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Madival, … Arindam GhatakZhengyu Yang, Bingqiang Ji, … Jie FengAbba Abdulhamid Abubakar, Bekir Sami Yilbas, … Ammar AlzaydiSima Asadi, Anthony S. Wexler, … William D. RistenpartScientific Reports Band 12, Artikelnummer: 20493 (2022 ) Diesen Artikel zitierenAerosole können Infektionskrankheiten wie SARS-CoV-2, Influenza und Norovirus übertragen.Gespülte Toiletten setzen Aerosole frei, die in Fäkalien enthaltene Krankheitserreger verbreiten, aber über die raumzeitliche Entwicklung dieser Schwaden oder die Geschwindigkeitsfelder, die sie transportieren, ist wenig bekannt.Unter Verwendung von Laserlicht, um ausgestoßene Aerosole zu beleuchten, quantifizieren wir die Kinematik von Schwaden, die aus einer kommerziellen Toilette mit Spülzähler austreten, und verwenden die Bewegung von Aerosolpartikeln, um Geschwindigkeitsfelder der zugehörigen Strömung zu berechnen.Die Toilettenspülung erzeugt einen starken chaotischen Strahl mit Geschwindigkeiten von über 2 m/s;Dieser Strahl transportiert Aerosole innerhalb von 8 Sekunden nach dem Auslösen einer Spülung in Höhen von bis zu 1,5 m.Die Quantifizierung von Toilettenschwaden und der damit verbundenen Strömungsgeschwindigkeiten bietet eine Grundlage für zukünftige Designstrategien, um die Schwadenbildung zu mindern oder darin enthaltene Krankheitserreger zu desinfizieren.Das Spülen einer Toilette erzeugt eine energische turbulente Strömung, die Tröpfchen und Aerosole in die Luft freisetzt1,2,3,4 und eine Höhe von mehr als 1,5 m5 erreicht in Szenarien, die ein erhöhtes Risiko einer durch Aerosole und Keime vermittelten Krankheitsübertragung durch Fäkalien darstellen6,7, 8,9.Die größten Tröpfchen setzen sich innerhalb von Sekunden ab, aber kleinere Aerosole (\(<5\\mu\) m) bleiben in der Schwebe10, 11. Das Vorhandensein von Krankheitserregern an den Seitenwänden der Toilettenschüssel oder im Schüsselwasser trägt zur Kontamination der Aerosole4 und zur Kontamination von bei Schüsselwasser kann nach Dutzenden von Spülungen bestehen bleiben12, 13. Bioaerosolkonzentrationen, die von einer Toilette mit Spülung freigesetzt werden, variieren je nach Art der Toilette14, 15, Belüftungsleistung16, radialer Position um die Schüssel17, Druckniveau der Wasserversorgung18 und dem Vorhandensein von Fäkalien11.Während das Wachstum der Aerosolfahne durch das Vorhandensein eines geschlossenen Deckels reduziert – aber nicht eliminiert – wird2, 10, 19, haben Toiletten in öffentlichen, kommerziellen oder medizinischen Einrichtungen normalerweise keine Deckel.Während frühere Studien dokumentieren, wo Toilettenaerosole landen, ist nur sehr wenig über die Physik und Kinematik bekannt, wie sie dorthin gelangen.Während viele epidemiologische Assoziationen mit fäkal-oralen Hygienekontexten gut etabliert sind, fehlen ihre Aerosol-Gegenstücke.Die Exposition der Atemwege gegenüber luftübertragenen Mikroben in sanitären Einrichtungen war ein Schwerpunkt der öffentlichen Gesundheit, da die Verfügbarkeit geschlossener öffentlicher Toiletten mit der Urbanisierung zunahm.Obwohl quantitative Risikobewertungen in diesem Hygienekontext erstellt wurden20, erfordert ihre praktische Anwendung die Eigenschaften der Emissionsquelle sowie die zeitaufgelöste Identität, Verteilung, Häufigkeit und spezifische Persistenz potenzieller Krankheitserreger, die in lungengängigen Größenbereichen aerosolisiert werden21.Aerosolexpositionen im Sanitärbereich sind akut und stark vom Verhalten der Insassen abhängig, was die Bewertung der Atemwegsrisiken in beengten Toilettenumgebungen zusätzlich erschwert.Die Risiken im Zusammenhang mit der Übertragung von Atemwegs- und Darmviren durch die Benutzung öffentlicher Toiletten aufgrund von kontaminierten Aerosolen aus der Toilettensäule, schwebenden Aerosolen von früheren Benutzern oder der Übertragung über häufig berührte Oberflächen sollten nach Möglichkeit verringert werden4, 22, 23. SARS-CoV-2 Es wurde gezeigt, dass andere Viren mehrere Tage auf Oberflächen überleben24,25,26, und Darmbakterien – potenziell pathogene und andere – wie C. difficile werden beim Spülen aerosolisiert und lagern sich anschließend als potenzielle Keime auf lokalen architektonischen Oberflächen ab10.Das derzeitige Wissen über Aerosolschwaden von Toiletten stammt hauptsächlich aus diskreten Messungen von luftgetragenen und abgesetzten Partikelkonzentrationen.Das Wissen über die Kinematik der Toilettenfahne beschränkt sich auf Hochgeschwindigkeitsvideos von großen ausgestoßenen Tröpfchen in unmittelbarer Nähe der Schüssel8, qualitative Visualisierung einer Trockeneisfahne