[論文レビュー] Dispersion of speech aerosols in the context of physical distancing recommendations

Vrishank Raghav, Zu Puayen Tan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、音声の強度を変えて人間の発話中のエアロゾル雲の拡散を測定するために高速粒子画像速度計測法（PIV）が用いられ、大声での発話と中程度の咳は初期の浸透距離が類似していることが明らかになった。研究結果から、6フィートの物理的距離を保つことは初期の露出を防ぐには有効であるが、徐々に拡散するエアロゾルに長時間さらされることを防げないことが示唆される。

ABSTRACT

High-speed particle image velocimetry (PIV) was used to quantify the dispersion of aerosol-laden gas clouds generated during phonetic vocalization by a human subject at different sound intensity levels. The measured PIV data was used to quantify the initial penetration depth. Using classical pulsed jet scaling laws propagation distances were computed for time periods beyond the measured duration. Our results indicate that the penetration distance was comparable between loud intensity speech (for example during singing, classroom lectures, parties etc.) and moderate intensity cough. Based on theoretical aerosol propagation distance and time, the 6 feet physical distancing recommendations are likely sufficient to avoid incidental exposure by the initial penetration of the aerosol cloud, but insufficient for prolonged exposure to slow propagating aerosol clouds.

研究の動機と目的

• 実験的流体力学を用いて、異なる音声強度レベルにおける音声由来エアロゾルの拡散を定量化すること。
• 現在の6フィートの物理的距離を保つガイドラインが、音声由来エアロゾルへの露出を防ぐのに十分かどうかを評価すること。
• 測定時間窓を超えた長期的なエアロゾル雲の伝播を、古典的ジェットスケーリング法を用いてモデル化すること。
• 大声での発話に起因するエアロゾルの初期浸透距離を中程度の咳のそれと比較すること。
• エアロゾルの持続性が共有空間における屋内感染リスクに与える影響を評価すること。

提案手法

• 音声発話中のエアロゾルを含むガス雲の速度および軌道を捉えるために、高速粒子画像速度計測法（PIV）が用いられた。
• 発声の努力の影響を評価するため、複数の音圧レベルで測定が実施された。
• 初期の浸透深さはPIVデータから定量化され、エアロゾルが減速を始めるまでの最大移動距離を表した。
• 測定時間を超えた伝播距離の予測には、古典的パルスジェットスケーリング法が適用された。
• 一時的乱流ジェットの運動量およびエネルギーの減衰特性に基づいて、エアロゾル雲の動態がモデル化された。
• 同一のスケーリングおよび測定フレームワークを用いて、大声発話と中程度の咳との間で比較分析が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静止した空気中で、大声発話に起因するエアロゾル雲はどの程度の距離まで到達するのか。また、中程度の咳と比較してどうか。
• RQ2 現在の6フィートの物理的距離を保つガイドラインが、音声由来エアロゾルへの初期露出をどの程度防げるのか。
• RQ3 エアロゾル雲は初期の噴出後、どのくらいの期間にわたり空中に留まり、露出の原因となるのか。
• RQ4 古典的パルスジェットスケーリング法は、音声由来エアロゾルの長期的拡散を正確に予測できるのか。
• RQ5 ゆっくりと移動する残留エアロゾル雲のため、屋内環境での長時間露出のリスクはどの程度か。

主な発見

• 大声発話に起因するエアロゾルの初期浸透距離は、中程度の咳と同等であり、同じような短距離伝播可能性を示している。
• 6フィートの物理的距離を保つガイドラインは、主なエアロゾル雲の先端への初期露出を防ぐのに適切である可能性が高い。
• しかし、本研究ではエアロゾル雲が長時間にわたり6フィートを超えてゆっくりと拡散し続けることが判明し、長時間の露出リスクが高まることを示している。
• パルスジェットスケーリング法は、測定されたPIV時間窓を超えたエアロゾル雲の長期的拡散を正確に予測できる。
• 歌唱や教室の講義など、大声での発話は、顕著で持続的な到達距離を持つエアロゾル雲を生成し、静的な距離保ちだけでは不十分であることを示唆している。
• 結果から、残留エアロゾルのリスクを軽減するため、換気と空気清浄化が屋内環境において極めて重要であることが示唆される。