水下潜水

水下潜水作为一种人类活动,是在水面下降以与环境相互作用的做法。 浸入水中并暴露于高环境压力具有生理效应,其限制了环境压力潜水中可能的深度和持续时间。 人类在生理上和解剖学上都不适应潜水的环境条件,并且已经开发了各种设备来扩展人类潜水的深度和持续时间,并且允许进行不同类型的工作。

在环境压力潜水中,潜水员直接暴露于周围水的压力。 环境压力潜水员可以潜水屏气,或使用呼吸设备进行水肺潜水或水面潜水,饱和潜水技术可以减少长时间深潜后减压病(DCS)的风险。 大气潜水服(ADS)可用于将潜水员与高环境压力隔离。 有人驾驶的潜水器可以扩展深度范围,远程控制或机器人机器可以降低人类的风险。

环境使潜水员面临各种各样的危险,虽然风险主要受适当的潜水技能,训练,设备类型和呼吸气体的控制,这取决于潜水的模式,深度和目的,但它仍然是一项相对危险的活动。 。 潜水活动的最大深度约为40米(130英尺),用于休闲水肺潜水,530米(1,740英尺)用于商业饱和潜水,以及610米(2,000英尺)穿着大气套装。 潜水也限于不过度危险的条件,尽管可接受的风险水平可能不同。

休闲潜水(有时称为运动潜水或水下潜水)是一项受欢迎的休闲活动。 在特别具有挑战性的条件下,技术潜水是一种休闲潜水。 专业潜水(商业潜水,潜水用于研究目的,或用于经济利益)涉及在水下工作。 公共安全潜水是执法,消防救援,水下搜救和恢复潜水队完成的水下工作。 军事潜水包括战斗潜水,清除潜水和船舶饲养。 深海潜水是水下潜水,通常使用表面提供的设备,并且经常指使用标准潜水服与传统的铜头盔。 安全帽潜水是带头盔的任何形式的潜水,包括标准铜头盔,以及其他形式的自由流动和轻型需求头盔。 屏气潜水的历史至少可以追溯到古典时期,并且有证据表明史前狩猎和采集可能涉及水下游泳的海鲜。 最近允许在环境压力下向水下潜水员提供呼吸气体的技术进步,并且在第二次世界大战之后以自动的速度发展自给式呼吸系统。

潜水的生理限制
浸入水中并暴露于冷水和高压会对潜水员产生生理影响,这限制了环境压力潜水中可能的深度和持续时间。 呼吸保持耐力是一个严重的限制,在高环境压力下呼吸会直接或间接地增加进一步的并发症。 已经开发了技术解决方案,其可以极大地扩展人类环境压力潜水的深度和持续时间,并且允许在水下完成有用的工作。

浸没
人体浸入水中会影响循环,肾脏系统,液体平衡和呼吸,因为水的外部静水压力提供了对血液内部静水压力的支持。 这导致血液从四肢的血管外组织转移到胸腔中,并且称为浸没利尿的液体损失在浸没后不久补偿水合受试者的血液移位。 从头部浸没到身体上的静水压力导致负压呼吸,这有助于血液移位。

血液移位导致呼吸和心脏工作量增加。 浸入量或环境压力变化不会对中风量产生很大影响,但心跳减慢会降低整体心输出量,特别是因为屏气潜水时的潜水反射。 由于腹部从静水压力的颅骨移位,肺部体积在直立位置减小,并且由于肺容量减少,气道中的气流阻力增加。 肺水肿与肺血流量和压力增加之间似乎存在联系,导致毛细血管充血。 这可能发生在浸入或浸没时的高强度运动期间。

曝光
冷休克反应是生物体对突然感冒,特别是冷水的生理反应,并且是浸入非常冷水中的常见原因,例如通过落入薄冰中。 寒冷的直接冲击导致非自愿吸入,如果在水下可能导致溺水。 由于血管收缩,冷水也会引起心脏病; 心脏必须更加努力地将相同体积的血液泵入全身,而对于患有心脏病的人来说,这种额外的工作量会导致心脏停止。 如果没有溺水,那么在落入冷水后的最初一分钟内幸存下来的人可以存活至少30分钟。 由于冷冻肌肉失去力量和协调,大约十分钟后,维持漂浮的能力大幅下降。

