近场声全息试验用于医用制氧机噪声控制

近场声全息试验用于医用制氧机噪声控制家庭医用分子筛制氧机是一种较为普及的新型氧疗设备,医用制氧机但运行噪声通常超过50dB,从而影响氧疗效果。本文针对采用进口螺杆压缩机成品制造的小型制氧机,采用现代近场声全息技术(nearfielda-cousticalholography,简称NAH),通过试验分析制氧机噪声场形成机理和声传播途径,提出和评价了针对制氧机壳体和内部件隔音、隔振的噪声控制方案。1近场声全息技术NAH是建立在声辐射理论(即声波的产生和传播理论)基础上的声源定位和声场可视化技术,通过在非常靠近声源的二维或三维面上测量复声压数据,重建出声音在三维空间传播的声学量和声学能量流关联关系,如声压、声强以及声功率等,从而直接得到真实声场模型,避免机理建模和求解的诸多困难。并可以针对真实声场模型,在很宽的频率范围内对声源及声场特性进行三维切片研究[2]。NAH的实现包含全息面复声压的获取和声场空间变换算法两部分。NAH空间变换算法是实现近场声全息技术的核心,如二维Fourier变换法、边界元法(BEM)和Helmholtz最小二乘法(HELS)等。全息面复声压获取包括基于声压测量和声强测量两种.在国际上,B&K,LMS和01dB等公司均提供商业化的近场声全息测量系统,算法核心为FFT变换,可为实际的噪声振动分析提供丰富的声源声场信息[3-4],使NAH具备了很高的工程应用价值和前景,对于有效地进行噪声源控制和噪声源的声辐射特性研究具有重要意义[5-7]。目前,该技术已在汽车发动机、汽车车内噪声源识别和飞机舱内噪声分析等方面大量应用,但针对制氧机降噪的实际工程应用报道较少。2制氧机的近场声全息试验系统2.1主要装置(1)目标声源:龙飞集团LFY系列医用制氧机;(2)近场声全息检测组件PCB130D21T传声器4×6阵列;(3)LarsonDavisDSS24通道数字传感系统、LarsonDavis声音校准器和Dsit变送装置;(4)SenSound系列处理软件(SenAH数据捕捉以及SenDV声场可视化分析软件)。近场声全息面大小60cm×60cm,全息面距离测量表面3cm,沿水平(x轴)和垂直方向(y轴)测量两次,间距是5cm,以制氧机的几何中心为坐标原点。试验测量系统如图1所示,采样时间为30s,测量时保持低背静噪声环境(30dB)。2.2制氧机工作原理制氧机利用分子筛的工作特性,向一个装有分子筛的密闭容器内注入空气(见图2),容器内的压力会随之升高。这时,分子筛随着环境压力的升高,会大量的吸附空气中的氮气,而空气中的氧气则仍然以气体形式存在,并经一定的管道被收集起来。这个过程称之为“吸附”过程。当容器内的分子筛吸附氮气达到一定程度时,对容器进行排气减压,分子筛随着环境压力的减小,吸附氮气的能力下降,氮气自分子筛内部被释放,作为废气排出。这个过程称之为“解吸”。一般的制氧设备,为保证氧气持续稳定的产出,大多采用两个(甚至多个)分子筛容器,通过控制,使A容器处于吸附过程的同时,B容器处于解吸过程,反之亦然。从原理结构分析,声源存在于压缩机、换向阀和风扇之中。噪声分为窄频的机械噪声和宽频的气动紊流噪声。机械噪声包括电机旋转噪声、风扇旋转噪声和电磁噪声。紊流噪声是由气流进出风扇和压缩机时产生涡流,引起附面层分离。振动和噪声的能量激发各制氧机板振动生成第二噪声源。气动紊流噪声是气体的流动或物体在气体中运动引起空气的振动产生的。在制氧过程中,由于间歇吸气和排气,产生压力波动,激起阀片和管路振动而产生噪声.通常情况下,压缩机采用进口螺杆压缩机成品,本身噪音较低,故制氧机存在自身声学设计问题,值得进一步分析。3制氧机噪声控制根据噪声产生和传播的机理,噪声控制技术一般分为3类:a.对噪声源的控制;b.对噪声传播途径的控制;c.对噪声接受者的保护[8]。3.1对噪声源的控制3.1.1噪声源识别制氧机声场全息试验表明,底面、侧面辐射声压最大,在25,50和95Hz频率下存在明显声压峰值[9](见图3,其中颜色值代表声压维度,网格代表三维空间切片坐标),声压最大处为底部进口螺杆压缩机,振动声源所处位置[10]。由于隔离压缩机和地面、壳体间辐射噪声的措施受到结构上的限制,制氧机噪声控制主要是控制内部的振源和声源及壳体振动的控制方面。由时间/频率/声压图谱可见,稳定噪声主要频率为25和50Hz,峰值噪音带为90～150Hz及230～250Hz,其声压级均超过80dB(见图4)。峰值噪音源为电磁阀、膜片阀,频率较高,声压级大,显得很刺耳,是重要的制氧机噪声,设计电磁阀的隔声结构时,应重点研究电磁阀的辐射和频谱特性,然后设相应的消音器和隔罩屏蔽。3.1.2制氧机噪声源控制的试验(1)应用复合阻尼板对无油压缩机进行隔声处理,并对屏蔽罩的壁板涂敷阻尼层;(2)对压缩机底部安装橡胶弹性阻尼隔振装置;(3)为降低成本,应用阻尼材料对电磁阀进行隔声处理。