aus einer Flugzeugtoilette27 und numerische Simulationen von Strömungsgeschwindigkeiten und ausgestoßenen Partikeln innerhalb eines idealisierten Toilettenmodells15.Zeitaufgelöste Vollfeldmessungen der raumzeitlichen Schwadendynamik – einschließlich der Luftströmungsgeschwindigkeitsfelder – fehlen und sind entscheidend für die Entwicklung und Erprobung zukünftiger Designstrategien, um die Exposition des Menschen durch Schwadenbildung zu mindern und Krankheitserreger zu desinfizieren, die von den Schwaden getragen werden28, 29 und Verbesserung der Entfernung von Schwaden durch Belüftung20.Zur Visualisierung und Quantifizierung der Aerosolwolkenkinematik über einer handelsüblichen Toilette vom Typ eines Flushometers, die typisch für die in Nordamerika verwendeten ist (Abb. 1A), verwenden wir kontinuierliche und gepulste Laser, um ein dünnes Lichtblatt (Abb. 1B) zu erzeugen, das eine vertikale Ebene beleuchtet auf der Mittellinie der Toilette.Wenn die Toilette gespült wird, streut die entstehende Aerosolwolke Licht, das von der Seite mit Kameras abgebildet wird (Abb. 1C).Die Toilettenspülsequenz beginnt mit einem ferngesteuerten Tastendruck, der ein Magnetventil am Spülzähler aktiviert, wodurch Speisewasser in das Spülzählerventil eintreten kann (in öffentlichen Toiletten erfolgt diese Aktivierung häufig durch einen optischen Bewegungssensor).Spülwasser, das in die Schüssel eintritt, erzeugt eine energische turbulente Strömung mit einer vertrauten hörbaren Signatur.Wir verwenden Schalldruckpegel, die von einem Geräuschmesser in der Nähe der Schüssel gemessen werden, als Maß für die Stärke und Dauer des Spülzyklus (Abb. 1D).Der Spülvorgang dauert ca. 5,5 Sekunden nach dem Drücken der Taste (\(t=\) 0), wobei die meiste Spülenergie für \(0,56\) s aufgezeichneten Geräusches ist mit dem Nachfüllen der Schüssel nach der Spülung verbunden.Laborbeleuchtung und Bildgebung von strömungserzeugten Aerosolfahnen.(A) Laborexperiment mit einer kommerziellen Toilette vom Flushometer-Typ (1,6 Gallonen pro Spülung).Für alle Experimente enthält und wird die Toilette mit reinem Leitungswasser ohne Feststoffe oder Zusätze gespült.Das Spülventil (hinter der Rückwand) wird von einer 60 psi-Versorgung gespeist und über einen Druckknopf elektrisch aktiviert.(B) Wir verwenden kontinuierliche und gepulste Laser, um ein dünnes Lichtblatt zu erzeugen, das die Wolke in einer vertikalen Ebene über der Mittellinie der Schüssel beleuchtet.(C) Laserlicht, das während und nach dem Spülzyklus von Aerosolpartikeln gestreut wird, wird von Kameras abgebildet.(D) Zeitverlauf der Spülzyklusstärke und -dauer unter Verwendung durchschnittlicher Schalldruckpegel in der Schüssel (rote Linie) von 20 Spülwiederholungen (graue Linien) als Metrik.Der Zeitpunkt t = 0 entspricht dem Zeitpunkt, an dem die Spültaste gedrückt wird.Um die Struktur der beleuchteten Aerosolwolke im Labor so zu demonstrieren, wie sie für das menschliche Auge sichtbar ist, haben wir mit einem kontinuierlichen Laser und einer handelsüblichen Digitalkamera eine Folge von Farbbildern der Wolke aufgenommen (Abb. 2).Für diese Fotos haben wir eine langsame Verschlusszeit (1/50 s) gewählt, um eine Bewegungsunschärfe von Partikeln in lokalisierten Bereichen von strahlähnlichen Hochgeschwindigkeitsströmungsstrukturen zu induzieren, die die Wolke aus der Schüssel nach oben transportieren.Die instabile und dynamische Natur der Wolke ist besonders deutlich in Film S1.Fotografien der beleuchteten Aerosolfahne bei \(t=\) 2,8, 4,4 und 6,4 s (in Abb. 1D mit gestrichelten Linien angegeben) nach Spülbeginn.Für diese Bilder und für Movie S1 haben wir einen Dauerstrichlaser und eine handelsübliche Farbkamera verwendet;Die Bilder zeigen die beleuchtete Wolke, wie sie dem menschlichen Auge im Labor erscheint.Um quantitative Daten über die Position und Bewegung von Aerosolpartikeln zu sammeln, verwenden wir einen gepulsten Laser und ein Paar wissenschaftlicher sCMOS-Kameras, um das von den Partikeln gestreute Licht abzubilden.In diesem Fall wird die Bildbelichtungszeit (effektive Verschlusszeit) durch die Laserpulsdauer (5 ns) bestimmt, was zu scharfen Bildern mit < 0,02 Pixel Bewegungsunschärfe führt.Frühere Studien haben gezeigt, dass Aerosolpartikelzahlen mit Krankheitserregerkonzentrationen in der Wolke korrelieren18, sodass erwartet wird, dass die Intensität des Streulichts in unseren Bildern auch mit potenziellen Krankheitserregerkonzentrationen korreliert.Für eine verbesserte räumliche Auflösung (250 \(\mu\) m) erfasst jede Kamera separate – aber leicht überlappende – Bereiche der Wolke;Die beiden Bilder werden