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Apr 23, 2024

Los inodoros comerciales emiten columnas de aerosol enérgicas y que se propagan rápidamente

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 20493 (2022) Cita este artículo 54k Accesos 1 Citas 3173 Detalles de Altmetric Metrics Los aerosoles pueden transmitir enfermedades infecciosas, incluido el SARS-CoV-2,

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 20493 (2022) Citar este artículo

54k Accesos

1 Citas

3173 altmétrico

Detalles de métricas

Los aerosoles pueden transmitir enfermedades infecciosas como el SARS-CoV-2, la influenza y el norovirus. Los inodoros con cisterna emiten aerosoles que propagan patógenos contenidos en las heces, pero se sabe poco sobre la evolución espaciotemporal de estas columnas o los campos de velocidad que las transportan. Utilizando luz láser para iluminar los aerosoles expulsados, cuantificamos la cinemática de las columnas que emanan de un inodoro comercial tipo fluxómetro y utilizamos el movimiento de las partículas de aerosol para calcular los campos de velocidad del flujo asociado. La descarga del inodoro produce un fuerte chorro caótico con velocidades superiores a 2 m/s; este chorro transporta aerosoles a alturas que alcanzan los 1,5 m dentro de los 8 segundos posteriores al inicio de la descarga. La cuantificación de las columnas de los inodoros y las velocidades de flujo asociadas proporciona una base para futuras estrategias de diseño para mitigar la formación de columnas o desinfectar los patógenos que contienen.

La descarga de un inodoro genera un flujo turbulento energético que libera gotas y aerosoles en el aire1,2,3,4, alcanzando alturas superiores a 1,5 m5 en escenarios que presentan un mayor riesgo de transmisión de enfermedades mediadas por aerosoles y fómites a partir de las heces6,7. 8,9. Las gotas más grandes se depositan en segundos, pero los aerosoles más pequeños (\(<5\ \mu\)m) permanecen suspendidos10, 11. La presencia de patógenos en las paredes laterales de la taza del inodoro o en el agua de la taza contribuye a la contaminación de los aerosoles4 y a la contaminación de el agua de la taza puede persistir después de docenas de descargas12, 13. Las concentraciones de bioaerosoles liberados por un inodoro con descarga varían según el tipo de inodoro14, 15, el rendimiento de la ventilación16, la posición radial alrededor de la taza17, el nivel de presión del suministro de agua18 y la presencia de desechos fecales11. Si bien el crecimiento de la columna de aerosol se reduce (pero no se elimina) con la presencia de una tapa cerrada2, 10, 19, los inodoros en entornos públicos, comerciales o de atención médica generalmente no tienen tapa. Si bien estudios anteriores documentan dónde terminan los aerosoles del inodoro, se sabe muy poco sobre la física y la cinemática de cómo llegan allí.

Si bien muchas asociaciones epidemiológicas con contextos sanitarios fecal-orales están bien establecidas, faltan sus contrapartes de aerosoles. La exposición respiratoria a microbios transportados por el aire en entornos sanitarios ha sido un foco de atención de salud pública a medida que la disponibilidad de baños públicos cerrados se expandió con la urbanización. Aunque se han elaborado evaluaciones de riesgos cuantitativos en este contexto de higiene20, su aplicación práctica requiere características de la fuente de emisión, así como la identidad, distribución, abundancia y persistencia específica resueltas en el tiempo de patógenos potenciales aerosolizados en rangos de tamaño respirables21. Las exposiciones a aerosoles sanitarios son agudas y dependen en gran medida del comportamiento de los ocupantes, lo que se suma al desafío de evaluar los riesgos respiratorios en entornos de baños confinados. Los riesgos asociados con la transmisión de virus respiratorios y entéricos mediante el uso de baños públicos debido a aerosoles contaminados de la columna del inodoro, aerosoles suspendidos de usuarios anteriores o transmisión a través de superficies de alto contacto deben mitigarse siempre que sea posible4, 22, 23. SARS-CoV-2 y se ha demostrado que otros virus sobreviven en las superficies durante varios días24,25,26, y las bacterias entéricas (potencialmente patógenas o no) como C. difficile se aerosolizan al lavarse y posteriormente se depositan en las superficies arquitectónicas locales como posibles fómites10.

