[論文レビュー] Speech can produce jet-like transport relevant to asymptomatic spreading of virus

Manouk Abkarian, Simon Mendez+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Infection Control and Ventilation参考文献 49被引用数 234

ひとこと要約

本研究では、特に『P』のような爆発音（パlos音）が、飛沫を長距離にわたって運ぶジェット状の気流を生成することを示している。この気流は、3つの異なる輸送モードに分けられる：短距離（0.5 m未塔）では角度のばらつきが顕著、中距離（約1 m）では個々の渦状のパフが寄与、長距離（最大2 m以上）では連続するパフが円錐状ジェットを形成して輸送を促進する。これらの発見は、会話中の無症状者によるウイルス拡散を説明する重要な流体力学的メカニズムを明らかにした。

ABSTRACT

Many scientific reports document that asymptomatic and presymptomatic individuals contribute to the spread of COVID-19, probably during conversations in social interactions. Droplet emission occurs during speech, yet few studies document the flow to provide the transport mechanism. This lack of understanding prevents informed public health guidance for risk reduction and mitigation strategies, e.g. the "six-foot rule". Here we analyze flows during breathing and speaking, including phonetic features, using order-of-magnitudes estimates, numerical simulations, and laboratory experiments. We document the spatio-temporal structure of the expelled air flow. Phonetic characteristics of plosive sounds like 'P' lead to enhanced directed transport, including jet-like flows that entrain the surrounding air. We highlight three distinct temporal scaling laws for the transport distance of exhaled material including (i) transport over a short distance ($<$ 0.5 m) in a fraction of a second, with large angular variations due to the complexity of speech, (ii) a longer distance, approximately 1 m, where directed transport is driven by individual vortical puffs corresponding to plosive sounds, and (iii) a distance out to about 2 m, or even further, where sequential plosives in a sentence, corresponding effectively to a train of puffs, create conical, jet-like flows. The latter dictates the long-time transport in a conversation. We believe that this work will inform thinking about the role of ventilation, aerosol transport in disease transmission for humans and other animals, and yield a better understanding of linguistic aerodynamics, i.e., aerophonetics.

研究の動機と目的

• 呼吸および会話中の呼気の流れの力学的特性を定量化すること、特に無症状のウイルス感染拡散に関連して。
• 発音の特徴、特にパlos音が呼吸飛沫の指向性輸送をどのように強化するかを特定すること。
• 呼気の流れの空間的・時間的構造を特徴づけ、空気感染症の拡散に与える影響を明らかにすること。
• 流体力学的証拠を用いて、従来の公衆衛生指針（例：6フィートルール）を検証・見直すこと。

提案手法

• 息を吐く際の流れパターンを観察するために、ミストとレーザー・シートを用いた実験室における流れ可視化実験を実施。
• 測定された流量とレイノルズ数を用いて、流れの状態を推定するための数量オーダーの見積もりを実施。
• 会話中の口から発生する乱流で時間的に変化する流れをモデル化するため、大渦シミュレーション（LES）をYALES2BIOソルバーを用いて実施。
• 会話のリズムとパlos音の発生を再現するため、周期的信号（4.0 sのサイクル）を用いた時間変動型インletをシミュレーションに導入。
• 粒子の輸送をマッピングし、ジェット状構造を同定するために、シミュレーション内でラグランジュ的トレーサーを追跡。
• 流量と発音タイミングの影響を分離するため、固定された楕円形の口の断面（1.0 cm × 1.5 cm）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 会話中の呼気の空間的・時間的ダイナミクスは、呼吸時とどのように異なり、発音の特徴はその役割を果たすか？
• RQ2 渦状のパフやジェット状の流れといった流体力学的メカニズムは、呼気物質の長距離輸送をどのように可能にするか？
• RQ3 『P』のようなパlos音は、指向性輸送と飛沫の混合をどのように強化するか？
• RQ4 会話に伴う呼気の輸送距離と時間に支配的なスケーリング則は何か？
• RQ5 文内の連続するパlos音は、1 mを超える輸送を可能にする持続的で円錐状のジェット状流れを形成するか？

主な発見

• 『P』のようなパlos音は、最大約1メートルまで指向性輸送を引き起こす渦状のパフを生成する。
• 会話における連続するパフは、円錐状のジェット状の流れを形成し、2メートル以上まで物質を輸送可能である。
• 輸送を支配する3つの異なる時間的スケーリング則が存在する：(i) 0.5 m未塔の短距離輸送（1秒未塔）では角度のばらつきが顕著、(ii) 約1 mの中距離輸送は個々のパフによる、(iii) 最大2 mの長距離輸送は繰り返し発生するパフによるジェット状流れによる。
• ジェット状の流れ構造は時間的に持続され、会話中の長期的輸送を支配する。
• 会話時の流れ速度は最大5 m/sに達し、レイノルズ数は1,000から7,000の範囲にあり、乱流で時間的に変化する流れ状態であることが示された。
• 本研究では、無症状の者でさえ会話によって顕著な長距離飛沫輸送を引き起こす可能性があることが明らかになった。これは、静かな会話ではリスクが最小限であるという仮定に疑問を呈するものである。