基于青年运动人群电动口罩通风问题的解决

钟逸霖 李梦莹

1.深圳大学 广东 深圳 518000；2.华南农业大学 广东 广州 510000

由于新冠疫情的影响，口罩成为大众生活的必备品。传统的口罩由于透气性不佳、无法多次利用等缺陷，使电动口罩在当今市面上变得更加普及和功能化。

本次课题以课堂结合企业实际项目的方式进行。通过对企业“紫外线消毒口罩”项目的了解，在原有初创产品的基础上进行改良，以解决其面临的痛点问题。作者意识到在佩戴此口罩关于舒适性的衡量标准中迫切需要被解决的一个痛点就是佩戴后产生的闷憋问题。通过真人测试与数据推导，带有送风的电动口罩佩戴时的舒适性被认为是最高的。因此，为何需要在电动口罩中放置送气风扇以及运用现有技术原理提出未来对电动口罩通风问题的解决的新的设想是本文的重点。

一、研究思路

(一)企业原有产品如图1所示，经分析需要改良以下几点问题：

1.只靠滤片进气，密闭性太强使呼出的口气被自身再次吸入，易产生闷憋效果；

2.外形的美观度、与脸部的贴合度、佩戴后的稳定性不够；

3.滤片的更换与口罩的拆卸问题；

图1 企业的紫外线消毒口罩初创产品

(二)针对以上问题，从优化呼吸闷憋为主，改良其它问题为辅进行解决。在疫情期间不便于摘口罩的情况下，让坚持运动的青年人群拥有舒适、安全的电动口罩：

1.研究市面现有电动口罩透气装置，增加内置透气装置；

2.增大口罩内腔体积的同时使用更加轻便的材料；

3.系带设计为稳固、可调节的佩戴方式；

4.模块化可拆卸式设计。

二、研究方法

运用文献调查法收集我国青年人群的呼吸量数据，以及佩戴普通口罩后的阻气数据；运用访谈调查法与观察调查法对青年运动人群进行访谈与调查，并对该人群在佩戴不同类型的口罩、在不同动状态下的呼吸顺畅度的测试实验。

三、研究内容

(一)传统口罩引起憋气的原因

传统的口罩叫自吸式口罩。自吸式口罩引起不适的原因是缺氧，而缺氧主要是由于口罩的结构和材料造成的。佩戴口罩后，在面部与口罩之间形成了死腔。由于死腔的存在，呼出的废气无法全部排到口罩外，吸气时这部分废气又被吸入到肺部，造成吸入的氧气减少，从而引起呼吸不畅、憋气。当然，材料造成呼吸阻力的增大也是主要原因之一，呼出的气体在死腔中造成口罩内部闷热潮湿，凝结的水无处排放。

(二)电动口罩要加上送气风扇的原因

电动送风口罩的优势是解决了传统口罩呼吸阻力过大的问题，尤其是运动人群佩戴普通外科口罩时，由于口罩结构所形成的死腔和滤材的阻力，容易憋气。电动口罩采用送风或排风方式解决了此问题。电动口罩从排送风方式上区分为两大类：一类是正压送风电动口罩，在市场上较为常见；一类是呼气阀上安装负压排风电机的电动口罩。

根据环境与健康杂志2014年11月第31卷第11期的此篇期刊《我国成人呼吸量研究》[1]的数据显示，18-44岁的青年人休息时的呼吸量为5.8L/min，坐立时的呼吸量为6.9L/min，轻微运动的呼吸量为8.6L/min，中度运动的呼吸量为23L/min，重度运动的呼吸量为34.5L/min，极重度的呼吸量为57.6L/min。

正常情况下，青年人在轻体力劳动强度下的平均肺通气量约为15-20L/min，中等体力劳动强度下的平均肺通气量约为30L/min[2]，但呼、吸速度并不均匀，吸气瞬时最高流量为平均肺通气量的π倍。由《国内外常用防护口罩过滤效率和呼吸阻力对比》中可得知，医用口罩样本在通气量为85L/min时的吸气阻力和呼气阻力指标测试结果分别为80.41Pa(其中标准差为±1.567)和52.76Pa(其中标准差为±2.051)；相同通气量测试下，KN95口罩样本的吸气阻力和呼气阻力指标测试结果分别为87.94Pa(其中标准差为±2.472)和70.87Pa(其中标准差为±2.910)。

空气阻力的计算公式：F=1/2CρSV2，速度与流量的计算公式：V=Q/S。其中：F为空气阻力，C为空气阻力系数，ρ为空气密度，S为口罩迎风面积，V为口罩与空气的相对运动速度；Q为气流大小。通过两个公式可得出F=1/2CρS(Q/S)2，再推导出F=1/2Cρ(Q2/S)，可得F与C是成正比的关系，也就是空气阻力系数越大，人要克服的空气阻力越大。所以，已知在通气量为85L/min的情况下，医用口罩的吸气阻力为80.41Pa。由于医用口罩的空气阻力系数C比电动口罩的空气阻力系数C要小，因此在相同通气量为85L/min、口罩迎风面积相同面积的情况下，人戴电动口罩所需要克服的空气阻力比医用口罩的80.41Pa要大。正因为戴电动口罩的呼吸阻力更大，所以需要为电动口罩增加一个内置送风装置，以减小人呼吸的空气阻力。