El conocimiento actual sobre las columnas de aerosoles en los inodoros se deriva principalmente de mediciones discretas de las concentraciones de partículas en el aire y sedimentadas. El conocimiento de la cinemática de la columna de inodoro se limita a vídeos de alta velocidad de grandes gotas expulsadas muy cerca de la taza8, visualización cualitativa de una columna de hielo seco procedente del lavabo de un avión27 y simulaciones numéricas de velocidades de flujo y partículas expulsadas dentro de un modelo de inodoro idealizado15. Faltan mediciones de campo completo y resueltas en el tiempo de la dinámica espaciotemporal de la columna, incluidos los campos de velocidad del flujo de aire, y son fundamentales para el desarrollo y prueba de futuras estrategias de diseño para mitigar la exposición humana a través de la formación de la columna y desinfectar los patógenos transportados por la columna28, 29. y mejorar la eliminación de penachos mediante la ventilación20.

Para visualizar y cuantificar la cinemática de la columna de aerosol sobre un inodoro comercial tipo fluxómetro típico de los que se usan en América del Norte (Fig. 1A), utilizamos láseres continuos y pulsados ​​para crear una delgada lámina de luz (Fig. 1B) que ilumina un plano vertical. en la línea central del baño. Cuando se descarga el inodoro, la columna de aerosol resultante dispersa la luz que se capta desde el costado con cámaras (Fig. 1C). La secuencia de descarga del inodoro comienza presionando un botón remoto que activa una válvula solenoide en el fluxómetro, lo que permite que el suministro de agua ingrese a la válvula del fluxómetro (en los baños públicos, esta activación a menudo se realiza mediante un sensor de movimiento óptico). El agua que ingresa al recipiente crea un flujo turbulento enérgico con una firma audible familiar. Usamos niveles de presión sonora medidos por un medidor de ruido cerca de la taza como métrica para la intensidad y duración del ciclo de descarga (Fig. 1D). La acción de descarga dura aproximadamente 5,5 segundos después de presionar el botón (\(t=\) 0), y la mayor parte de la energía de descarga ocurre durante \(0,56\) s está asociado con el llenado de la taza después de la descarga.

Iluminación de laboratorio e imágenes de columnas de aerosol generadas por descargas. (A) Experimento de laboratorio con un inodoro comercial tipo fluxómetro (1,6 galones por descarga). En todos los experimentos, el inodoro contiene (y se descarga con) agua pura del grifo, sin sólidos ni aditivos. La válvula de descarga (ubicada detrás de la pared trasera) se alimenta con un suministro de 60 psi y se activa eléctricamente mediante un botón. (B) Utilizamos láseres continuos y pulsados ​​para generar una fina lámina de luz que ilumina la columna en un plano vertical sobre la línea central del cuenco. (C) Las cámaras capturan imágenes de la luz láser dispersada por partículas de aerosol durante y después del ciclo de descarga. (D) Historial temporal de la intensidad y duración del ciclo de descarga utilizando los niveles promedio de presión sonora en la taza (línea roja) de 20 réplicas de descarga (líneas grises) como métrica. El tiempo t=0 corresponde al instante en que se presiona el botón de descarga.

Para demostrar la estructura de la columna de aerosol iluminada en el laboratorio como es visible para el ojo humano, utilizamos un láser continuo y una cámara digital comercial para tomar una secuencia de imágenes en color de la columna (Fig. 2). Para estas fotografías, seleccionamos una velocidad de obturación lenta (1/50 s) para inducir el desenfoque de movimiento de las partículas en regiones localizadas de estructuras de flujo similares a chorros de alta velocidad que transportan la columna hacia arriba desde el recipiente. La naturaleza inestable y dinámica de la columna es particularmente evidente en la Película T1.

Fotografías de la columna de aerosol iluminada a \(t=\) 2,8, 4,4 y 6,4 s (indicadas con líneas de puntos en la Fig. 1D) después del inicio de la descarga. Para estas imágenes y para Movie S1, utilizamos un láser de onda continua y una cámara a color comercial; Las imágenes muestran la columna iluminada tal como aparece ante el ojo humano en el laboratorio.

Para recopilar datos cuantitativos sobre la ubicación y el movimiento de las partículas de aerosol, utilizamos un láser pulsado y un par de cámaras científicas sCMOS para obtener imágenes de la luz dispersada por las partículas. En este caso, el tiempo de exposición de la imagen (velocidad de obturación efectiva) se establece mediante la duración del pulso del láser (5 ns), lo que da como resultado imágenes nítidas con <0,02 píxeles de desenfoque de movimiento. Estudios anteriores han demostrado que los recuentos de partículas de aerosol se correlacionan con los niveles de patógenos en la columna18, por lo que también se espera que la intensidad de la luz dispersada en nuestras imágenes se correlacione con los niveles potenciales de patógenos. Para una resolución espacial mejorada (250 \(\mu\)m), cada cámara captura regiones separadas, pero ligeramente superpuestas, de la columna; las dos imágenes se unen para formar una única imagen de 0,57 m de ancho \(\times\) y 1,23 m de alto que alcanza 1,59 m sobre el suelo.

