许多人依照美国疾病控制与预防中心(CDC)的建议在公共场合戴口罩，以减缓COVID-19（新型冠状病毒肺炎）的传播。然而，带呼气阀的口罩并不能减缓疾病的传播。现在，美国国家标准与技术研究院(NIST)的新视频显示了其中的原因。

这些视频由NIST的研究工程师Matthew Staymates制作，展示了带和不带呼气阀的口罩气流通过的模式。这些视频和研究文章一起发表在《流体物理学》杂志上。

“当你把两个视频放在一起比较时，差异是显著的，”Staymates说，“这些视频展示了阀门是如何在不过滤空气的情况下让空气离开口罩的，这违背了口罩的初衷。”

然而，美国疾病控制与预防中心推荐的用于减缓COVID-19传播的口罩，主要是为了保护佩戴者以外的人。它们通过捕捉呼出的可能含有病毒的飞沫来减缓疾病的传播。美国疾病控制与预防中心表示，即使没有症状的人也应该戴口罩，因为有可能被感染却没有症状。

图片作者: M. Staymates/NIST

在这张自拍中，Staymates坐在一个球形凹面镜前，凹面镜是纹影成像系统的一部分，用来制作气流视频。

Staymates是流态可视化技术方面的专家，他能够在相机上捕捉空气的运动。他平时的研究包括在机场和通航枢纽通过嗅探空气成分来探测爆炸物和毒品的新技术。最近，他将自己的专长用于口罩，以帮助开发新的方法来测试和改善口罩的性能。

Staymates使用不同的流态可视化技术制作了两段视频。第一段视频（如下所示）是使用所谓的纹影成像系统制作的，该系统可以使空气密度的差异在相机上以光影模式显示出来。

视频作者: M. Staymates/NIST

 这段视频使用纹影成像系统制作，展示了佩戴有呼气阀(左)和无呼气阀的N95口罩时的气流动力学。这种阀门的设计允许空气未经过滤就逸出。

使用纹影成像系统，呼出的气体变得可见，因为它比周围的空气更温暖，因此密度更小。这个视频只显示了空气本身的运动，而不是呼出的飞沫在空气中的运动。左边，Staymates戴着一个带阀门的N95口罩，可以让呼出的空气不经过过滤就进入外界。右边则没有阀门，空气通过口罩时过滤掉了大部分的飞沫。

Staymates利用光散射技术制作了第二段视频。

视频作者: M. Staymates/NIST

本视频使用光散射技术制作，展示了佩戴有呼气阀(左)和无呼气阀(中)的N95口罩时的气流动力学。

在第二段视频中，Staymates制作了一个装置，以与休息中的成年人相同的速度和节奏释放空气，然后将该装置连接到一个人体模型上。作为呼出飞沫的替代品，空气中携带着各种大小的液滴，这些液滴是人们在呼气、说话和咳嗽时呼出飞沫的典型尺寸。人体模型背后的高强度LED灯照亮空气中的液滴，使它们散射光线，在相机上明亮地显示出来。

与纹影视频形成对比的是，这段视频展示了水滴在空气中的运动。左边，液滴通过N95口罩的阀门逃逸。在中间，没有阀门，也看不到呼吸，因为口罩过滤掉了飞沫。在右边，没有戴口罩。

利用人体模型和机械呼吸器，Staymates可以在保持呼吸频率、气压和其他变量不变的情况下观察气流模式。

此外，由光散射产生的视频可以通过计算机进行分析，而纹影图像则不能。Staymates编写了计算机代码，计算视频中明亮像素的数量，然后用它来估计空气中有多少液滴。这不是一个真正的液滴数量的测量，因为二维视频不能捕捉在整个三维空间的空气中发生的情况。然而，得到的数字提供了可以分析的动态，以便更好地了解不同类型口罩的气流动力学。

这个研究项目只研究了一种带阀口罩，不同类型的带阀口罩会有不同的效果。另外，不紧合的口罩会让一些空气从口罩周围逸出，而不是过滤掉。这也会影响口罩的过滤性能。

但是气阀的主要作用可以在这些视频中看到。Staymates希望这些视频能帮助人们了解——一眼就能明白——为什么用于减缓COVID-19传播的口罩不应该有气阀。