zusammengefügt, um ein einziges 0,57 m breites \(\times\) 1,23 m hohes Bild zu bilden, das 1,59 m über den Boden reicht.Um die räumliche Entwicklung der spülinduzierten Aerosolfahne abzubilden (Abb. 3), verwenden wir eine Intensitätsschwellenwerttechnik, um Schwadenhüllkurven zu verschiedenen Zeiten in der Spülsequenz zu berechnen, wobei die angegebenen Zeiten dem Spülzyklus in Abb. 1D entsprechen.Die berechnete Einhüllende (schwarz dargestellt) markiert die Grenze der vorrückenden Aerosolfront.Die Intensität der abgebildeten Partikel ist zur visuellen Übereinstimmung mit den Farbfotografien in Abb. 2 in Grün wiedergegeben. Die Wolke wird nach oben und nach hinten in Richtung der Wand hinter der Toilette ausgestoßen, wobei die höchste Partikelkonzentration in düsenartigen Strukturen im Inneren auftritt Bereich der Hülle.Bei t = 4,5 s trifft die Wolke auf die undurchlässige Rückwand, behindert die Rückwärtsbewegung und verstärkt die vertikale Bewegung.Die Schwadenbewegung ist chaotisch und turbulent, wie die komplexe und fraktale Natur der Hülle zeigt, wobei häufig aerosolfreie Luft in das Innere der Wolke eindringt.Die abgebildete Rauchfahnenhülle steigt innerhalb von 7,5 s auf eine Höhe von über 1,3 m.Wiederholte Versuche zeigen Hüllkurvenvariationen von Flush zu Flush – die chaotische Physik reagiert empfindlich auf kleine Unterschiede in den Anfangsbedingungen – aber die großräumigen Schwadenmerkmale sind konsistent.Für Zeiten von mehr als 8 s schränken die Ausbreitung und Verdünnung der Wolke mit der Umgebungsluft unsere Fähigkeit ein, das weitere Wachstum der Wolke direkt abzubilden.Um zu demonstrieren, dass die Wolke wächst und für Zeiten > 8 s bestehen bleibt, verwenden wir ein empfindlicheres Instrument zur Zählung von Luftpartikeln, wie unten beschrieben.Räumliche Verteilung und Wachstum von Aerosolfahnen im Laufe der Zeit.Zeitsequenz in 1-s-Intervallen von spülinduzierten, sofortigen Aerosolschwaden, die ein schnelles und anhaltendes Wachstum zeigen.Jedes Panel zeigt die Intensität der abgebildeten Partikel (grüne Farbkarte) und berechnete Plume-Hüllen (schwarze Bereiche), wobei die angezeigten Zeiten der Spülsequenz in Fig. 1D entsprechen.Die komplexe Form der Umhüllungsgrenze stammt von dem turbulenten und chaotischen Strömungsfeld, das durch die Toilettenspülung induziert wird.Die beiden im ersten Feld angegebenen Orte „Loc 1“ und „Loc 2“ entsprechen Orten, an denen optische Partikelmessungen durchgeführt werden, wie in Abb. 5 gezeigt.Um die Größe, Richtung und Struktur des spülinduzierten Luftstroms zu quantifizieren, der die Aerosolfahne transportiert, verwenden wir Particle Image Velocimetry (PIV)30, 31, um momentane Geschwindigkeitsfelder innerhalb der Fahnenhüllen zu berechnen (Abb. 4).Geschwindigkeitsrichtung und -größe werden durch die Ausrichtung und Länge der schwarzen Pfeile dargestellt.Zur Verdeutlichung wird die Geschwindigkeitsgröße auch durch die Farbkartenüberlagerung angezeigt.Die abgebildeten Aerosole dienen als wirksame Impfpartikel für PIV, was zu berechneten Geschwindigkeitsfeldern mit Unsicherheiten im Allgemeinen < 5 % führt.Die Strömung ist überraschend energisch und chaotisch und zeigt ein starkes strahlartiges Verhalten mit Geschwindigkeiten von 1 m/s oder höher (rote Bereiche in den ersten beiden Abbildungen), die während der ersten 6 Sekunden des Spülzyklus unvorhersehbar oszillieren.Momentane Geschwindigkeiten übersteigen die Umgebungsströmungsgeschwindigkeiten im Labor (10-15 cm/s) bei weitem und überstiegen gelegentlich 2 m/s.Die großen, ungleichmäßigen und instabilen Geschwindigkeiten transportieren und verteilen Aerosole, die während des Spülens aus der Schüssel ausgestoßen werden, effizient.Turbulente Strömungsfelder, die für den Transport von Aerosolfahnen verantwortlich sind.Zeitfolge von spülinduzierten Momentangeschwindigkeiten, berechnet aus Partikelbildpaaren unter Verwendung von PIV für dieselbe Spülsequenz, die in Abb. 3 gezeigt ist. Die Strömungsrichtung ist innerhalb der Plume-Hüllen durch schwarze Pfeile angegeben, und die Geschwindigkeitsgröße ist durch die Pfeillänge und auch durch angegeben Farbkarte.Die turbulenten Geschwindigkeitsfelder weisen strahlartige Hochgeschwindigkeitsstrukturen (rot) auf, die während der Spülung schnell oszillieren.Die Farbkarte der Geschwindigkeitsgröße beginnt bei 0,125 m/s, was typisch für Umgebungsströmungsgeschwindigkeiten in dem Labor ist, in dem die Messungen durchgeführt wurden.Um das Potenzial von Toilettenschwaden zu verstehen, Menschen Krankheitserregern in Aerosolen auszusetzen, verwenden wir einen optischen Partikelzähler, um