基于青年運動人群電動口罩通風問題的解決

鐘逸霖 李夢瑩

1.深圳大學 廣東 深圳 518000；2.華南農業大學 廣東 廣州 510000

由于新冠疫情的影響，口罩成為大眾生活的必備品。傳統的口罩由于透氣性不佳、無法多次利用等缺陷，使電動口罩在當今市面上變得更加普及和功能化。

本次課題以課堂結合企業實際項目的方式進行。通過對企業“紫外線消毒口罩”項目的了解，在原有初創產品的基礎上進行改良，以解決其面臨的痛點問題。作者意識到在佩戴此口罩關于舒適性的衡量標準中迫切需要被解決的一個痛點就是佩戴后產生的悶憋問題。通過真人測試與數據推導，帶有送風的電動口罩佩戴時的舒適性被認為是最高的。因此，為何需要在電動口罩中放置送氣風扇以及運用現有技術原理提出未來對電動口罩通風問題的解決的新的設想是本文的重點。

一、研究思路

(一)企業原有產品如圖1所示，經分析需要改良以下幾點問題：

1.只靠濾片進氣，密閉性太強使呼出的口氣被自身再次吸入，易產生悶憋效果；

2.外形的美觀度、與臉部的貼合度、佩戴后的穩定性不夠；

3.濾片的更換與口罩的拆卸問題；

圖1 企業的紫外線消毒口罩初創產品

(二)針對以上問題，從優化呼吸悶憋為主，改良其它問題為輔進行解決。在疫情期間不便于摘口罩的情況下，讓堅持運動的青年人群擁有舒適、安全的電動口罩：

1.研究市面現有電動口罩透氣裝置，增加內置透氣裝置；

2.增大口罩內腔體積的同時使用更加輕便的材料；

3.系帶設計為穩固、可調節的佩戴方式；

4.模塊化可拆卸式設計。

二、研究方法

運用文獻調查法收集我國青年人群的呼吸量數據，以及佩戴普通口罩后的阻氣數據；運用訪談調查法與觀察調查法對青年運動人群進行訪談與調查，并對該人群在佩戴不同類型的口罩、在不同動狀態下的呼吸順暢度的測試實驗。

三、研究內容

(一)傳統口罩引起憋氣的原因

傳統的口罩叫自吸式口罩。自吸式口罩引起不適的原因是缺氧，而缺氧主要是由于口罩的結構和材料造成的。佩戴口罩后，在面部與口罩之間形成了死腔。由于死腔的存在，呼出的廢氣無法全部排到口罩外，吸氣時這部分廢氣又被吸入到肺部，造成吸入的氧氣減少，從而引起呼吸不暢、憋氣。當然，材料造成呼吸阻力的增大也是主要原因之一，呼出的氣體在死腔中造成口罩內部悶熱潮濕，凝結的水無處排放。

(二)電動口罩要加上送氣風扇的原因

電動送風口罩的優勢是解決了傳統口罩呼吸阻力過大的問題，尤其是運動人群佩戴普通外科口罩時，由于口罩結構所形成的死腔和濾材的阻力，容易憋氣。電動口罩采用送風或排風方式解決了此問題。電動口罩從排送風方式上區分為兩大類：一類是正壓送風電動口罩，在市場上較為常見；一類是呼氣閥上安裝負壓排風電機的電動口罩。

根據環境與健康雜志2014年11月第31卷第11期的此篇期刊《我國成人呼吸量研究》[1]的數據顯示，18-44歲的青年人休息時的呼吸量為5.8L/min，坐立時的呼吸量為6.9L/min，輕微運動的呼吸量為8.6L/min，中度運動的呼吸量為23L/min，重度運動的呼吸量為34.5L/min，極重度的呼吸量為57.6L/min。

正常情況下，青年人在輕體力勞動強度下的平均肺通氣量約為15-20L/min，中等體力勞動強度下的平均肺通氣量約為30L/min[2]，但呼、吸速度并不均勻，吸氣瞬時最高流量為平均肺通氣量的π倍。由《國內外常用防護口罩過濾效率和呼吸阻力對比》中可得知，醫用口罩樣本在通氣量為85L/min時的吸氣阻力和呼氣阻力指標測試結果分別為80.41Pa(其中標準差為±1.567)和52.76Pa(其中標準差為±2.051)；相同通氣量測試下，KN95口罩樣本的吸氣阻力和呼氣阻力指標測試結果分別為87.94Pa(其中標準差為±2.472)和70.87Pa(其中標準差為±2.910)。

空氣阻力的計算公式：F=1/2CρSV2，速度與流量的計算公式：V=Q/S。其中：F為空氣阻力，C為空氣阻力系數，ρ為空氣密度，S為口罩迎風面積，V為口罩與空氣的相對運動速度；Q為氣流大小。通過兩個公式可得出F=1/2CρS(Q/S)2，再推導出F=1/2Cρ(Q2/S)，可得F與C是成正比的關系，也就是空氣阻力系數越大，人要克服的空氣阻力越大。所以，已知在通氣量為85L/min的情況下，醫用口罩的吸氣阻力為80.41Pa。由于醫用口罩的空氣阻力系數C比電動口罩的空氣阻力系數C要小，因此在相同通氣量為85L/min、口罩迎風面積相同面積的情況下，人戴電動口罩所需要克服的空氣阻力比醫用口罩的80.41Pa要大。正因為戴電動口罩的呼吸阻力更大，所以需要為電動口罩增加一個內置送風裝置，以減小人呼吸的空氣阻力。