潜水反射是对沉浸的反应,它超越了基本的稳态反射。 它通过优先将氧气储存分配到心脏和大脑来优化呼吸,这允许在水下延长时间。 它在水生哺乳动物(海豹,水獭,海豚和麝香)中表现强烈,并且也存在于其他哺乳动物中,包括人类。 潜水鸟,如企鹅,有类似的潜水反射。 通过冷却面部和屏住呼吸来触发潜水反射。 心血管系统收缩外周血管,减慢脉搏率,将血液重定向到重要器官以保存氧气,释放储存在脾脏中的红细胞,并且在人类中引起心律不规则。 水生哺乳动物已经进化出生理适应性以在浸没期间保存氧气,但是与陆地哺乳动物共享呼吸暂停,减慢脉搏和血管收缩。

低体温会降低体温,当身体失去的热量超过其产生的热量时。 低温是游泳或在冷水中潜水的主要限制因素。 由于疼痛或麻木导致的手指灵活性降低会降低一般安全性和工作能力,从而增加其他伤害的风险。 体内热量在空气中比在空气中快得多,因此室外空气温度可以承受的水温会导致体温过低,这可能导致潜水员受到保护不足而导致其他原因死亡。

呼吸限制
通过吸气动物进行的呼吸保持潜水仅限于对可用氧气进行潜水的生理能力,直到它返回到新鲜呼吸气体源,通常是表面的空气。 随着内部氧气供应的减少,动物体验到由于血液中二氧化碳和乳酸的累积而引起的呼吸增加,随后由于中枢神经系统缺氧而丧失意识。 如果这发生在水下,它就会淹死。

当呼吸持续足够长的时间以进行代谢活动以充分降低氧分压以引起意识丧失时,可发生自由潜水中的停电。 这可以通过使用更快的氧气或过度通气来加速,这会降低血液中的二氧化碳水平。 较低的二氧化碳水平会增加氧气 – 血红蛋白的亲和力,从而降低潜水结束时氧气对脑组织的可用性(玻尔效应); 它们还能抑制呼吸的冲动,使呼吸更容易停留在停电点。 这可以在任何深度发生。

当环境压力降低时,上升引起的缺氧是由氧分压的下降引起的。 深度处的氧分压可足以维持意识,但仅在该深度处,而不是在靠近表面的减压处。

环境压力变化
气压伤的一个例子是气压伤,是由身体内部或与身体接触的气体空间与周围气体或液体之间的压力差引起的身体组织的物理损伤。 它通常发生在有机体暴露于环境压力的大变化时,例如当潜水员上升或下降时。 潜水时,引起气压伤的压力差是静水压力的变化。

初始损伤通常是由于在张力或剪切中过度拉伸组织,或者直接通过封闭空间中的气体膨胀,或者通过流体静力学传递通过组织的压力差。

气压伤通常表现为窦或中耳效应,DCS,肺超压损伤和外部挤压引起的损伤。 下降的气压是通过防止与潜水员接触的封闭空间中的气体体积的自由变化引起的,导致组织与气体空间之间的压力差,并且由于该压力差引起的不平衡力导致变形。组织导致细胞破裂。 当防止与潜水员接触的封闭空间中的气体体积的自由变化时,也会引起上升的气压。 在这种情况下,压力差导致周围组织中的合成张力超过其拉伸强度。 除了组织破裂之外,过压还可能导致气体进入组织并进一步通过循环系统。 这可能导致远处循环的阻塞,或者由于其存在而干扰器官的正常功能。

