前后的工作噪聲分別為51.9 dB(A)和44.3 dB(A)，降噪措施使聲壓級減小了7.6 dB。

表2 測點(diǎn)聲壓級對比結(jié)果

4 結(jié)語

(1)通過制氧機(jī)噪聲的倍頻程曲線、殼體模態(tài)分析結(jié)果以及殼體表面聲振相干分析可知，非共振條件下殼體受迫振動產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲和空氣壓縮泵工作噪聲是制氧機(jī)的主要噪聲源；

(2)根據(jù)制氧機(jī)結(jié)構(gòu)振動傳遞路徑，在空氣壓縮泵和底板之間安裝彈簧減振裝置,達(dá)到良好的減振效果;同時在殼體內(nèi)表面粘貼波浪型吸聲材料，吸收空氣壓縮泵工作噪聲。實(shí)測結(jié)果表明，工作狀態(tài)下制氧機(jī)噪聲由51.9 dB(A)降低至44.3 dB(A)，降噪效果明顯；

(3)本文研究成果已應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)，對于提高質(zhì)量，增強(qiáng)市場競爭力具有重要意義。

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[5]孫洪軍，錢網(wǎng)生，何金龍.壓縮機(jī)機(jī)組隔聲罩設(shè)計與應(yīng)用[J].噪聲與振動控制，2007，27(05)：125-127.

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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

任旭東(1976-)，男，山西太原人，助理研究員，研究方向機(jī)動衛(wèi)生裝備人機(jī)工程。

E-mail:r_xudong@163.com

馬軍(1973-)，男，河北蔚縣人，副研究員，研究方向?yàn)榉蛛x工程技術(shù)與裝備。

E-mail:majun@163.com