(三)實驗測試

人群選擇：18-44歲有運動習慣的人；測試對象：(1)普通外科口罩(2)帶呼吸閥的口罩(3)電動送風口罩；測試項目：平靜狀態/步行/小跑/快跑；測試目的：呼吸順暢度；測試地點：公園。測試內容：在公園里選擇20位在運動的18-44歲年齡段的測試者。讓測試對象佩戴三種不同類型的口罩，分別進行平靜狀態、步行、小跑、快跑這四種項目。讓測試人群分別佩戴這三種口罩在四種運動狀態下，進行舒適度、呼吸順暢度的評分。最后進行總結，得出評分最高的口罩，即為在不同狀態下都保持呼吸舒適度最佳的口罩，如表3所示。

表3 三種類型口罩呼吸順暢度評分表(每一項滿分為10)

結論：通過評分表得知，得分最高的為電動送風口罩。測試者表示，電動送風口罩比前兩者高分主要原因是通風換氣感受優于普通外科口罩與帶呼吸閥的口罩，并且電動送風口罩可排吹水汽、可防止眼鏡產生汽霧、可重復使用。

四、方案設計

通過上述實驗，作者認為在紫外線消毒口罩中加入電動送風風扇是可行的。根據市面上已有的電動口罩的規范要求，列出設計思路：

(一)人群定位

有運動習慣的18-44歲的青年人群。

(二)設計流程

利用缺點列舉法列舉出企業初創產品的缺點進行分析；利用希望列舉法提出新設想。

(三)基于青年運動人群電動通風口罩的設計因素

從產品的功能、形態、結構、材料。其中，對于功能的要求有透氣性、舒適性；形態要簡潔美觀；結構為模塊化可拆卸結構；利用輕巧、穩固的材料。

(四)方案提出

設計出的方案的渲染圖、爆炸圖、口罩拆卸步驟圖，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 口罩設計渲染效果圖

圖5 口罩內部結構爆炸圖

圖6 口罩拆卸步驟圖

此口罩設計為四層結構。第一層為透氣外殼；第二層為紫外線燈消毒模塊與濾片更換層；第三層為送氣風扇；最后一層為硅膠層。系帶的兩側為魔術貼，可實現松緊度調節。使用口罩時，空氣從第一層透氣外殼中進氣；進到第二層紫外消殺模塊后，紫外線燈將會對進入的空氣進行消毒和殺菌；消殺完的空氣進入到第三層，送氣風扇以微正壓送風的形式，將過濾后的空氣送到人口鼻處，使佩戴者完成舒適順暢的呼吸。

五、對電動送風口罩未來發展的設想

電動送風口罩能降低人的吸氣阻力，使人感到舒適。但是由于青年運動人群運動時呼吸狀態多變，并且這種吸氣進氣量是非線性的。如今的電動送風口罩并沒有根據人的呼吸狀態進行實時自動調節風力的功能。所以作者設想電動送風口罩的未來發展方向是能實時根據用戶的呼吸狀態、呼吸量來進行自動調節。參考流量傳感器的原理，加入到電動送風口罩的設計中，為解決青年運動人群因運動狀態多變而使呼吸量變化幅度大，導致送風風扇無法提供足夠的風力給予了解決途徑。

空氣流量傳感器是測定吸入的空氣流量的傳感器[3]，它將吸入和呼出的氣體流量轉換成電信號，將信號送至處理電路，完成對吸入和呼出的氣量與流速的檢測和顯示。流量傳感器由電阻應變片、彈性體檢測電路組成。其工作原理是彈性體在氣流作用下使其表面的電阻應變片產生變形，變形后電阻片的阻值發生變化，相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號，從而完成將氣流變為電信號的過程。圖7所示是在口罩中加入流量傳感器后口罩的整體結構構想圖。其中主要部件為流量傳感器、渦輪風扇、單片機。

圖7 在口罩中加入流量傳感器后的結構構想圖

加入流量傳感器的智能電動送風口罩的主要功能如下：(1)通過監測能自動調節風量，保證呼吸順暢；(2)通過芯片進行信號數據分析處理得出呼吸頻率、波動等生理數據。

根據空氣流量傳感器的工作原理，運用到電動送風口罩設計上，能夠滿足青年運動人群運動狀態多變，呼吸量呈非線性變化的特點。人呼出的氣體經過傳感器后，傳感器接收到信號，完成將氣流變換為電信號的過程；再根據芯片的分析，將需要風扇送出的氣流量信號傳送到風扇處；最后，風扇根據傳感器分析的所需要風量大小進行自動調節。

六、研究結論

本文對電動口罩通風的必要性以及解決方式作出探討，得出了以下研究結論：(1)電動口罩的出現是為了更好的解決傳統口罩的悶憋問題；(2)分析論證電動口罩中內置送氣風扇的必要性；(3)未來電動口罩的發展方向是更符合人的呼吸需求、更加智能化的。

在病毒有可能長期存在的情況下，或許在將來，口罩會發展成人們的日常必備品。如果需要長時間佩戴口罩，同時對舒適度要求比較高，或體力活動量大，如何對這些需求做出改進在此便顯得尤為重要。作為設計者，我們需要利用更人性化的設計理念，結合科技的發展，來設計出更符合為當下所用的物件，并且對未來發展方向提出大膽的構想。