Para mapear la evolución espacial de la columna de aerosol inducida por la descarga (Fig. 3), utilizamos una técnica de umbral de intensidad para calcular las envolturas de la pluma en diferentes momentos de la secuencia de descarga, donde los tiempos indicados corresponden al ciclo de descarga en la Fig. 1D. La envolvente calculada (representada en negro) demarca el límite del frente de aerosoles que avanza. La intensidad de las partículas fotografiadas se representa en verde para lograr coherencia visual con las fotografías en color de la Fig. 2. La columna se expulsa hacia arriba y hacia atrás, hacia la pared detrás del inodoro, y la mayor concentración de partículas se produce dentro de estructuras en forma de chorro en el interior. región de la envoltura. En t = 4,5 s, la columna incide en la pared trasera impermeable, impidiendo el movimiento hacia atrás y mejorando el movimiento vertical. El movimiento de la columna es caótico y turbulento, como lo demuestra la naturaleza compleja y fractal de la envoltura, con frecuentes incursiones de aire libre de aerosoles que se infiltran hacia el interior de la columna. La envoltura de la columna de la imagen se eleva a una altura de más de 1,3 m en 7,5 s. Pruebas repetidas revelan variaciones de la envolvente de un color a otro (la física caótica es sensible a pequeñas diferencias en las condiciones iniciales), pero las características de la pluma a gran escala son consistentes. En tiempos superiores a 8 s, la propagación y dilución de la columna con el aire circundante limita nuestra capacidad de obtener imágenes directas de un mayor crecimiento de la columna. Para demostrar que la columna crece y persiste durante tiempos > 8 s, utilizamos un instrumento de conteo de partículas en el aire más sensible, como se analiza a continuación.

Distribución espacial y crecimiento de columnas de aerosoles a lo largo del tiempo. Secuencia de tiempo a intervalos de 1 s de columnas de aerosol instantáneas inducidas por descarga que muestran un crecimiento rápido y persistente. Cada panel muestra la intensidad de las partículas fotografiadas (mapa de colores verde) y las envolturas de la pluma calculadas (regiones negras), donde los tiempos indicados corresponden a la secuencia de descarga en la Fig. 1D. La forma compleja del límite envolvente se debe al campo de flujo turbulento y caótico inducido por la descarga del inodoro. Las dos ubicaciones "Loc 1" y "Loc 2" indicadas en el primer panel corresponden a ubicaciones donde se toman mediciones de partículas ópticas, como se muestra en la Fig. 5.

Para cuantificar la magnitud, dirección y estructura del flujo de aire inducido por el flujo que transporta la columna de aerosol, utilizamos velocimetría de imagen de partículas (PIV)30, 31 para calcular campos de velocidad instantánea dentro de las envolturas de la columna (Fig. 4). La dirección y magnitud de la velocidad están representadas por la orientación y longitud de las flechas negras. Para mayor claridad, la magnitud de la velocidad también se indica mediante la superposición del mapa de colores. Los aerosoles fotografiados sirven como partículas de siembra efectivas para PIV, lo que da como resultado campos de velocidad calculados con incertidumbres generalmente <5%. El flujo es sorprendentemente enérgico y caótico, y exhibe un fuerte comportamiento similar a un chorro con velocidades de 1 m/s o más (regiones rojas en los dos primeros paneles) que oscilan de manera impredecible durante los primeros 6 segundos del ciclo de descarga. Las velocidades instantáneas superan con creces las velocidades del flujo ambiental en el laboratorio (10-15 cm/s) y ocasionalmente superan los 2 m/s. Las velocidades grandes, no uniformes e inestables transportan y dispersan eficientemente los aerosoles expulsados ​​del recipiente durante la descarga.

Campos de flujo turbulento responsables del transporte de columnas de aerosoles. Secuencia temporal de velocidades instantáneas inducidas por el flujo calculadas a partir de pares de imágenes de partículas usando PIV para la misma secuencia de flujo que se muestra en la Fig. 3. La dirección del flujo se indica dentro de las envolturas de la pluma mediante flechas negras, y la magnitud de la velocidad se indica mediante la longitud de la flecha y también por la mapa de colores. Los campos de velocidad turbulenta exhiben estructuras similares a chorros de alta velocidad (rojo) que oscilan rápidamente durante la descarga. El mapa de colores de la magnitud de la velocidad comienza en 0,125 m/s, que es típico de las velocidades de flujo ambiental en el laboratorio donde se realizaron las mediciones.

