趙玉珂+黃亞宇

摘要：氧氣吸入器是用于醫(yī)院急救時(shí)用氧、缺氧病人和科研機(jī)構(gòu)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(jì)進(jìn)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(jìn)入蒸餾水濕化過程中，氧氣會(huì)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(huì)產(chǎn)生噪聲，影響病患休息，特別在深夜時(shí)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(guān)鍵詞：氧氣吸入器；計(jì)算流體力學(xué)；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(hào)：TB535 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）01-0103-03

0 引言

白天氧氣吸入器工作時(shí)，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(guān)注，其工作噪聲容易被忽略，白天環(huán)境噪音可以達(dá)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(shí)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(dá)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(shí)候，氧氣吸入器的工作噪聲就能明顯的顯現(xiàn)，會(huì)擾亂病人的正常休息，影響病人身心，不利于病人的康復(fù)。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(jìn)氣口、基座、流量計(jì)、出氣口、濕化瓶等組成，實(shí)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(yùn)動(dòng)情況，并用Fluent聲音模塊和傅里葉變換，得出其聲音。

只改進(jìn)氧氣吸入器頭帽部分的結(jié)構(gòu)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(shí)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(yùn)動(dòng)等情況來對氧氣吸入器的優(yōu)化進(jìn)行入手。又因?yàn)檠鯕馕肫鲀?nèi)頭帽的結(jié)構(gòu)影響著氣泡的產(chǎn)生和氣泡的運(yùn)動(dòng)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(yīng)用于實(shí)際，工廠量產(chǎn)的話，只改進(jìn)頭帽部分的成本也會(huì)比較低，因此本文著重研究的是氧氣吸入器內(nèi)頭帽的結(jié)構(gòu)部分的改良。

頭帽的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

頭帽的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示，頭帽尺寸是由氧氣吸入器實(shí)物經(jīng)過測繪得出。因?yàn)橐M不同大小氧氣泡的運(yùn)動(dòng)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(jìn)之前的頭帽出氣小孔直徑大小為1.5mm，工作時(shí)候產(chǎn)生的噪聲無論是護(hù)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證氣泡大小與其產(chǎn)生噪聲的關(guān)系，并對氧氣吸入器的頭帽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 頭帽小孔半徑為1.0mm時(shí)仿真結(jié)果分析

①當(dāng)頭帽壁面四周有4個(gè)小孔時(shí)，得出的噪聲頻譜圖如圖5所示。endprint

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

②當(dāng)頭帽壁面四周有6個(gè)小孔時(shí)，通過傅里葉噪聲轉(zhuǎn)換后得出的噪聲分貝大小是81.582281dB和77.067791dB。

③當(dāng)頭帽壁面四周有8個(gè)小孔時(shí)，得出的噪聲頻譜圖如圖6所示。

通過傅里葉噪聲轉(zhuǎn)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(shí)仿真結(jié)果分析

①當(dāng)頭帽壁面四周有4個(gè)小孔時(shí)，經(jīng)過傅里葉轉(zhuǎn)換后得出的噪聲為80.99046dB和76.942516dB。

②當(dāng)頭帽壁面四周有6個(gè)小孔時(shí)，得出的噪聲頻譜圖如圖7所示。

由圖7可知?dú)馀菰谏仙^程中，氣泡未發(fā)生融合，經(jīng)過傅里葉轉(zhuǎn)換后得出的噪聲為80.14635dB和78.38824dB。

③當(dāng)頭帽壁面四周有8個(gè)小孔時(shí)，得出的噪聲頻譜圖如圖8所示。

經(jīng)過傅里葉轉(zhuǎn)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(shí)仿真結(jié)果分析

①當(dāng)頭帽壁面四周有4個(gè)小孔時(shí)，得出的噪聲頻譜圖如圖9所示。

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

②當(dāng)頭帽壁面四周有6個(gè)小孔時(shí)，得出的噪聲頻譜圖如圖10所示。

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

③當(dāng)頭帽壁面四周有8個(gè)小孔時(shí)，得出的噪聲頻譜圖如圖11所示。

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

在現(xiàn)實(shí)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(jí)聚丙烯，曹衛(wèi)國研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)條件下，純聚乙烯板的降噪量為18.6dB，無機(jī)粒子（BaSO4、滑石粉）與聚丙烯復(fù)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(gè)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(dāng)小孔直徑同為1.5mm時(shí)的情況下，氣泡沒有發(fā)生融合，初始?xì)馀葜睆綖?.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?xì)馀莅霃捷^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(dāng)小孔直徑為2.0mm時(shí)，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(jié)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(dāng)小孔直徑同為1.5mm時(shí)的情況下，氣泡沒有發(fā)生融合，初始?xì)馀葜睆綖?.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?xì)馀莅霃捷^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(dāng)小孔直徑為2.0mm時(shí)，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。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗健.浮標(biāo)式氧氣吸入器故障分析與維修[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2011，C1：53.

[2]陳綿康，沈正海.氣泡式氧氣吸入器的性能評價(jià)及改進(jìn)方案探[J].十堰：湖北十堰市太和醫(yī)院，2007.

[3]朱從云.噪聲控制研究進(jìn)展及展望[J].噪聲與振動(dòng)控制，2007.

[4]張弛.噪聲污染控制技術(shù)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社：2007.

[5]趙良省.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[6]曹衛(wèi)國.聚丙烯靜音材料的研制[D].上海：華東理工大學(xué)，2012.endprint