[논문 리뷰] Dispersion of speech aerosols in the context of physical distancing recommendations

Vrishank Raghav, Zu Puayen Tan외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 08.

Infection Control and Ventilation참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다양한 음량에서 인간의 말하기 동안 에어로졸 클라우드의 확산을 측정하기 위해 고속 입자 이미지 속도측정법(PIV)을 사용하며, 소리가 큰 말하기와 중간 정도의 기침이 동일한 초기 침투 거리를 유발하는 것으로 나타났다. 연구 결과에 따르면, 6피트의 신체적 거리두기는 초기 노출을 방지하는 데는 충분할 수 있으나, 서서히 확산되는 에어로졸에 장시간 노출되는 데에는 부족하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실험적 유체역학을 통해 다양한 음성 강도 수준에서 말로 생성된 에어로졸의 확산을 정량화하는 것.
• 현재의 6피트 신체적 거리두기 지침이 말로 생성된 에어로졸에 대한 노출을 방지하는 데 충분한지 평가하는 것.
• 측정된 시간 창을 초과한 장기적인 에어로졸 클라우드 확산을 고전적 제트 스케일링 법칙을 사용해 모델링하는 것.
• 소리가 큰 말하기에서 유래한 에어로졸의 초기 침투 거리를 중간 정도의 기침과 비교하는 것.
• 내부 공간에서 잔류하는 에어로졸의 지속성으로 인한 전파 위험에 대한 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 음성 발화 중에 에어로졸을 함유한 기체 클라우드의 속도와 궤적을 측정하기 위해 고속 입자 이미지 속도측정법(PIV)을 사용하였다.
• 음성 노력이 에어로졸 확산에 미치는 영향를 평가하기 위해 여러 음압 수준에서 측정을 실시하였다.
• PIV 데이터에서 초기 침투 깊이를 정량화하여, 에어로졸이 둔화되기 전까지 도달하는 최대 거리를 나타내었다.
• 측정된 기간을 초월한 확산 거리를 추정하기 위해 고전적 펄스 제트 스케일링 법칙을 적용하였다.
• 일시적인 난류 제트의 운동량과 에너지 감쇠 특성을 기반으로 에어로졸 클라우드 역학을 모델링하였다.
• 동일한 스케일링 및 측정 프레임워크를 사용하여 소리가 큰 말하기와 중간 정도의 기침 간 비교 분석을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소리가 큰 말하기에서 유래한 에어로졸 클라우드는 정적 공기 중에서 얼마나 멀리 퍼지며, 중간 정도의 기침과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ2 현재의 6피트 신체적 거리두기 권고가 말로 생성된 에어로졸에 대한 초기 노출을 방지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 에어로졸 클라우드는 초기 폭발 이후 얼마나 오랫동안 공기 중에 머물며, 초기 폭발 이후에도 여전히 노출 위험을 유발할 수 있는가?
• RQ4 고전적 펄스 제트 스케일링 법칙이 말로 생성된 에어로졸의 장기적 확산을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 느린 움직임을 보이는 잔류 에어로졸 클라우드로 인해 실내 환경에서 장시간의 노출 위험이 증가하는가?

주요 결과

• 소리가 큰 말하기에서 유래한 에어로졸의 초기 침투 거리는 중간 정도의 기침과 유사하여, 유사한 단거리 전파 가능성을 시사한다.
• 6피트의 신체적 거리두기 지침은 주 에어로졸 클라우드의 앞선 부분에 대한 초기 노출을 방지하는 데 아마도 충분할 것이다.
• 그러나 본 연구에서는 에어로졸 클라우드가 6피트를 초월해 장시간에 걸쳐 느리게 확산되어 지속적으로 존재함을 발견하여, 장시간의 노출 위험이 증가함을 시사한다.
• 펄스 제트 스케일링 법칙은 측정된 PIV 창을 초월한 에어로졸 클라우드의 장기적 확산을 정확하게 예측할 수 있다.
• 노래나 수업 강의 등 소리가 큰 말하기는 상당한 영향을 미치는 지속적인 영향을 가진 에어로졸 클라우드를 생성하여, 정적 거리두기만으로는 부족함을 드러낸다.
• 결과적으로, 잔류 에어로졸로 인한 위험을 완화하기 위해 실내 환경에서 환기와 공기 정화가 필수적임을 시사한다.