Para comprender el potencial de las columnas de inodoro de exponer a los humanos a patógenos en aerosoles, utilizamos un contador óptico de partículas para medir el tamaño y la cantidad de partículas de aerosol expulsadas por el ciclo de descarga10, 11, 17. Las mediciones se realizan en tres ubicaciones (Fig. 5A ): Las ubicaciones 1 y 2 están sobre el recipiente (y también se muestran como referencia en la Fig. 3), mientras que la ubicación 3 está más alejada de la pared trasera. Para ver el efecto del ciclo de lavado sobre las partículas en cada ubicación, medimos el recuento de partículas en tres intervalos de tiempo (Fig. 5B): un intervalo previo al lavado (barras grises), uno que comienza inmediatamente después del empuje (barras rojas) y uno que esté centrado a 60 s después del lavado (barras azules). Los recuentos de partículas se agruparon en tres grupos de tamaños: \(0.2\ \mu \text {m}\le d\le 0.3\ \mu\)m, \(0.3\ \mu \text {m} < d \le 1.0\ \mu\)m, y \(1.0\ \mu \text {m} < d \le 2.5\ \mu\)m; la mayoría de las partículas estaban en los dos contenedores más pequeños. Sobre el recipiente (Loc 1 y Loc 2), los recuentos de partículas aumentaron aproximadamente en un orden de magnitud o más dentro de los 30 s posteriores al inicio de la descarga, y los recuentos disminuyeron después. Más lejos (Loc 3), el aumento del recuento de partículas es más modesto pero permanece constante durante ambos intervalos de tiempo posteriores al lavado.

Tamaño y número de partículas de aerosol eyectadas. (A) Se utiliza un contador de partículas en el aire para tomar mediciones de partículas en los lugares indicados; Las ubicaciones 1 y 2 también se muestran como referencia en la Fig. 3. La figura humana proporcionada a escala mide 1,62 m de altura, lo que corresponde a la altura promedio de una mujer adulta estadounidense. (B) Los recuentos de partículas se promedian en los intervalos indicados de 37 s, un prelavado (barras grises) y dos post-lavado (barras rojas y azules). (C) Los resultados del contador de partículas se agrupan en tres categorías de tamaño para cada una de las tres ubicaciones. Las barras del histograma representan el promedio de cinco réplicas y los contenedores de tamaño enumerados corresponden a \(0.2\ \mu \text {m}\le d\le 0.3\ \mu\)m, \(0.3\ \mu \text { m} < d \le 1.0\ \mu\)m, y \(1.0\ \mu \text {m} < d \le 2.5\ \mu\)m.

Nuestros resultados demuestran el crecimiento sorprendentemente enérgico y rápido de las columnas de aerosol de un inodoro comercial y resaltan la naturaleza caótica de la cinemática del fluido que transporta las partículas. La rápida propagación de la columna se ve facilitada por un fuerte chorro inestable que se inclina hacia arriba y hacia atrás, hacia la pared trasera; este chorro es visible en el primer cuadro de las Figs. 2 y 4, y particularmente en Movie T1. Los futuros diseños de inodoros que reduzcan la fuerza de este chorro (o alteren su trayectoria ascendente) podrían reducir la cantidad de aerosoles expulsados.

Para nuestros experimentos, el recipiente contenía sólo agua del grifo sin sólidos presentes. La presencia de materia fecal y papel higiénico podría alterar la dinámica de la columna de manera impredecible. Los experimentos se realizan en el centro de un espacio de laboratorio ventilado de 300 \(\text {m}^3\) sin particiones, por lo que los aerosoles medidos probablemente se dispersan y diluyen más rápidamente de lo que se observaría en un baño o retrete público típico. .

Si bien las mediciones tradicionales de contador de partículas en el aire, como las que se muestran en la Fig. 5, son efectivas para cuantificar el tamaño y la cantidad de partículas expulsadas (y, por lo tanto, son críticas para cuantificar la exposición potencial a patógenos), proporcionan poca comprensión de cómo las partículas salen del recipiente, qué caminos siguen. y cómo llegan a los lugares de conteo de partículas. Las metodologías que utilizamos para visualizar y cuantificar la estructura de la pluma podrían proporcionar una base para mitigar el riesgo de propagación de patógenos, al facilitar estudios comparativos de nuevos ciclos de válvulas de descarga y geometrías de cuencos, y para cuantificar las trayectorias de las partículas y los tiempos de vuelo en el contexto de la exposición humana. y prueba de estrategias de desinfección.

Para medir las columnas de aerosol del inodoro en nuestro laboratorio, utilizamos un inodoro comercial con una válvula estilo fluxómetro común de 1,6 galones por descarga, típica de las que se encuentran en los baños públicos de América del Norte. El inodoro está equipado con un asiento comercial en posición "abajo" pintado de negro mate para minimizar los reflejos del láser. No hay tapa instalada en el inodoro, como ocurre con la mayoría de las instalaciones de inodoros comerciales. La parte trasera del inodoro linda con una pared sólida; la válvula fluxómetro y las tuberías asociadas están detrás de esta pared.