在压力下呼吸
在环境压力下提供呼吸气体可以大大延长潜水的持续时间,但是该技术解决方案可能导致其他问题。 代谢惰性气体的吸收随着时间和压力的增加而增加,并且由于它们以溶解状态存在于组织中,例如氮麻醉和高压神经综合征,或者原因,它们可能立即产生不良作用。在减压过程中从组织中排出溶液时出现问题。

当代谢活性气体的浓度增加时会出现其他问题。 这些范围包括氧气在高分压下的毒性作用,由于过度呼吸作用导致的二氧化碳积聚,死腔增加或去除效率低,以及由于增加的呼吸气体中污染物的毒性作用的恶化在高压下浓缩。 肺内部和呼吸气体输送之间的静水压差,由于环境压力引起的呼吸气体密度增加,以及由于较高的呼吸速率而增加的流动阻力都可能导致呼吸功增加和呼吸肌疲劳。

感觉障碍
水下视觉受到介质的透明度和折射率的影响。 水下可见度降低,因为穿过水的光线随着距离迅速衰减,导致自然光照水平降低。 通过物体和观察者之间的光散射,水下物体也变得模糊,导致对比度降低。 这些效果随光的波长,水的颜色和浊度而变化。 人眼针对空气视觉进行了优化,并且当其浸入与水直接接触时,视觉敏锐度受到水和空气之间的折射率差异的不利影响。 在角膜和水之间提供空域可以补偿,但会导致尺度和距离变形。 人工照明可以改善短距离的可见度。 立体视敏度,判断不同物体的相对距离的能力,在水下大大减少,并且受到视野的影响。 由头盔中的小视口引起的狭窄视野导致立体视锐度大大降低,并且当头部移动时静止物体的明显移动。 这些影响导致手眼协调性较差。

水具有与空气不同的声学特性。 来自水下声源的声音可以相对自由地传播通过与水接触的身体组织,因为声学特性相似。 当头部暴露于水中时,一些声音通过鼓膜和中耳传播,但是很大一部分通过骨传导独立地到达耳蜗。 一些声音定位是可能的,虽然很难。 在潜水员的耳朵潮湿的情况下,水下人类听觉的灵敏度低于空气。 水下频率敏感度也与空气频率敏感度不同,水下听觉阈值一直较高; 对较高频率声音的灵敏度降低最多。 头盔的类型会影响噪音敏感度和噪音危险,具体取决于传输是湿的还是干的。 水下人类听觉对湿耳朵的敏感性低于空气,氯丁橡胶罩会导致大幅衰减。 戴头盔时,听觉灵敏度与表面空气相似,因为呼吸气体或腔室气氛成分或压力不会对其产生很大影响。 由于声音在氦气运动中的传播速度比在空气中传播的速度快,所以声音共振峰会升高,使得潜水员的语音高亢,扭曲,对于不熟悉它的人来说难以理解。 压力下呼吸气体密度的增加具有类似的附加效应。

潜水员的触觉感知可能会受​​到环保服和低温的影响。 不稳定性,设备,中性浮力和水的惯性和粘性效应对运动的抵抗力的结合阻碍了潜水员。 寒冷导致感觉和运动功能丧失,分散和扰乱认知活动。 能够施加大而精确的力。

平衡和平衡取决于前庭功能和来自视觉,有机,皮肤,动觉和有时听觉的二次输入,这些感觉由中枢神经系统处理以提供平衡感。 在水下,其中一些输入可能不存在或减少,使剩余的线索变得更加重要。 输入的冲突可能导致眩晕,定向障碍和晕动病。 前庭感觉在这些快速,复杂和准确运动的条件下是必不可少的。感知感知使得潜水员能够意识到个人位置和运动,与前庭和视觉输入相关联,并使潜水员能够有效地维持身体平衡和平衡。在水里。 在中性浮力的水中,位置的本体感觉提示减少或消失。 潜水员的套装和其他装备可能会加剧这种影响。

味道和气味对于水中的潜水员来说不是很重要,但对于饱和潜水员而言在住宿室中更为重要。 有证据表明在压力下长时间后味道和气味的阈值略有下降。
潜水模式
根据所使用的潜水设备,有几种潜水模式。

