一種閉式潛水裝具呼吸練習裝置優化設計與實現

摘" 要：該文分析目前一種閉式潛水裝具呼吸練習模式及現狀，梳理出呼吸頻率無法實施監測、呼吸氣體無法單向循環和潛水面罩進水應急情況難以模擬等不足。通過在潛水面罩上設置不同高度的閥孔控制進水量、在出氣管中設置單向導通裝置，并通過計數裝置實時采集、顯示、存儲和分析呼吸頻率等手段，優化改進以往使用的裝置及練習模式，進一步提升潛水人員練習效能及技能水平。

關鍵詞：呼吸練習；計數膜片；呼吸頻率；優化設計；閉式潛水裝具

中圖分類號：R332.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-0038-04

Abstract： This paper analyzes the breathing exercise mode using a kind of self-contained underwater breathing apparatus （SCUBA）， and points out that the respiratory rate can not be monitored， the respiratory gas can not circulate in one way， and the emergency situation of diving mask is difficult to simulate. By setting valve holes of different heights on the submersible cover to control the water intake， setting an one-way conduction device in the outlet pipe， and by means of real-time collection， display， storage and analysis of respiratory rate by the counting device， it is supposed to optimize and improve the previously used devices and practice modes to further improve the practice efficiency and skill level of divers.

Keywords： breathing exercise; counting diaphragm; respiratory rate; optimal design; closed diving gear

一種閉式自攜式潛水裝具是一套脫離水面、直接支持潛水人員、自給自足的單人水下生命支持裝置。掌握該裝具正確的呼吸方式、維持穩定的呼吸頻率是保證水下安全的關鍵。基于該裝具的傳統潛水呼吸練習效能低下的現狀，設計一種新型呼吸練習裝置，進一步提升潛水人員水下呼吸技能掌握水平。

1" 問題的提出

1.1" 技術現狀分析

目前在該種潛水裝具呼吸練習中，人員主要利用裝具上的相關部件，在滿水的臉盆里進行模擬練習，這種方法在一定程度上是可以提升呼吸技能水平，但人員僅有面部沒入水中，身體無法感知真實水下環境，對違反呼吸動作要領產生的危害和現象無法充分體會；教練員對人員部分關鍵動作的正確性無法評判。例如，成人正常呼吸頻率是12～20次/min[1]，若呼吸頻率過低或過高，就有屏氣或喘氣的可能，而教練員卻無法實時得知這個關鍵的參數變化；部分人員在水中進行呼吸練習時，嘴唇未完全包緊咬嘴，鼻子參與排氣產生微小的氣泡，教練員無法及時發現并糾正該現象；人員稍有感覺不適、鼻子忍不住吸氣等情況，就松開咬嘴，從滿水的臉盆里出水，隨意終止練習，在特殊潛水中，這是極端危險的動作，人員雖明白其重要性，但心理上無壓力和負擔，練習效能大打折扣。因此，從裝備發展角度看，亟需一種更加貼近實際的、有效的潛水呼吸練習裝置。

1.2" 擬解決的技術問題分析

該潛水呼吸練習裝置需主要解決3個方面的問題。

一是呼吸頻率如何實時采集、顯示、存儲和分析。以往的呼吸計數練習是人員在一定的時間內計數個人呼吸次數，練習后再進行統計，教練員無法實時掌握并對呼吸次數不合格的人員進行及時糾正，效率低下。而且在潛水初訓中，人員潛水經驗不足，加之心理緊張，難以準確計數呼吸次數。

二是潛水面罩進水情況難以真實模擬。實戰潛水中，必然存在由于各種原因導致潛水面罩進水的情況，這時人員是否沉著冷靜，保持正確的呼吸方式就尤為關鍵，而正常的練習難以模擬潛水面罩進水情況。

三是呼吸氣體單向循環。以往的潛水呼吸練習裝置是一根一端連接著咬嘴、一端露出水面的導管，在人員所處深度較淺時，這種導管長度較短，可以保證人體呼吸新鮮的空氣；一旦深度較大，管內氣體若不能單向循環，較長的呼吸管內就存在積蓄二氧化碳的可能。

