气流视频显示带呼气阀的口罩不会减慢Covid-19的扩散

根据疾病控制与预防中心（CDC）的建议，许多人在公共场合戴口罩以减慢COVID-19的传播。但是，带有呼气阀的口罩并不能减慢疾病的传播，现在，美国国家标准技术研究院（NIST）的新视频显示了原因。

该视频由NIST研究工程师Matthew Staymates制作，显示了通过带或不带呼气阀的口罩的气流模式。这些视频以及相关的研究文章在《流体物理》上发表。

Staymates说：“当您并排比较视频时，差异是惊人的。” “这些视频显示了阀门如何允许空气离开面罩而不进行过滤，这违背了面罩的目的。”

“我没有戴口罩来保护自己。我戴上它是为了保护我的邻居，因为我可能没有症状，甚至没有意识到就传播了病毒。” -NIST研究工程师Matthew Staymates

当面罩旨在保护佩戴者时，使面罩更容易呼吸且更舒适的呼气阀是合适的。例如，带阀口罩可以保护工人免受施工现场灰尘的侵害，或保护医院工作人员免受感染的患者的侵害。

CDC建议使用减慢COVID传播的口罩，主要是为了保护佩戴者以外的人。它们通过捕获可能含有病毒的呼出飞沫来减缓疾病的传播。疾病预防控制中心表示，即使没有症状的人也应该戴口罩，因为有可能被感染但没有症状。

“我没有戴口罩来保护自己。我佩戴它是为了保护我的邻居，因为我可能没有症状，甚至没有意识到就传播了这种病毒，” Staymates说。 “但是，如果我戴着带阀门的口罩，那我就帮不上忙。”

Staymates是流可视化技术的专家，可让他在相机上捕捉空气的运动。他通常的研究涉及通过嗅探空气中这些物质的痕迹来检测机场和航运设施中的爆炸物和麻醉品的新技术。最近，他将自己的专业知识转向了口罩，以帮助开发测量和改善其性能的新方法。

Staymates使用不同的流程可视化技术制作了两个视频。第一个视频（以上）是使用所谓的schlieren成像系统创建的，该系统会导致空气密度差异以阴影和光的形式出现在相机上。

使用schlieren成像系统，呼气变得可见，因为它比周围的空气温暖，因此密度较小。该视频仅显示空气本身的运动，而不显示空气中呼出的液滴的运动。在左侧，Staymates戴着带阀门的N95防毒面具，该面具可使呼出的空气未经过滤就流入环境。在右侧，没有阀门，空气通过面罩过滤掉了大部分液滴。

对于第二个视频，Staymates制造了一种装置，该装置以与静止的成年人相同的速度和速度散发空气，然后将该装置连接到人体模型。作为呼出的小滴的替代物，空气中携带的水滴的大小范围是人们在呼气，说话和咳嗽时在呼吸中散发的水滴的典型大小。人体模型后面的高强度LED灯照亮了空气中的飞沫，使它们散射并在相机上明亮地显示。

与schlieren视频相反，该视频显示了空气中液滴的运动。在左侧，液滴通过N95口罩的阀门未经过滤而逸出。在中间，没有阀门，也看不到呼吸，因为面罩过滤掉了水滴。在右边，没有戴口罩。

人体模特和机械呼吸设备的使用使Staymates能够观察气流模式，同时保持稳定的呼吸频率，气压和其他变量。

另外，由光散射产生的视频可以由计算机分析，而schlieren图像则不能。 Staymates编写了计算机代码，该代码计算了视频中明亮像素的数量，并使用该代码来估算空气中有多少液滴。这并不是对液滴数量的真实衡量，因为二维视频无法捕获整个三维空气中发生的情况。但是，所得的数字提供了可以分析的趋势，以更好地了解不同类型的面罩的气流动态。

该研究项目仅研究了一种带阀的口罩。 不同类型的带阀口罩的性能会有所不同。 同样，不紧贴的口罩会使一些空气从口罩周围逸出，而不是通过口罩过滤。 这也可能损害掩模的过滤性能。 但是在这些视频中可以看到阀门的主要作用。 Staymates希望这些视频能使人们一目了然地理解为什么为什么要减慢COVID-19的传播速度的口罩不应该带有阀门。 论文：M.E. Staymates。 使用schlieren成像和光散射，带有和不带有呼气阀的N95呼吸器的流动可视化。 流体物理学。 在线发布于2020年11月10日.DOI：10.1063 / 5.0031996