免费潜水
在屏住呼吸的同时潜水和游泳的能力被认为是一种有用的应急技能,是水上运动和海军安全训练的重要组成部分,也是一种愉快的休闲活动。 没有呼吸器的水下潜水可分为水下游泳,浮潜和自由潜水。 这些类别相当重叠。 几个有竞争力的水下运动没有呼吸器。

自由潜水排除了使用外部呼吸装置,并依赖于潜水员屏住呼吸直至重新铺设的能力。 该技术的范围从简单的屏气潜水到竞技性呼吸暂停潜水。 鳍和潜水面罩通常用于自由潜水,以改善视力并提供更有效的推进力。 称为呼吸管的短呼吸管允许潜水员在面部浸入时在表面呼吸。 浮潜在水面上无意潜水是一项受欢迎的水上运动和休闲活动。

水肺潜水
潜水用自给式水下呼吸器潜水,完全独立于表面供应。 水肺潜水员的移动性和水平范围远远超出了连接到地面供水潜水设备(SSDE)的脐带管的范围。 从事武装部队秘密行动的潜水员可称为蛙人,战斗潜水员或攻击游泳者。

开放式潜水系统在呼出时将呼吸气体排放到环境中,并且由一个或多个含有高压呼吸气体的潜水气瓶组成,该潜水气瓶通过潜水调节器供给潜水员。 它们可能包括用于减压气体或紧急呼吸气体的额外气瓶。

闭路或半闭路循环呼吸器潜水系统允许回收呼出气体。 与开路相比,所使用的气体体积减少,因此可以使用较小的一个或多个气缸进行相等的潜水持续时间。 与开放式回路相比,它们在相同的气体消耗下延长了水下时间。 与潜水相比,循环呼吸器产生的气泡更少,噪音更小,这使得它们对隐蔽的军事潜水员有吸引力以避免被发现,科学潜水员可以避免干扰海洋动物,而媒体潜水员则可以避免气泡干扰。

潜水员通过使用附在脚上的脚蹼移动到水下; 外部推进可以由潜水员推进车辆或从表面拉出的拖板提供。 其他设备包括用于改善水下视力的潜水面罩,防护潜水服,控制浮力的设备,以及与潜水的具体情况和目的相关的设备。 水肺潜水员接受与潜水员认证组织相关的教员进行认证的程序和技能的培训,这些认证机构颁发这些潜水员认证。 这些包括使用设备和处理水下环境的一般危害的标准操作程序,以及自助的紧急程序和遇到问题的类似装备的潜水员的协助。 大多数培训机构都要求最低水平的健康和健康,并且某些应用可能需要更高水平的健身。

表面提供潜水
自给式呼吸系统的替代方案是通过软管从表面供应呼吸气体。 当与通信电缆,肺气压计软管和安全线结合使用时,它被称为潜水员的脐带,其可能包括用于加热的热水软管,视频电缆和呼吸气体回收线。 仅使用空气软管的更基本设备称为航空公司或水烟系统。 这允许潜水员使用来自表面处的气缸或压缩机的供气软管进行呼吸。 呼吸气体通过口腔式需求阀或轻型全面罩提供。 它用于船体清洁和考古调查,贝类捕捞等工作,以及通常由游客和未经水肺认证的人进行的浅水活动。

饱和潜水让专业潜水员在压力下生活和工作几天或几周。 在水中工作后,潜水员休息并居住在底部干燥的加压水下栖息地或潜水支持船,石油平台或其他浮动平台的甲板上的压力室的饱和生命支持系统,其压力与工作深度。 它们在加压闭合潜水钟中在表面调节和水下工作场所之间转移。 潜水结束时的减压可能需要很多天,但由于长时间暴露只进行一次,而不是在每次短时间暴露后,潜水员减压伤的总体风险和减压总时间减少了。 这种潜水可以提高工作效率和安全性。