die Größe und Menge der Aerosolpartikel zu messen, die durch den Spülzyklus ausgestoßen werden10, 11, 17. Die Messungen werden an drei Stellen durchgeführt (Abb. 5A ): Die Positionen 1 und 2 befinden sich über der Schüssel – und sind auch als Referenz in Abb. 3 gezeigt –, während Position 3 weiter von der Rückwand entfernt ist.Um die Auswirkung des Spülzyklus auf die Partikel an jedem Ort zu sehen, haben wir die Partikelzahlen über drei Zeitintervalle gemessen (Abb. 5B): ein Vorspülintervall (graue Balken), eines, das unmittelbar nach dem Drücken beginnt (rote Balken) und eine, die bei 60 s nach der Spülung zentriert ist (blaue Balken).Partikelzählungen wurden in drei Größenklassen gruppiert: \(0.2\ \mu \text {m}\le d\le 0.3\ \mu\) m, \(0.3\ \mu \text {m} < d \le 1.0\ \mu\) m, und \(1,0\ \mu \text {m} < d \le 2,5\ \mu\) m;die meisten Partikel befanden sich in den beiden kleineren Behältern.Über der Schüssel (Loc 1 und Loc 2) stiegen die Partikelzahlen innerhalb von 30 s nach Beginn der Spülung um ungefähr eine Größenordnung oder mehr an, wobei die Zählungen danach abnahmen.Weiter entfernt (Loc 3) ist der Anstieg der Partikelzahl bescheidener, bleibt aber während der beiden Nachspülzeitintervalle konstant.Größe und Anzahl der ausgestoßenen Aerosolpartikel.(A) Ein Luftpartikelzähler wird verwendet, um Partikelmessungen an angegebenen Stellen durchzuführen;Die Positionen 1 und 2 sind ebenfalls als Referenz in Fig. 3 gezeigt. Die für den Maßstab vorgesehene menschliche Figur ist 1,62 m groß, was der durchschnittlichen Größe einer amerikanischen erwachsenen Frau entspricht.(B) Partikelzählungen werden über die angegebenen 37 s-Intervalle, eine Vorspülung (graue Balken) und zwei Nachspülungen (rote und blaue Balken) gemittelt.(C) Partikelzählerergebnisse werden für jeden der drei Standorte in drei Größenkategorien eingeteilt.Die Histogrammbalken stellen den Durchschnitt von fünf Wiederholungen dar, und die aufgelisteten Größenklassen entsprechen \(0,2\ \mu \text {m}\le d\le 0,3\ \mu\) m, \(0,3\ \mu \text { m} < d \le 1,0\ \mu\) m und \(1,0\ \mu \text {m} < d \le 2,5\ \mu\) m.Unsere Ergebnisse zeigen das überraschend energische und schnelle Wachstum von Aerosolwolken aus einer kommerziellen Toilette und unterstreichen die chaotische Natur der Fluidkinematik, die die Partikel transportiert.Die schnelle Ausbreitung der Wolke wird durch einen starken unsteten Strahl erleichtert, der nach oben und hinten zur Rückwand geneigt ist;dieser Strahl ist im ersten Bild der Abb. 11 und 12 sichtbar.2 und 4, und besonders in Movie S1.Zukünftige Toilettendesigns, die die Stärke dieses Strahls verringern – oder seine Aufwärtsbahn verändern – könnten dann die Menge der ausgestoßenen Aerosole verringern.Für unsere Experimente enthielt die Schale nur Leitungswasser ohne vorhandene Feststoffe.Das Vorhandensein von Fäkalien und Toilettenpapier könnte die Schwadendynamik auf unvorhersehbare Weise verändern.Die Experimente werden in der Mitte eines belüfteten Laborraums von 300 \(\text{m}^3\) ohne Trennwände durchgeführt, sodass gemessene Aerosole wahrscheinlich schneller verteilt und verdünnt werden, als dies in einer typischen öffentlichen Toilette oder Toilettenkabine beobachtet würde .Während traditionelle luftgetragene Partikelzählermessungen wie die in Abb. 5 gezeigten wirksam sind, um die Größe und Menge der ausgestoßenen Partikel zu quantifizieren – und daher entscheidend für die Quantifizierung einer potenziellen Pathogenexposition sind – liefern sie wenig Verständnis dafür, wie Partikel die Schüssel verlassen und welchen Pfaden sie folgen , und wie sie zu den Partikelzählstellen gelangen.Die Methoden, die wir zur Visualisierung und Quantifizierung der Schwadenstruktur verwenden, könnten eine Grundlage für die Minderung des Risikos der Ausbreitung von Krankheitserregern bilden, indem sie vergleichende Studien zu neuartigen Spülventilzyklen und Schüsselgeometrien erleichtern und Partikelpfade und Flugzeiten im Zusammenhang mit der Exposition des Menschen quantifizieren und Testen von Desinfektionsstrategien.Zur Messung von Toilettenaerosolschwaden in unserem Labor verwenden wir eine handelsübliche Toilette mit einem üblichen Spülventil mit 1,6 Gallonen pro Spülung, das typisch für die in ganz Nordamerika in öffentlichen Toiletten zu findenden Ventile ist.Die Toilette ist mit einem handelsüblichen Sitz in „unten“-Position ausgestattet, der mattschwarz lackiert ist, um Laserreflexionen zu minimieren.An der Toilette ist kein Deckel angebracht, wie es bei den meisten kommerziellen Toiletteninstallationen der Fall ist.Die Rückseite der Toilette