(三)实验测试

人群选择：18-44岁有运动习惯的人；测试对象：(1)普通外科口罩(2)带呼吸阀的口罩(3)电动送风口罩；测试项目：平静状态/步行/小跑/快跑；测试目的：呼吸顺畅度；测试地点：公园。测试内容：在公园里选择20位在运动的18-44岁年龄段的测试者。让测试对象佩戴三种不同类型的口罩，分别进行平静状态、步行、小跑、快跑这四种项目。让测试人群分别佩戴这三种口罩在四种运动状态下，进行舒适度、呼吸顺畅度的评分。最后进行总结，得出评分最高的口罩，即为在不同状态下都保持呼吸舒适度最佳的口罩，如表3所示。

表3 三种类型口罩呼吸顺畅度评分表(每一项满分为10)

结论：通过评分表得知，得分最高的为电动送风口罩。测试者表示，电动送风口罩比前两者高分主要原因是通风换气感受优于普通外科口罩与带呼吸阀的口罩，并且电动送风口罩可排吹水汽、可防止眼镜产生汽雾、可重复使用。

四、方案设计

通过上述实验，作者认为在紫外线消毒口罩中加入电动送风风扇是可行的。根据市面上已有的电动口罩的规范要求，列出设计思路：

(一)人群定位

有运动习惯的18-44岁的青年人群。

(二)设计流程

利用缺点列举法列举出企业初创产品的缺点进行分析；利用希望列举法提出新设想。

(三)基于青年运动人群电动通风口罩的设计因素

从产品的功能、形态、结构、材料。其中，对于功能的要求有透气性、舒适性；形态要简洁美观；结构为模块化可拆卸结构；利用轻巧、稳固的材料。

(四)方案提出

设计出的方案的渲染图、爆炸图、口罩拆卸步骤图，如图4、图5、图6所示。

图4 口罩设计渲染效果图

图5 口罩内部结构爆炸图

图6 口罩拆卸步骤图

此口罩设计为四层结构。第一层为透气外壳；第二层为紫外线灯消毒模块与滤片更换层；第三层为送气风扇；最后一层为硅胶层。系带的两侧为魔术贴，可实现松紧度调节。使用口罩时，空气从第一层透气外壳中进气；进到第二层紫外消杀模块后，紫外线灯将会对进入的空气进行消毒和杀菌；消杀完的空气进入到第三层，送气风扇以微正压送风的形式，将过滤后的空气送到人口鼻处，使佩戴者完成舒适顺畅的呼吸。

五、对电动送风口罩未来发展的设想

电动送风口罩能降低人的吸气阻力，使人感到舒适。但是由于青年运动人群运动时呼吸状态多变，并且这种吸气进气量是非线性的。如今的电动送风口罩并没有根据人的呼吸状态进行实时自动调节风力的功能。所以作者设想电动送风口罩的未来发展方向是能实时根据用户的呼吸状态、呼吸量来进行自动调节。参考流量传感器的原理，加入到电动送风口罩的设计中，为解决青年运动人群因运动状态多变而使呼吸量变化幅度大，导致送风风扇无法提供足够的风力给予了解决途径。

空气流量传感器是测定吸入的空气流量的传感器[3]，它将吸入和呼出的气体流量转换成电信号，将信号送至处理电路，完成对吸入和呼出的气量与流速的检测和显示。流量传感器由电阻应变片、弹性体检测电路组成。其工作原理是弹性体在气流作用下使其表面的电阻应变片产生变形，变形后电阻片的阻值发生变化，相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而完成将气流变为电信号的过程。图7所示是在口罩中加入流量传感器后口罩的整体结构构想图。其中主要部件为流量传感器、涡轮风扇、单片机。

图7 在口罩中加入流量传感器后的结构构想图

加入流量传感器的智能电动送风口罩的主要功能如下：(1)通过监测能自动调节风量，保证呼吸顺畅；(2)通过芯片进行信号数据分析处理得出呼吸频率、波动等生理数据。

根据空气流量传感器的工作原理，运用到电动送风口罩设计上，能够满足青年运动人群运动状态多变，呼吸量呈非线性变化的特点。人呼出的气体经过传感器后，传感器接收到信号，完成将气流变换为电信号的过程；再根据芯片的分析，将需要风扇送出的气流量信号传送到风扇处；最后，风扇根据传感器分析的所需要风量大小进行自动调节。

六、研究结论

本文对电动口罩通风的必要性以及解决方式作出探讨，得出了以下研究结论：(1)电动口罩的出现是为了更好的解决传统口罩的闷憋问题；(2)分析论证电动口罩中内置送气风扇的必要性；(3)未来电动口罩的发展方向是更符合人的呼吸需求、更加智能化的。

在病毒有可能长期存在的情况下，或许在将来，口罩会发展成人们的日常必备品。如果需要长时间佩戴口罩，同时对舒适度要求比较高，或体力活动量大，如何对这些需求做出改进在此便显得尤为重要。作为设计者，我们需要利用更人性化的设计理念，结合科技的发展，来设计出更符合为当下所用的物件，并且对未来发展方向提出大胆的构想。