经过处理后的效果由声压频谱图(图5)可见,整体降噪5～10dB。但电磁阀空气动力噪声仍然存在少量峰值噪音。有条件时,应对其选用频谱改进性能好的消音器进行降噪处理。3.2噪声传播途径控制噪声传播途径控制通常采用吸声和隔声技术来实现。3.2.1辐射噪声传播途径噪声与振动是密切相关的。压缩机的机械激振力通过压缩机各结构零件传递到压缩机外表面,形成表面的振动响应,表面振动又激发空气质点的振动而形成声波向外辐射,在声速频谱图[11]上表现为高速传播途径(见图6)。另外,虽然压缩机本身噪声较低,但由于制氧机外壳体是薄壳结构,内部振动得到了放大,从而也会形成噪声,声压辐射云纹图表现出了制氧机后壳体薄壳结构及其声压分布(见图7),一些筋条成为传声途径。噪声传播控制,又称无源噪声控制,它通过特殊的材料及其结构设计使制氧机体内部辐射噪声辐射到制氧机体内表面时被转化成以下主要部分:其中一部分被贴附于制氧机内壳体上的高阻尼材料转化成热能而被损耗了,另一部分转换为结构辐射噪声或其他形式的波形,最后剩下的一部分透过制氧机壳体辐射到外部。3.2.2制氧机噪声传播控制的试验根据NAH辐射声压分布图,在较大声压、声速的设备对应部位,采用如下措施:(1)吸声。由于压缩机在振动底壳而辐射出来的声压主要集中于底面,因此采用在制氧机底面内壁上安装石膏板来控制制氧机下壁板的辐射噪声,把石膏板安放于底面振动的薄板之后,石膏板厚度限制在2～4mm,以提高高频噪声吸收能力。(2)增加机体刚度。如机体可以采用国际先进的梯形框架结构,还可以加强部件配重,并在壳体辐射噪声较大处设置加强筋等等增加系统的刚度,但该方法更适合于机器的新设计改造。(3)阻尼。阻尼是阻碍物体的相对运动,并把运动能量转变为热能的一种作用。可以采用的技术措施有:a.采用约束阻尼钢板结构,做成和原壳体大小和尺寸相同,中间为阻尼胶,整体结构阻尼因数可由原来的0.005改变为0.02,0.05和0.1。b.在壳体辐射效率较高的部位外加阻尼材料,如:加装阻尼带或粘贴减振材料或涂覆一层阻尼材料,也可以将阻尼材料以自由或约束状态敷在振动体上,达到抑制结构振动、减少噪声的目的。此外,对于分子筛,氧气储罐等部件的支撑,也应尽量考虑引入粘弹性阻尼环节,以减少制氧机结构的振动。(4)隔声。包括局部隔声和整体隔声。采用复合阻尼钢板、防锈铝板做隔声室。复合阻尼钢板具有金属材料的强度和良好的阻尼特性,对抑制共振、降低固体传声、衰减振动表面声辐射都有明显效果。(5)隔振。为制氧机各部件加装隔振胶垫,降低制氧机的整体振动。(6)避免共振。制氧机模态分析表明,共振频率有3个:85,95和195Hz。但实际结构的差异会造成共振频率的不同。其中95Hz与峰值噪音产生共振的可能性较大,应在产品再设计环节中避开。综合以上措施,成本相对较低的综合处理方法是利用涂布、阻尼胶等材料来改善壳体壁板和隔声等性能。因此,本文试验使用高粘度喷涂机喷涂密封胶来形成阻尼、隔声作用,并对无相对运动的缝隙进行密封,减小了壳体壁板、孔缝通道,提高了整机密封性,阻断和削弱了气体传声,对于抑制压缩机和电磁阀通过壳体的孔、缝进行噪声辐射很有效。涂料覆盖量约为0.25g/cm2时,隔声效果最佳。图8表明,经过传播途径控制后的频率声压图谱,改进后高频噪音声压级已远低于45dB;但是在低频的50～100Hz一带,基本低至65dB,但仍有少许频率(如95Hz)出现较高辐射声压。一方面,是由于壁板的隔声性能受质量定律支配,隔声对高频噪声较为有效,对低频噪声效果较差的缘故;另一方面,针对振动声源压缩机、电磁阀的控制措施必须同时综合应用。此时,壳体外表声压低至40dB[12]。4结论(1)通过NAH技术,降低并简化了构建声场全息的门槛和方法。NAH技术获取的制氧机重要部位声压频谱图,声压辐射云纹图、声速频谱图、空间声速分布图、时间/频率/声压图谱等,对于寻找和定位制氧机内部声源、传播途径以及识别噪声类型、声压、频率、声速相互关系提供了可视化的快捷辅助,使噪声控制措施的选用变得经济和有效。(2)制氧机侧面最大声压来自底面辐射,采用压缩机加装隔罩和涂敷阻尼胶的方法,可以有效降低声源辐射声压5～10dB。辐射声压较大处涂布阻尼胶以及机内部件加装减振胶垫,起到了隔声、密封、减振效果;制氧机底面内壁安装石膏板,有助于在传播途中进行吸声;低频段低至65dB,高频段远低于45dB。采用噪声综合控制措施,噪声还有望大幅降低。(3)存在的问题:缺少关于等声压(或声强)条件下,频率-空间坐标的三维关系,因此,只能依靠扫描频率后的声压-频率分布图逐一分析,从而确定声源及辐射途径传播的频率,这一点对于控制噪声中特定的频率更加实用。现有措施中,广谱降噪比特征降噪更易取得较好效果。