Una bomba eléctrica llena un tanque de agua de 14 galones con un sistema interno de vejiga de aire precargado; la bomba está configurada para apagarse cuando la presión del tanque alcanza 60 psi, momento en el cual el inodoro está listo para ser descargado (la válvula fluxómetro tiene una presión de suministro recomendada entre 10 y 100 psi). El tanque está conectado a la entrada del fluxómetro y el ciclo de descarga se inicia mediante un botón remoto que activa un solenoide en la válvula del fluxómetro. Durante el lavado, la presión en el tanque cae de tal manera que la presión de suministro en t = 7,5 s (paneles finales en las Figs. 3 y 4) ha caído a 45 psi. Después del ciclo de lavado y la adquisición de datos, la bomba se activa para restablecer la presión del tanque a 60 psi. Los experimentos se realizan en un espacio de laboratorio abierto y confiamos en el sistema HVAC del laboratorio para ventilar las partículas generadas entre experimentos.

Para capturar imágenes en color (Figs. 2 y 6) y video (Película S1) de la columna de aerosol, utilizamos un láser de onda continua (CW) (IPG Photonics GLR-50, longitud de onda de 532 nm, que opera a un nivel de potencia de 11 W. ) para iluminar un plano vertical alineado con el eje de simetría del inodoro. La óptica de lámina de luz distribuye el haz en una lámina con una cintura de haz de 2 mm centrada en el campo de visión (FOV). Se captura una imagen de la dispersión de la luz láser por partículas de aerosol con una cámara Sony (a6300) equipada con una lente Sony de 50 mm f/1,8. Las imágenes fijas se adquieren con una velocidad de obturación de 1/50 s y una resolución de 4000 x 6000 píxeles, y los vídeos se adquieren a 60 fps con una velocidad de obturación de 1/60 s y una resolución de 1920 \(\times\) 1080 píxeles.

Si bien nuestra técnica de imágenes es más efectiva para obtener imágenes de la ubicación y el movimiento de aerosoles más grandes (5-10 \(\mu\)m) que dispersan más luz, el posprocesamiento de las imágenes para aumentar el brillo y reducir el contraste (Fig. 6) demuestra que también es capaz de capturar la luz más tenue dispersada por aerosoles más pequeños, y que las partículas más pequeñas se mueven dentro de la misma envoltura que las más grandes.

Las partículas fotografiadas son buenos indicadores de la envoltura de la pluma. (A) El tercer panel de la columna (t = 6,4 s) de la Fig. 2 se reproduce aquí como referencia y muestra la ubicación y el movimiento de partículas más grandes. (B) Imagen ampliada de la región indicada por el cuadro rojo en la parte A, posprocesada para aumentar la exposición y disminuir el contraste. Esto hace visible la luz más tenue de las partículas más pequeñas y demuestra que las partículas más pequeñas (resplandor verde) se predicen bien por las ubicaciones de las partículas más grandes (representadas como puntos de luz discretos). También son visibles en la parte inferior izquierda varias gotas grandes que siguen trayectorias balísticas y están fuera de la envoltura de la columna de aerosol.

Para cuantificar la evolución espaciotemporal y la cinemática de las columnas de aerosol inducidas por descarga (Figs. 3, 4), utilizamos un láser Nd:YAG de doble cavidad y doble pulsación (Quantel EverGreen 200, longitud de onda de 532 nm, que funciona a 200 mJ/pulso). . El láser emite pares de pulsos (\(dt=\) 2,25 ms), cada uno con un ancho de pulso de 5 ns. Los pares de pulsos se repiten a 15 Hz. Al igual que con el láser CW, utilizamos ópticas de lámina para crear una lámina de luz de 2 mm que abarca el campo de visión. Las imágenes se adquieren utilizando dos cámaras sCMOS (LaVision Imager sCMOS; monocromática de 16 bits, resolución de 2160 \(\times\) 2560 píxeles) equipadas con lentes Nikkor 50 mm f/1.2. Las cámaras se apilan verticalmente (Fig. 1C), con el eje largo de los sensores orientado verticalmente y apuntado de manera que haya una superposición del 15% en el campo de visión de cada cámara; esto permite unir imágenes individuales para proporcionar un campo de visión combinado (0,57 m de ancho \(\times\) 1,23 m de alto) que es lo suficientemente grande como para capturar toda la columna del inodoro durante los primeros 8 segundos después del inicio de la descarga, con una resolución espacial de 260 \(\mu\)m/píxel. La estrecha profundidad de campo asociada con la apertura de la lente f/1.2, junto con la delgada lámina de luz y los pulsos de iluminación de 5 ns, permiten obtener imágenes selectivas de la luz dispersada de los aerosoles dentro de las láminas para el cálculo posterior de las envolturas de la pluma y las velocidades de los aerosoles.