grenzt an eine feste Wand;hinter dieser Wand befinden sich das Spülventil und die dazugehörigen Rohrleitungen.Eine elektrische Pumpe füllt einen 14-Gallonen-Wassertank mit einem internen vorgeladenen Luftblasensystem;Die Pumpe ist so eingestellt, dass sie abschaltet, wenn der Tankdruck 60 psi erreicht, an welchem ​​Punkt die Toilette gespült werden kann (das Spülventil hat einen empfohlenen Versorgungsdruck zwischen 10 und 100 psi).Der Tank ist mit dem Spülzählereinlass verrohrt, und der Spülzyklus wird über eine Fernbedienungstaste eingeleitet, die eine Magnetspule am Spülzählerventil aktiviert.Während des Spülens fällt der Druck im Tank derart ab, dass der Versorgungsdruck bei t = 7,5 s (letzte Tafeln in den Fig. 3 und 4) auf 45 psi abgefallen ist.Nach dem Spülzyklus und der Datenerfassung wird die Pumpe aktiviert, um den Tankdruck auf 60 psi zurückzusetzen.Die Experimente werden in einem offenen Laborraum durchgeführt, und wir verlassen uns auf das Labor-HLK-System, um durch Spülung erzeugte Partikel zwischen den Experimenten zu belüften.Um Farbbilder (Abb. 2 und 6) und Videos (Film S1) der Aerosolfahne aufzunehmen, verwenden wir einen Dauerstrichlaser (CW) (IPG Photonics GLR-50, 532 nm Wellenlänge, der mit einer Leistung von 11 W arbeitet ), um eine vertikale Ebene zu beleuchten, die mit der Symmetrieachse der Toilette ausgerichtet ist.Lichtblattoptiken verteilen den Strahl zu einem Blatt mit einer Strahltaille von 2 mm, die auf das Sichtfeld (FOV) zentriert ist.Mie-Streuung von Laserlicht durch Aerosolpartikel wird mit einer Sony-Kamera (a6300) abgebildet, die mit einem Sony 50 mm f/1,8-Objektiv ausgestattet ist.Standbilder werden mit einer Verschlusszeit von 1/50 s bei einer Auflösung von 4000 x 6000 Pixel erfasst, und Videos werden mit 60 fps mit einer Verschlusszeit von 1/60 s und einer Auflösung von 1920 \(\times\) 1080 Pixel erfasst.Während unsere Bildgebungstechnik am effektivsten ist, um den Ort und die Bewegung größerer Aerosole (5-10 \(\mu\) m) abzubilden, die mehr Licht streuen, zeigt die Nachbearbeitung der Bilder, um die Helligkeit zu erhöhen und den Kontrast zu verringern (Abb. 6). dass es auch in der Lage ist, schwächeres Licht einzufangen, das von kleineren Aerosolen gestreut wird, und dass sich die kleineren Partikel in derselben Hülle wie die größeren bewegen.Abgebildete Partikel sind gute Indikatoren für die Plume-Hülle.(A) Das dritte Feld der Wolke (t = 6,4 s) aus Abb. 2 wird hier als Referenz wiedergegeben und zeigt die Position und Bewegung größerer Partikel.(B) Vergrößertes Bild des durch das rote Kästchen in Teil A gekennzeichneten Bereichs, nachbearbeitet, um die Belichtung zu erhöhen und den Kontrast zu verringern.Dies macht schwächeres Licht von kleineren Partikeln sichtbar und zeigt, dass die kleineren Partikel (grünes Leuchten) gut durch die Positionen größerer Partikel vorhergesagt werden (dargestellt als diskrete Lichtpunkte).Unten links sind auch mehrere große Tröpfchen zu sehen, die ballistischen Flugbahnen folgen und sich außerhalb der Aerosolwolkenhülle befinden.Zur Quantifizierung der räumlich-zeitlichen Entwicklung und Kinematik von Flush-induzierten Aerosolwolken (Abb. 3, 4) verwenden wir einen doppelt gepulsten Nd:YAG-Laser mit zwei Kavitäten (Quantel EverGreen 200, 532 nm Wellenlänge, Betrieb bei 200 mJ/Puls). .Der Laser sendet Pulspaare (\(dt=\) 2,25 ms) mit jeweils 5 ns Pulsbreite aus.Impulspaare werden mit 15 Hz wiederholt.Wie beim CW-Laser verwenden wir eine Blattoptik, um ein 2-mm-Lichtblatt zu erzeugen, das das FOV überspannt.Die Bilder werden mit zwei sCMOS-Kameras (LaVision Imager sCMOS; 16-Bit-Monochrom, 2160 \(\times\) 2560 Pixel Auflösung) aufgenommen, die mit Nikkor 50 mm f/1.2-Objektiven ausgestattet sind.Die Kameras sind vertikal gestapelt (Fig. 1C), wobei die Längsachse der Sensoren vertikal orientiert und so ausgerichtet ist, dass es eine 15%ige Überlappung im Sichtfeld jeder Kamera gibt;Dadurch können einzelne Bilder zusammengefügt werden, um ein kombiniertes FOV (0,57 m breit \(\times\) 1,23 m hoch) bereitzustellen, das groß genug ist, um die gesamte Toilettenfahne während der ersten 8 s nach dem Spülbeginn mit einer räumlichen Auflösung zu erfassen von 260 \(\mu\) m/Pixel.Die mit der f/1,2-Linsenblende verbundene enge Schärfentiefe zusammen mit dem dünnen Lichtblatt und den 5-ns-Beleuchtungsimpulsen ermöglicht die selektive Abbildung von Streulicht von Aerosolen im Blatt für die anschließende Berechnung von Schwadenhüllen und Aerosolgeschwindigkeiten.Ein großes räumliches Kalibrierungsziel, das aus einem kontrastreichen quadratischen Gitter besteht, das