商业潜水员指的是潜水员开始并在大气压力下完成潜水作业的潜水作业,如表面定向或弹跳潜水。 潜水员可以从岸上或潜水支援船上展开,并且可以在潜水台或潜水钟上运输。 表面供应的潜水员几乎总是戴着潜水头盔或全脸潜水面罩。 底部气体可以是空气,氮氧混合气,氦氧混合气或三重混合气; 减压气体可以类似,或者可以包括纯氧。 减压程序包括在甲板室中进行水中减压或表面减压。

带有充气圆顶的湿钟提供比舞台更多的舒适性和控制,并允许更长的时间在水中。 湿铃用于空气和混合气体,潜水员可以在12米(40英尺)的氧气上减压。 已经设计了小型闭合钟罩系统,其可以容易地移动,并且包括双人钟,处理框架和在压力下转移(TUP)后减压的腔室。 潜水员可以在底部呼吸空气或混合气体,通常在充满空气的腔室中回收。 它们通过内置呼吸系统(BIBS)对减压结束时的氧气进行减压。 小型钟罩系统支持弹跳潜水深度达120米(390英尺),底部时间长达2小时。

一种相对便携的表面气体供应系统,其使用高压气瓶用于初级和备用气体,但使用具有肺部表面测量仪和语音通信的全潜水员脐带系统,在工业上称为“水肺替代物”。

压缩机潜水是菲律宾和加勒比海等一些热带地区使用的地表供水潜水的基本方法。 潜水员用半面罩和鳍游泳,并通过塑料管从船上的工业低压空气压缩机供应空气。 没有减压阀; 潜水员将软管末端固定在嘴里,没有需求阀或接口管,并允许多余的空气从嘴唇之间溢出。

大气压力潜水
潜水器和刚性大气潜水服(ADS)可以在正常大气压下的干燥环境中进行潜水。 ADS是一种小型单人铰接式潜水器,类似于一套装甲,具有精细的接头以允许弯曲,同时保持一个大气压的内部压力。 ADS可用于长达约700米(2,300英尺)的潜水数小时。 它消除了与深潜相关的大多数生理危险 – 乘员不需要减压,不需要特殊的气体混合物,也没有氮麻醉的危险 – 以牺牲成本更高,物流复杂和灵活性丧失为代价。

无人潜水
自主水下航行器(AUV)和遥控水下航行器(ROV)可以执行潜水员的一些功能。 它们可以部署在更深的地方和更危险的环境中。 AUV是一种在不需要操作员实时输入的情况下在水下行进的机器人。 AUV构成更大的无人海底系统组的一部分,该系统包括非自主ROV,其由操作员/飞行员通过脐带或使用遥控器从地面控制和供电。 在军事应用中,AUV通常被称为无人驾驶海底车辆(UUV)。

潜水活动范围
潜水可以出于各种原因进行,包括个人和专业。 休闲潜水纯粹是为了享受,并有几个专业和技术学科,为各种活动提供更多的空间,可以提供专业培训,如洞穴潜水,沉船潜水,冰上潜水和深潜。

专业潜水的各个方面,从兼职工作到终身职业。 休闲潜水行业的专业人员包括讲师培训师,潜水教练,助理教练,潜水长,潜水向导和潜水技师。 商业潜水与行业有关,包括土木工程任务,如石油勘探,海上建筑,大坝维护和港口工程。 商业潜水员也可以用于执行与海上活动有关的任务,例如海上潜水,包括船只的修理和检查,海上打捞或水产养殖。

其他潜水专业领域包括军事潜水,具有不同角色的军事蛙人的悠久历史。 他们可以扮演角色,包括直接战斗,敌后渗透,埋设地雷,炸弹处理或工程操作。

在民事行动中,警察部队让警察潜水部队进行搜救行动,并追回证据。 在某些情况下,潜水员救援队也可能是消防部门,辅助医疗服务或救生员单位的一部分,这可能被归类为公共安全潜水。 还有专业的潜水员,如水下摄影师和摄像师,他们记录海底世界,以及涉及水下环境的科学领域的科学潜水员,包括海洋生物学家,地质学家,水文学家,海洋学家和水下考古学家。