因此，為高效、安全地進行潛水呼吸練習，亟需一種可實時監測、顯示、存儲呼吸頻率變化、可模擬潛水面罩內進水極端情況及氣體可單向循環的水下呼吸練習裝置。

2" 初步方案設計

由于該裝置內部需加裝呼吸頻率電子計數裝置，故潛水呼吸練習裝置設計為可移動式明顯存在安全隱患：一是易導致裝置進水損壞；二是其重量必然增加，難以做到輕便；三是其中必須含移動電源，存在安全隱患。

因此，設計固定式硬質導管作為呼吸裝置軟管進出口端，內置計數裝置，軟管連接呼吸單向導通閥及帶孔面罩。

基于上述多方面考慮，該裝置設計方案如下。

2.1" 整體結構設計

如圖1所示，該裝置由導管、面罩和單向導通閥等組成，實現潛水呼吸練習的目的。其中1為固定導管，布置于水面上，作為潛水練習呼吸裝置的進出口端；2為潛水面罩，作用是隔離海水，改善視野，其內側連接咬嘴，用于呼吸；3為波紋軟管，其一端連接單向導通閥，一端連接固定導管，作為呼吸氣體循環通道，且設計為軟管，便于人員水下活動；4為可開閉閥孔，用來控制面罩內進水量，模擬潛水面罩進水的極端情況；5為帽帶，面罩上設置5根，用來將面罩固定于人員面部，并起到密封作用；6為單向導通閥，內置單向膜片，使呼吸氣體單向循環；7為呼吸頻率計數裝置，通過人員呼吸驅動內部膜片開閉實現計數的功能。

2.2" 呼吸頻率計數裝置設計

如圖2所示，單向計數膜片主體采用橡膠材質，其上布置有環形導電金屬環，安裝后的練習裝置正常呼吸阻力滿足小于等于800 Pa。

如圖3所示，為了實現人員呼吸頻率的準確計數與存儲，首先將呼吸信號轉換為呼吸膜片的動作，膜片開閉狀態可接通或阻斷AT89S51單片機計數電路[2]，開閉次數即為人員呼吸頻率，最終通過LED顯示屏、紅/綠提示燈實時顯示，呼吸頻率信息以RAM存儲并通過無線導出至PC上進行記錄。

如圖4所示，該裝置呼吸計數膜片初始位置為關閉狀態，金屬觸點1、2在計數膜片接通位置，氣體隨著人體呼吸流動通過出氣導管，驅動膜片打開，如圖5所示，電路隨之斷開，再次接通時計數一次。2次相鄰呼氣之間的時間差（也就是2次相鄰電路接通之間的時間差）通過換算后，分2路信號通過LED顯示屏以每分鐘呼吸次數實時顯示[3]，其中一個防水LED顯示屏布置在水下1 m位置，另一個LED顯示屏布置在水面之上。

如圖6所示，LED顯示屏上設有人員實時呼吸頻率、平均呼吸頻率及紅/綠提示燈窗口。當呼吸頻率處于正常范圍時，LED顯示屏上綠燈亮起；否則，紅燈閃爍進行提示，此時人員及時調整呼吸頻率，教練員適時采取措施保證安全。

2.3" 帶閥孔面罩裝置設計

當潛水面罩未進水時，人員通常不會產生緊張、焦慮的情緒，在通過系統學習練習后，大都可以順利完成潛水。但一旦進水，人員正確的呼吸動作很有可能被打破，加之無法觀察外界環境，大部分人員心理緊張程度會迅速升高，隨之而來的就是呼吸紊亂、誤操幾率大大增加，最終導致潛水練習失敗。

因此，在岸港練習中使用帶孔面罩模擬潛水面罩進水非正常情況下的呼吸練習就十分必要。

如圖7和圖8所示，在潛水面罩上布置每排2個、共3排的可開閉閥孔，分別位于嘴巴上方、鼻子上方和眼睛上方。通過開關相應的閥孔，可控制進水的量，模擬潛水面罩不同進水程度的情況，進而控制練習難度。每個閥孔上設置一個閥蓋，通過左右滑動導槽內連接膜片的開閉連桿，可實現一側閥孔的開閉[3]。