Se utiliza un gran objetivo de calibración espacial que consiste en una cuadrícula cuadrada de alto contraste que cubre todo el campo de visión del conjunto de cámaras combinado (i) para calcular el aumento óptico del sistema de imágenes, (ii) para hacer referencia a los datos de la imagen con la geometría del inodoro en espacio físico, y (iii) asignar cada cámara a un punto común en el espacio físico, permitiendo la unión precisa de los dos FOV individuales en una única imagen de datos que cubra el FOV total resuelto. La geometría conocida de la cuadrícula en la placa de calibración también se utiliza para crear un modelo estenopeico32 para corregir la distorsión de las imágenes de la cámara individual, corrigiendo posibles distorsiones de la imagen asociadas con pequeños ángulos de imagen oblicuos y/o distorsiones de la lente. El modelo estenopeico es apropiado para nuestra configuración de imágenes planas con acceso óptico sin perturbaciones a través del aire. La incertidumbre estimada en los datos de la imagen reconstruida/combinada es inferior a 0,5 px.

Se adquieren pares de imágenes muy espaciadas (separación de 2,25 ms) de cada cámara a una velocidad de 15 Hz durante los eventos de descarga. Las imágenes se utilizan para cuantificar la evolución espaciotemporal de la envoltura de la pluma (Fig. 3) y para calcular las velocidades de los aerosoles (Fig. 4) utilizando velocimetría de imágenes de partículas30, 31, 33. Todas las secuencias de sincronización de láser y cámara y la adquisición, almacenamiento y adquisición de imágenes asociadas. y el procesamiento se logran en una computadora de alto rendimiento que ejecuta el software DaVis 10.2 (LaVision GmbH).

Para la resolución de 260 \(\mu\)m/píxel de nuestro sistema óptico (descrita anteriormente), las partículas de aerosol individuales (0,1 \(\mu\)m - 10 \(\mu\)m) son sólo una pequeña fracción de el tamaño de la imagen de un píxel individual. Sin embargo, para nuestro sistema óptico de bajo aumento, la difracción de apertura34, 35 hace que el tamaño de la imagen de estas partículas de aerosol aumente hasta al menos un mínimo teórico de aproximadamente 0,25 píxeles, independientemente de su tamaño físico. Luego, las aberraciones de las lentes aumentan aún más el tamaño mínimo teórico de difracción hasta en un orden de magnitud, particularmente para sistemas con grandes distancias de trabajo (> 1 m), como es el caso del nuestro (\(\approx\) 2 m). La digitalización y cuantificación de la señal de imagen continua de partículas en una cuadrícula de píxeles discreta también puede ampliar el tamaño de partícula registrado. Por lo tanto, se espera que las partículas de aerosol individuales produzcan manchas de varios píxeles o más de diámetro. Además, dado que el tamaño real de las partículas de aerosol individuales es minúsculo en comparación con la resolución de píxeles de nuestro sistema, es razonable esperar que la luz captada por un solo píxel se deba a un gran número de partículas, todas las cuales contribuyen a la intensidad de la imagen en ese punto. De acuerdo con estos argumentos, nuestras imágenes grabadas exhiben imágenes de partículas fuertes con diámetros típicos \(d_D\) de 1,5 a 4 píxeles (consulte la sección PIV a continuación). El resultado es que las fuertes imágenes multipíxel de partículas (o incluso de grandes cantidades de partículas) son muy adecuadas para mapear instantáneamente la envoltura espacial de la columna de aerosol (Fig. 3) y calcular las velocidades de los aerosoles (Fig. 4). Sin embargo, las mismas propiedades ópticas que hacen que el sistema óptico sea adecuado para estas tareas impiden su uso para contar y dimensionar aerosoles individuales. Por esta razón, el recuento y el tamaño se realizan por separado con el contador de partículas en el aire (Fig. 5).