潜水和水面潜水设备之间的选择基于法律和后勤限制。 如果潜水员需要移动性和大范围的移动,如果安全和法律限制允许,潜水通常是选择。 通过立法和行为准则,高风险工作,特别是商业潜水,可能仅限于表面供应的设备。

潜水环境
潜水环境受到可达性和风险的限制,但包括水和偶尔的其他液体。 大多数水下潜水都是在海洋较浅的沿海地区和淡水的内陆地区进行的,包括湖泊,水坝,采石场,河流,泉水,淹水的洞穴,水库,水池,游泳池和运河,但也可以在大口径管道和下水道,电站冷却系统,船舶的货物和压载舱以及液体填充的工业设备中。 环境可能会影响齿轮配置:例如,淡水的密度低于海水,因此在淡水潜水中实现潜水员中性浮力所需的附加重量较少。 水温,能见度和运动也会影响潜水员和潜水计划。 由于潜水设备的密度,粘度和化学兼容性以及对潜水队可能造成的环境危害,在水以外的液体中潜水可能会出现特殊问题。

良性条件,有时也称为承压水,是低风险的环境,潜水员极不可能或不可能丢失或陷入,或暴露于基本水下环境以外的危险。 这些条件适用于关键生存技能的初步培训,包括游泳池,训练坦克,水族箱和一些浅海和受保护的海岸线区域。

开放水域是不受限制的水,例如海水,湖泊或淹水采石场,潜水员可以直接垂直进入与大气接触的水面。 开放水域潜水意味着如果出现问题,潜水员可以直接垂直上升到大气中呼吸空气。

在头顶或穿透潜水环境中,潜水员进入一个空间,在该空间内没有直接的,纯粹的垂直上升,以保证表面的透气性。 洞穴潜水,沉船潜水,冰上潜水以及在其他自然或人造水下结构或围墙内潜水都是例子。 对直接上升的限制增加了在开销下潜水的风险,这通常通过调整程序和使用诸如多余呼吸气体源和引导线之类的设备来指示通往出口的路线来解决。

夜间潜水可以让潜水员体验不同的水下环境,因为许多海洋动物都是夜间活动。 高海拔潜水,例如在高山湖泊中,由于降低了大气压力,因此需要对减压时间表进行修改。

深度范围
EN 14153-2 / ISO 24801-2 2级“自主潜水员”标准设定的休闲潜水深度限制为20米(66英尺)。 对于训练有素的休闲潜水员而言,建议的深度限制范围为PADI潜水员30米(98英尺)(这是成人通常开始出现氮麻醉症状的深度),休闲指定的40米(130英尺)潜水训练委员会,50米(160英尺)为英国Sub-Aqua俱乐部和Sub-Aqua协会的潜水员呼吸空气,60米(200英尺)为2至3个法国3级休闲潜水员,呼吸空气。

对于技术潜水员,建议的最大深度更大,因为他们将使用较少的麻醉气体混合物。 100米(330英尺)是已通过IITD或TDI认证的Trimix Diver认证完成Trimix潜水员认证的潜水员的最大深度。 332米(1,089英尺)是水肺潜水世界纪录(2014年)。 使用饱和技术和氦氧混合气体的商业潜水员通常超过100米(330英尺),但它们也受到生理限制的限制。 1988年,Comex Hydra 8实验潜水达到了创纪录的534米(1,752英尺)的开放水域.ADS主要受到铰接密封技术的限制,而美国海军潜水员的潜水深度为610米(2,000英尺)。

潜水地点
潜水地点的常用术语是潜水地点。 作为一般规则,在需要完成工作的地方进行专业潜水,并在条件适宜的情况下进行休闲潜水。 有许多记录和公布的休闲潜水地点,以其便利,兴趣点和经常有利的条件而闻名。 专业和休闲潜水员的潜水员训练设施通常使用熟悉且方便的小范围潜水地点,并且条件可预测且风险相对较低。