das gesamte FOV des kombinierten Kamerasatzes abdeckt, wird verwendet, um (i) die optische Vergrößerung des Bildgebungssystems zu berechnen, (ii) um die Bilddaten auf die Toilettengeometrie in zu referenzieren physikalischen Raum und (iii) jede Kamera auf einen gemeinsamen Punkt im physikalischen Raum abzubilden, was das genaue Zusammenfügen der beiden einzelnen FOVs zu einem einzigen Datenbild ermöglicht, das das gesamte aufgelöste FOV abdeckt.Die bekannte Geometrie des Gitters auf der Kalibrierplatte wird auch verwendet, um ein Lochblendenmodell 32 zu erstellen, um die einzelnen Kamerabilder zu entzerren, wobei potenzielle Bildverzerrungen korrigiert werden, die mit kleinen schrägen Abbildungswinkeln und/oder Linsenverzerrungen verbunden sind.Das Pinhole-Modell ist für unsere planare Abbildungskonfiguration mit ungestörtem optischen Zugang durch Luft geeignet.Die geschätzte Unsicherheit in den rekonstruierten/kombinierten Bilddaten beträgt weniger als 0,5 px.Eng beabstandete (2,25 ms Abstand) Bildpaare werden von jeder Kamera mit einer Rate von 15 Hz während Spülungsereignissen erfasst.Die Bilder werden zur Quantifizierung der räumlich-zeitlichen Entwicklung der Plume-Hülle (Abb. 3) und zur Berechnung der Aerosolgeschwindigkeiten (Abb. 4) unter Verwendung von Particle Image Velocimetry30, 31, 33 verwendet. Alle Laser- und Kamera-Timing-Sequenzen und die damit verbundene Bilderfassung, -speicherung, und Verarbeitung erfolgen auf einem Hochleistungsrechner mit DaVis 10.2 Software (LaVision GmbH).Für die 260 \(\mu\) m/Pixel Auflösung unseres optischen Systems (oben beschrieben) sind einzelne Aerosolpartikel (0,1 \(\mu\) m - 10 \(\mu\) m) nur ein kleiner Bruchteil die abgebildete Größe eines einzelnen Pixels.Für unser optisches System mit geringer Vergrößerung führt die Aperturbeugung34, 35 jedoch dazu, dass die abgebildete Größe dieser Aerosolpartikel auf mindestens ein theoretisches Minimum von etwa 0,25 Pixel ansteigt, unabhängig von ihrer physikalischen Größe.Dann vergrößern Linsenfehler die theoretische minimale Beugungsgröße um bis zu eine Größenordnung, insbesondere bei Systemen mit großen Arbeitsabständen (> 1 m), wie dies bei unserem der Fall ist (\(\approx\) 2 m).Auch die Digitalisierung und Quantisierung des kontinuierlichen Partikelbildsignals auf ein diskretes Pixelraster kann die aufgezeichnete Partikelgröße vergrößern.Somit wird erwartet, dass einzelne Aerosolpartikel abgebildete Punkte erzeugen, die einen Durchmesser von mehreren Pixeln oder mehr haben.Angesichts der Tatsache, dass die tatsächliche Größe einzelner Aerosolpartikel im Vergleich zur Pixelauflösung unseres Systems winzig ist, ist es außerdem vernünftig zu erwarten, dass das von einem einzelnen Pixel gesammelte Licht auf eine große Anzahl von Partikeln zurückzuführen ist, die alle zur abgebildete Intensität an diesem Punkt.In Übereinstimmung mit diesen Argumenten zeigen unsere aufgezeichneten Bilder starke Partikelbilder mit typischen Durchmessern \(d_D\) von 1,5 bis 4 Pixel (siehe PIV-Abschnitt unten).Das Ergebnis ist, dass die starken Mehrpixelbilder von Partikeln (oder sogar einer großen Anzahl von Partikeln) gut geeignet sind, um die räumliche Hülle der Aerosolfahne (Abb. 3) sofort zu kartieren und Aerosolgeschwindigkeiten zu berechnen (Abb. 4).Die gleichen optischen Eigenschaften, die das optische System für diese Aufgaben geeignet machen, schließen jedoch seine Verwendung zum Zählen und Grßen von einzelnen Aerosolen aus.Aus diesem Grund erfolgt die Zählung und Größenbestimmung separat mit dem Luftpartikelzähler (Abb. 5).Die räumliche Ausdehnung der Aerosolwolkenhülle wird aus Bilddaten unter Verwendung eines einfachen zweistufigen Bildverarbeitungsalgorithmus berechnet, der üblicherweise in PIV-Anwendungen verwendet wird, um gesäte und nicht gesäte Regionen abzugrenzen.Zunächst wird ein gleitendes Maximumfilter angewendet, um Bereiche mit geringer Pixelintensität zwischen einzelnen Partikelbildern auszufüllen.Bei geeigneter Auswahl der Filterlänge besteht der Effekt darin, Pixelintensitäten innerhalb der Schwadenhüllkurve mit minimaler Wirkung auf Bereiche außerhalb der Schwaden sowohl zu erhöhen als auch zu homogenisieren.Dann wird ein globaler Intensitätsschwellenwert verwendet, um die In-Plume- und Out-of-Plume-Regionen zu identifizieren (da höhere Pixelintensitäten am deutlichsten dem Vorhandensein von Plume-Aerosolen sowie der Größe und lokalen Dichte von Aerosolen entsprechen).Während große Änderungen in den Abstimmungsparametern lokale Artefakte erzeugen (z. B. ungerechtfertigte innere Hohlräume oder übermäßige Umfangsglättung), ist