[논문 리뷰] Speech can produce jet-like transport relevant to asymptomatic spreading of virus

Manouk Abkarian, Simon Mendez외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 18.

Infection Control and Ventilation참고 문헌 49인용 수 234

한 줄 요약

이 연구는 특히 'P'와 같은 파열음과 같은 발성음이 기침이나 숨결과 유사한 기류를 생성하여 탈출한 에어로졸의 장거리 이동을 증가시킨다는 것을 입증한다. 세 가지 명확한 이동 영역이 존재한다: 0.5m 이내의 단거리(각도 변화가 뚜렷함), 약 1m의 중거리(개별 소용돌이 펌프에 의해), 그리고 2m 이상의 장거리(연속된 펌프가 원뿔형 기류를 형성함). 이러한 발견들은 대화 중 무증상 환자에 의한 바이러스 전파의 핵심 유체역학적 메커니즘을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 숨결과 발성 중 탈출하는 공기의 유체역학을 정량화하는 것, 특히 무증상 바이러스 전파와의 관련성에서.
• 특히 파열음과 같은 발음 특징이 호흡 에어로졸의 방향성 이동을 어떻게 증가시키는지 밝혀내는 것.
• 탈출 기류의 시공간적 구조를 특성화하고 기저의 공기 전파 질병 전파에 대한 영향을 규명하는 것.
• 유체역학적 증거를 바탕으로 기존의 공중보건 지침(예: '6피트 규칙')을 도전하고 개선하는 것.

제안 방법

• 안개와 레이저 시트를 사용하여 실험실에서 호흡과 발성 중의 탈출 패턴을 관찰하는 유동 시각화 실험을 수행하였다.
• 측정된 유량과 레이놀즈 수를 바탕으로 흐름 영역을 추정하기 위해 주어진 순서의 추정치를 계산하였다.
• 말하는 동안 입구에서 발생하는 난류 및 일시적인 유동을 모델링하기 위해 대규모 난류 시뮬레이션(Large Eddy Simulations, LES)과 YALES2BIO 솔버를 사용하였다.
• 말의 리듬과 파열음 폭발을 나타내기 위해 주기적 신호(4.0초 주기)를 사용한 시간에 따라 변하는 입구 조건을 시뮬레이션하였다.
• 입자 이동을 맵핑하고 기류 유사한 구조를 식별하기 위해 시뮬레이션에서 라그랑주 추적자를 추적하였다.
• 유량과 발음 타이밍에 따른 영향을 분리하기 위해 고정된 타원형 입구 기하구조(1.0 cm × 1.5 cm)를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 발성 중 탈출하는 공기의 시공간적 역학은 숨결과 어떻게 다를까? 그리고 발음 특징은 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 소용돌이 펌프나 기류 유사 흐름과 같은 유체역학적 메커니즘은 탈출 물질의 장거리 이동을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 예를 들어 'P'와 같은 파열음은 방향성 이동과 에어로졸 혼입을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 발성과 관련된 탈출에서 이동 거리와 시간을 지배하는 별도의 척도 법칙은 무엇인가?
• RQ5 문장 내 연속된 파열음은 1m를 초월하는 이동을 가능하게 하는 지속적인 원뿔형 기류 유사 흐름을 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 파열음인 'P'는 약 1미터까지의 방향성 이동을 이끄는 소용돌이 펌프를 생성한다.
• 말 중 연속된 파열음은 펌프의 열을 형성하여 원뿔형 기류 유사 흐름을 만들며, 이는 2미터 이상까지의 이동을 가능하게 한다.
• 세 가지 명확한 시간 척도 법칙이 이동을 지배한다: (i) 0.5m 이내의 단거리 이동(1초 이내의 높은 각도 변화), (ii) 약 1m의 중거리 이동(개별 펌프에 의한), (iii) 2m까지의 장거리 이동(반복된 펌프에 의한 기류 유사 흐름에 의한).
• 기류 유사 흐름의 구조는 시간이 지남에 따라 지속되며, 대화 중 장기적 이동을 지배한다.
• 말할 때의 유속은 최대 5m/s에 달하며, 레이놀즈 수는 1,000에서 7,000 사이로, 난류이자 일시적인 흐름 영역임을 나타낸다.
• 이 연구는 조용한 대화 중에도 무증상 환자가 의미 있는 장거리 에어로졸 이동을 유도할 수 있음을 드러내며, 조용한 대화에서 위험성이 낮다는 가정을 도전한다.