La extensión espacial de la envoltura de la columna de aerosol se calcula a partir de datos de imágenes utilizando un algoritmo simple de procesamiento de imágenes de dos pasos comúnmente utilizado en aplicaciones PIV para delinear regiones sembradas y no sembradas. Primero, se aplica un filtro máximo deslizante para rellenar regiones de baja intensidad de píxeles entre imágenes de partículas individuales. Con una selección adecuada de la longitud del filtro, el efecto es aumentar y homogeneizar las intensidades de los píxeles dentro de la envolvente de la pluma con un efecto mínimo en las regiones fuera de la pluma. Luego se utiliza un umbral de intensidad global para identificar las regiones dentro y fuera de la pluma (ya que las intensidades de píxeles más altas corresponden más notablemente a la presencia de penachos de aerosoles, así como al tamaño y la densidad local de los aerosoles). Si bien los grandes cambios en los parámetros de sintonización producen artefactos locales (por ejemplo, vacíos internos injustificados o suavizado excesivo del perímetro), la forma general y la extensión espacial de la columna son generalmente sólidas para una variedad de parámetros de sintonización.

La velocimetría de imagen de partículas (PIV) se utiliza para calcular las velocidades de los aerosoles dentro de la envoltura de la pluma detectada33. Aquí, cada cámara sCMOS adquiere datos de imagen de doble cuadro, donde se adquieren pares de imágenes a la frecuencia de imagen de 15 Hz, lo que establece la resolución temporal de las mediciones de velocidad. El par de imágenes en sí está separado por un corto tiempo dt, la escala de tiempo de correlación cruzada del análisis PIV. Un dt casi óptimo da como resultado desplazamientos máximos de la imagen de partículas de aproximadamente 8 a 10 px para una subventana de correlación de 32 px (la “regla de 1/4” de 37) basada en el aumento óptico del sistema de imágenes y las velocidades físicas asociadas con las partículas. . Aquí, un dt de 2,25 ms (establecido por el retardo de tiempo entre pares de pulsos láser) es efectivo para resolver las altas velocidades (1 - 2 m/s) asociadas con el fuerte chorro vertical que se desarrolla temprano en el ciclo de descarga (Fig. 3). ) y minimizando la incertidumbre de velocidad asociada.

El nivel de señal de las partículas en relación con el fondo (recuentos de intensidad), la densidad de siembra de partículas (partículas por píxel) y el diámetro de la imagen de las partículas (píxeles) influyen fuertemente en el rango de velocidad dinámica (DVR) resuelto36. Nuestra configuración de imágenes produce niveles de señal (después de la resta de fondo) de 8 a 10 bits, lo que garantiza una buena fidelidad de las partículas y fuertes correlaciones de intensidad. Las densidades de siembra están determinadas por la densidad local de las nubes de aerosol que evoluciona espacio-temporalmente (y las limitaciones de la resolución del sistema de imágenes descritas anteriormente) y normalmente oscilan entre 0,001 y 0,02 ppp dentro de la envoltura de la pluma. Estas densidades abarcan el valor comúnmente aceptado de 0,01 ppp, suficiente para proporcionar fuertes picos de correlación cruzada y niveles de incertidumbre aceptables. Finalmente, los diámetros típicos de imágenes de partículas de \(d_D=\) 1,5 a 4 px son suficientes para aliviar los efectos de "bloqueo de picos" (desplazamientos de píxeles enteros) al implementar técnicas de correlación de desplazamiento de ventanas como se describe a continuación38. Primero se preprocesan los conjuntos de imágenes para eliminar artefactos de fondo y mejorar la fidelidad de las partículas. Luego, los campos de desplazamiento (velocidad) de los aerosoles se calculan utilizando técnicas modernas de interrogación y correlación digital que se describen a continuación. El preprocesamiento de imágenes, los análisis de correlación PIV y el posprocesamiento de vectores se logran en una computadora de alto rendimiento que ejecuta el software DaVis 10.2 (LaVision GmbH).

Los campos de velocidad de los aerosoles (Fig. 4) se calculan a partir de pares de imágenes mediante correlación cruzada de patrones de intensidad dentro de pequeñas subventanas de interrogación dentro de las envolturas de la columna detectadas. Se utilizan las mejores prácticas para maximizar la medición del DVR, incluidos esquemas iterativos de múltiples pasadas con subventanas superpuestas (50% - 70%) de tamaños decrecientes (96 px - 32 px), adaptadas a las condiciones de flujo locales. Los campos vectoriales resultantes luego se procesan posteriormente utilizando una relación máxima de correlación mínima impuesta (1.4) para detectar valores atípicos y vectores ruidosos, que se descartan. La relación de picos es la relación entre el pico de correlación más fuerte y el siguiente más fuerte en una ventana de interrogación determinada, y se correlaciona bien con el error de medición estimado39, lo que proporciona un indicador del DVR efectivo de la medición. Finalmente, cualquier espacio vacío en los campos vectoriales posprocesados ​​se llena mediante interpolación espacial y se suaviza de forma no lineal para preservar los gradientes locales. El campo vectorial resultante llena el espacio dentro de la envoltura de la pluma con una resolución espacial de 2,08 mm/vector. Las incertidumbres típicas de la velocidad local máxima son menos del 5% de la magnitud de la velocidad local y rara vez se acercan al 10% (estimado utilizando estadísticas de correlación40). Las relaciones de pico correspondientes que normalmente exceden 10 en toda la envoltura de la pluma confirman el alto DVR y la buena fidelidad de las mediciones de la velocidad del aerosol.