die allgemeine Form und räumliche Ausdehnung der Wolke im Allgemeinen robust für eine Reihe von Abstimmungsparametern.Particle Image Velocimetry (PIV) wird verwendet, um Aerosolgeschwindigkeiten innerhalb der detektierten Plume-Hülle zu berechnen33.Hier erfasst jede sCMOS-Kamera Doppelbild-Bilddaten, wobei Bildpaare mit der Bildfrequenz von 15 Hz erfasst werden, die die zeitliche Auflösung der Geschwindigkeitsmessungen festlegt.Das Bildpaar selbst ist durch eine kurze Zeit dt, die Kreuzkorrelationszeitskala der PIV-Analyse, getrennt.Ein nahezu optimales dt führt zu maximalen Partikelbildverschiebungen von etwa 8–10 px für ein 32-px-Korrelationsunterfenster (die „1/4-Regel“ von37), basierend auf der optischen Vergrößerung des Bildgebungssystems und den mit Partikeln verbundenen physikalischen Geschwindigkeiten .Hier ist ein dt von 2,25 ms (eingestellt durch die Zeitverzögerung zwischen Laserimpulspaaren) effektiv, um die hohen Geschwindigkeiten (1 - 2 m/s) aufzulösen, die mit dem starken vertikalen Strahl verbunden sind, der sich früh im Spülzyklus entwickelt (Abb. 3 ) und Minimierung der damit verbundenen Geschwindigkeitsunsicherheit.Der Partikelsignalpegel relativ zum Hintergrund (Intensitätszählungen), die Partikelaussaatdichte (Partikel pro Pixel) und der Partikelbilddurchmesser (Pixel) beeinflussen stark den aufgelösten dynamischen Geschwindigkeitsbereich (DVR)36.Unsere Bildgebungskonfiguration liefert Signalpegel (nach Hintergrundsubtraktion) von 8–10 Bit, was eine gute Partikeltreue und starke Intensitätskorrelationen gewährleistet.Die Aussaatdichten werden durch die räumlich-zeitlich sich entwickelnde lokale Dichte von Aerosolwolken (und Einschränkungen der oben beschriebenen Auflösung des Abbildungssystems) festgelegt und liegen typischerweise zwischen 0,001 und 0,02 ppp innerhalb der Plume-Hülle.Diese Dichten überspannen den allgemein akzeptierten Wert von 0,01 ppp, was ausreicht, um starke Kreuzkorrelationsspitzen und akzeptable Unsicherheitsniveaus bereitzustellen.Schließlich reichen typische Partikelbilddurchmesser von \(d_D=\) 1,5 bis 4 px aus, um „Peak-Locking“-Effekte (ganzzahlige Pixelverschiebungen) zu mildern, wenn Korrelationstechniken mit Fensterverschiebung wie unten beschrieben implementiert werden38.Bildsätze werden zunächst vorverarbeitet, um Hintergrundartefakte zu entfernen und die Partikeltreue zu verbessern.Aerosolverschiebungs-(Geschwindigkeits-)Felder werden dann unter Verwendung moderner digitaler Korrelations- und Abfragetechniken, die unten beschrieben werden, berechnet.Bildvorverarbeitung, PIV-Korrelationsanalysen und Vektornachverarbeitung erfolgen auf einem Hochleistungsrechner mit der Software DaVis 10.2 (LaVision GmbH).Aerosol-Geschwindigkeitsfelder (Abb. 4) werden aus Bildpaaren durch Kreuzkorrelation von Intensitätsmustern innerhalb kleiner Abfrage-Teilfenster innerhalb der erfassten Plume-Hüllen berechnet.Best Practices werden verwendet, um den Mess-DVR zu maximieren, einschließlich iterativer Schemata mit mehreren Durchläufen mit überlappenden (50 % - 70 %) Teilfenstern mit abnehmender Größe (96 px - 32 px), die adaptiv an lokale Strömungsbedingungen angepasst sind.Die resultierenden Vektorfelder werden dann unter Verwendung eines auferlegten minimalen Korrelationsspitzenverhältnisses (1,4) nachbearbeitet, um Ausreißer und verrauschte Vektoren zu erkennen, die verworfen werden.Das Spitzenverhältnis ist das Verhältnis der stärksten Korrelationsspitze zur nächststärksten in einem gegebenen Abfragefenster und korreliert gut mit dem geschätzten Messfehler39, wodurch es einen Proxy für den effektiven DVR der Messung liefert.Schließlich werden etwaige Lücken in den nachbearbeiteten Vektorfeldern unter Verwendung räumlicher Interpolation gefüllt und nichtlinear geglättet, um lokale Gradienten beizubehalten.Das resultierende Vektorfeld ist innerhalb der Plume-Hülle raumfüllend mit einer räumlichen Auflösung von 2,08 mm/Vektor.Typische maximale lokale Geschwindigkeitsunsicherheiten betragen weniger als 5 % der lokalen Geschwindigkeitsgröße und erreichen selten 10 % (geschätzt unter Verwendung von Korrelationsstatistiken40).Entsprechende Spitzenverhältnisse, die typischerweise 10 über der gesamten Plume-Hülle überschreiten, bestätigen den hohen DVR und die gute Genauigkeit der Aerosolgeschwindigkeitsmessungen.Bei traditionellen PIV-Anwendungen werden Partikel mit niedriger Stokes-Zahl als passive Tracer („Seeding-Partikel“) in die Strömung eingebracht, während wir hier die Aerosole selbst als natürliche Tracer verwenden.Die Stokes-Zahlen (St = Verhältnis der Partikelträgheitszeitskalen zu