2.4" 氣體單向導通裝置設計

為實現呼吸氣體的單向循環，避免管道內二氧化碳積蓄，對人體造成損害，設計單向導通閥。當需要呼吸管道內氣體時，則打到“接通”位置，直接呼吸空氣時，則打到“大氣”位置。

該閥其右側布置一個單向膜片（圖9和圖10），出氣管布置一個單向計數的膜片。當氣體從外向內進入進氣導管時，膜片向內開啟，使氣體通過，反之，膜片則阻擋通道；當呼出的氣體進入出氣導管時，單向計數膜片向外開啟，使氣體通過，反之，膜片則阻擋通道，來實現呼吸氣體的單向循環。

2.5" 預想呼吸練習流程

目前該潛水呼吸練習裝置已申請專利，后期樣機將首先在教練員中試用。預想練習流程如圖11所示，練習前，人員進行試呼吸，檢查裝置計數性能；根據需要通過推動開閉連桿打開部分閥孔，并檢查其透水性能；由上至下佩戴呼吸裝置，檢查面罩邊緣與臉部貼合是否嚴密；適當調整帽帶松緊程度，檢查帽帶有無翻折，咬住咬嘴，轉換為嘴呼嘴吸的呼吸方式；深呼一口氣，將單向導通閥由“大氣”打至“接通”位置；背對潛水池，沿入水梯入水，待頭沒過水面，停止下潛，進行呼吸技能練習；練習過程中，人員可根據顯示于布置在水下的LED顯示屏上的實時數據，控制調整呼吸頻率；教練員根據人員水下練習狀態與岸上的LED顯示屏數據，實時掌握其呼吸情況，保證練習質效。

3" 預期效果

本文提出的潛水練習呼吸裝置，主要實現以下3個功能。

一是呼吸頻率實時采集、顯示、存儲和分析。如圖12所示，在潛水呼吸練習時，水下練習人員通過布置于水下的LED顯示屏實時反饋，適時調整自身的呼吸頻率，并確保其在規定的范圍之內；教練員通過布置于水上的LED顯示屏的實時反饋掌握水下練習人員情況，若有異常情況，可及時采取針對措施，降低風險；呼吸頻率計數裝置自動存儲練習人員呼吸變化，為教練員課后的質效分析提供依據，以便后續練習的改進與優化；系統可將練習過程中，呼吸頻率相對過高的重點人員篩選出來，為后續訓練的保障提出有效參考。

二是控制面罩進水量。模擬潛水面罩內不同進水情況，如圖13所示，通過分別開關面罩上不同位置的閥孔控制練習難度，在下潛前打開第一排閥孔，模擬潛水面罩進水至嘴巴上方，該難度定為初階；打開第二排閥孔，模擬潛水面罩進水至鼻子上方，該難度定為中階；打開第三排閥孔，模擬潛水面罩進水至眼睛上方，該難度定為高階。在練習中，區分不同練習層次的人員，通過逐步增加難度的方式，培養人員極端情況下的適應能力。

三是呼吸氣體單向循環。人員水下吸氣時，氣體進入進氣管，在單向膜片驅動下通過單向導通閥連接的咬嘴進入人體，呼出的氣體在單向計數膜片的作用下進入出氣管，形成氣體的單向循環，避免了較長呼吸導致軟管內二氧化碳的積蓄，保證安全。

另外，該裝置連接不同型號的潛水面罩后，也可作為其他潛水裝具呼吸練習的載體，通用性強，兼容性好。

4" 結束語

本文提出了人員潛水呼吸練習裝置優化方案，擬有效解決潛水面罩進水情況難以模擬的問題、以往人員水下呼吸頻率計數效能低下的問題、呼吸練習裝置氣體無法單向導通的問題。整套裝置結構簡單，工作原理巧妙、安全可靠，可作為人員潛水呼吸練習科目中的呼吸練習裝置，有效提升人員潛水呼吸技能掌握水平。

參考文獻：

[1] 萬學紅，陳紅.臨床診斷學[M].北京：人民衛生出版社，2015：67.

[2] 馬艷艷.單片機計數與頻率測量系統設計與研究[J].電子技術，2012（23）：24-25.

[3] 中國人民解放軍海軍學院.一種潛水練習呼吸裝置.實用新型專利：ZL202222036734.8[P].2022-08-03.