En las aplicaciones PIV tradicionales, las partículas con un número de Stokes bajo se introducen en el flujo como trazadores pasivos (“partículas de siembra”), mientras que aquí utilizamos los propios aerosoles para que sirvan como trazadores naturales. Los números de Stokes (St = relación entre las escalas de tiempo inerciales de las partículas y las escalas de tiempo de advección del flujo) de partículas de 1 micrón en las porciones de mayor velocidad de la columna (alrededor de 1 m/s) son O(1). Si bien los aerosoles más grandes, de alrededor de 10 micrones, exhiben un St más alto en estas regiones, las velocidades predominantemente verticales asociadas con el fuerte chorro sugieren que las nubes de aerosoles de los tamaños de interés aquí (0,1 - 10 micrones) se comportan aceptablemente como trazadores pasivos. La implicación de todo lo anterior para la velocidad basada en PIV es la siguiente: los vectores de velocidad individuales representan la velocidad media promediada sobre pequeñas nubes de aerosoles (que producen imágenes de partículas individuales en el sensor) y sobre colecciones de nubes de aerosol discretas (que producen todas las imágenes de partículas contenidas en una subventana de interrogación PIV).

Como métrica para la duración e intensidad de la descarga, adquirimos niveles de presión sonora con ponderación de frecuencia dB(A) utilizando un teléfono inteligente Google Pixel 3 con una aplicación móvil precalibrada (Decibel X, SkyPaw Co., Ltd.). Se registran veinte réplicas de un intervalo de 12 segundos que rodea el ciclo de descarga, donde \(t=0\) corresponde al momento en que se presiona el botón de descarga. El perfil de presión sonora promedio que se muestra en la Fig. 1D se suaviza con un B-spline cúbico, reduciendo la resolución en un factor de 10 para capturar la forma característica. Se aplicó una segunda spline con el número original de muestras para suavizar.

El recuento de partículas se realiza con un contador de partículas portátil en el aire (Sistemas de medición de partículas HandiLaz Mini II) suspendido en las ubicaciones que se muestran en la Fig. 5A. El contador es sensible a partículas que varían en tamaño desde \(0,2\ \mu\)m (d50) hasta \(10\ \mu\)m, y genera recuentos en 60 contenedores discretos espaciados logarítmicamente en este rango. Para mayor claridad, agrupamos los recuentos de partículas del instrumento en los tres contenedores más amplios que se muestran en la Fig. 5; Los tamaños de partículas mayores que \(2,5\ \mu\)m no se muestran ya que estos recuentos eran cercanos a cero. El contador ingiere 2,83 litros/min y la boquilla está orientada hacia abajo, ya que la columna generalmente llega desde abajo. Para cada ubicación, las partículas se cuentan en tres intervalos de 37 s (Fig. 5B). Cada intervalo consta de cinco muestras de 5 segundos separadas por períodos de 3 segundos cuando los datos se escriben en el almacenamiento. La sincronización de los intervalos en la ubicación 3 difiere ligeramente de los de las ubicaciones 1 y 2 debido a diferencias de fase en el muestreo discreto del instrumento. Se adquieren cinco réplicas, con las desviaciones estándar aritméticas y promedio informadas en la Fig. 5C.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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A. Adams ayudó con los experimentos de visualización del penacho. Agradecemos a Cresten Mansfeldt por brindar comentarios sobre un borrador del manuscrito.

Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectónica, Universidad de Colorado, Boulder, CO, 80309, EE. UU.

John P. Crimaldi, Aaron C. True, Karl G. Linden, Mark T. Hernandez, Lars T. Larson y Anna K. Pauls

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JC y KL conceptualizaron el estudio; AT, JC y MH contribuyeron con metodologías experimentales; JC, AT, MH, LL y AP adquirieron datos experimentales; En los datos analizados; JC y AT escribieron el borrador original. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a John P. Crimaldi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Información complementaria 2.

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Reimpresiones y permisos

Crimaldi, JP, True, AC, Linden, KG et al. Los sanitarios comerciales emiten columnas de aerosol enérgicas y de rápida propagación. Representante científico 12, 20493 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24686-5

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Recibido: 21 de septiembre de 2022

Aceptado: 18 de noviembre de 2022

Publicado: 08 de diciembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24686-5

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