den Advektionszeitskalen der Strömung) von 1-Mikron-Partikeln in den Abschnitten mit der höchsten Geschwindigkeit der Wolke (etwa 1 m/s) sind O(1).Während größere Aerosole um 10 Mikron in diesen Regionen einen höheren St aufweisen, legen die überwiegend vertikalen Geschwindigkeiten, die mit dem starken Strahl verbunden sind, nahe, dass sich Aerosolwolken der hier interessierenden Größe (0,1–10 Mikron) akzeptabel als passive Tracer verhalten.Die Auswirkungen des oben Gesagten auf die PIV-basierte Geschwindigkeit sind wie folgt: Einzelne Geschwindigkeitsvektoren stellen die mittlere Geschwindigkeit dar, die über kleine Aerosolwolken (die einzelne Partikelbilder auf dem Sensor erzeugen) und über Ansammlungen diskreter Aerosolwolken (die alle erzeugen) gemittelt werden Partikelbilder, die in einem PIV-Abfrage-Unterfenster enthalten sind).Als Maß für die Spüldauer und -intensität erfassen wir Schalldruckpegel mit dB(A)-Frequenzbewertung unter Verwendung eines Google Pixel 3-Smartphones mit einer vorkalibrierten mobilen Anwendung (Dezibel X, SkyPaw Co., Ltd.).Zwanzig Wiederholungen eines 12-Sekunden-Intervalls rund um den Spülzyklus werden aufgezeichnet, wobei \(t=0\) dem Drücken der Spültaste entspricht.Das in Fig. 1D gezeigte durchschnittliche Schalldruckprofil wird mit einem kubischen B-Spline geglättet, wobei die Abtastung um den Faktor 10 verringert wird, um die charakteristische Form zu erfassen.Ein zweiter Spline wurde mit der ursprünglichen Anzahl von Samples zum Glätten angewendet.Die Partikelzählung erfolgt mit einem tragbaren Luftpartikelzähler (Particle Measuring Systems HandiLaz Mini II), der an den in Fig. 5A gezeigten Stellen aufgehängt ist.Der Zähler reagiert empfindlich auf Partikel im Größenbereich von \(0,2\ \mu\) m (d50) bis \(10\ \mu\) m und gibt Zählwerte in 60 diskreten logarithmisch beabstandeten Bins über diesen Bereich aus.Zur Verdeutlichung gruppierten wir Partikelzählungen vom Instrument in die drei breiteren Bins, die in Abb. 5 gezeigt sind;Partikelgrößen größer als \(2,5\\mu\) m werden nicht gezeigt, da diese Zählungen nahe bei Null lagen.Der Zähler nimmt 2,83 Liter/min auf, und die Düse ist nach unten gerichtet, da die Wolke im Allgemeinen von unten kam.Für jeden Ort werden Partikel über drei 37-s-Intervalle gezählt (Abb. 5B).Jedes Intervall besteht aus fünf 5-Sekunden-Samples, die durch 3-Sekunden-Perioden getrennt sind, wenn die Daten in den Speicher geschrieben werden.Appl.Artikel CAS PubMed PubMed CentralGoogle ScholarJ. Appl.Artikel CAS PubMedGoogle ScholarPhys.J. Appl.Artikel CAS PubMed PubMed CentralGoogle ScholarWissenschaft.Artikel CAS PubMedGoogle ScholarPubMed PubMed Central Google ScholarArtikel CAS PubMed PubMed CentralGoogle ScholarPhys.Wissenschaft.Wissenschaft.Artikel CAS PubMedGoogle ScholarArtikel CAS PubMedGoogle ScholarArtikel CAS PubMedGoogle ScholarArtikel CAS PubMed PubMed CentralGoogle ScholarWissenschaft.Artikel CAS PubMed PubMed CentralGoogle ScholarWissenschaft.Lette.Wissenschaft.Lette.Ther.Artikel CAS PubMedGoogle ScholarTechnik.Erw.Erw.Erw.Wissenschaft.Wissenschaft.Erw.Wissenschaft.Wissenschaft.Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenDie Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.Springer Nature bleibt neutral in Bezug auf Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Verwendung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, solange Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen nennen. Stellen Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz bereit und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden.Die Bilder oder andere Materialien von Drittanbietern in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in einer Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist.Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung durch gesetzliche Bestimmungen nicht gestattet ist oder die zulässige Nutzung überschreitet, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen.Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:Leider ist für diesen Artikel derzeit kein teilbarer Link verfügbar.Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedItDurch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich mit unseren Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einverstanden.Wenn Sie etwas missbräuchlich finden oder unseren Bedingungen oder Richtlinien nicht entsprechen, markieren Sie es bitte als unangemessen.Wissenschaftliche Berichte (Sci Rep) ISSN 2045-2322 (online)Melden Sie sich für den Nature Briefing-Newsletter an – was in der Wissenschaft wichtig ist, täglich kostenlos in Ihrem Posteingang.