Faire de la musique et le flux d’aérosols

Les dernières recherches des laboratoires des scientifiques de Penn Paulo Arratia et Douglas Jerolmack étaient une réponse à « un appel à l’aide », explique Arratia.

C’était en 2020 et l’Orchestre de Philadelphie, comme tant d’institutions culturelles, avait suspendu ses représentations en raison de la pandémie de COVID-19. Par l’intermédiaire de PJ Brennan, médecin-chef du système de santé de l’Université de Pennsylvanie, l’Orchestre a recherché une expertise pour aider à comprendre si ses musiciens pouvaient recommencer à jouer dans un arrangement physique sûr qui minimiserait les risques d’exposition mutuelle ou de leur public au SRAS. -CoV-2.

« Le directeur de l’Orchestre ne voulait pas que les musiciens soient éloignés l’un de l’autre ; ils devaient être proches les uns des autres pour produire le meilleur son », explique Arratia, de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées. « Et pourtant, s’il fallait les séparer avec du plexiglas, ça posait aussi un problème. » Les musiciens ont signalé des problèmes d’audition les uns des autres et de mauvaises lignes de visibilité avec des séparateurs en plexiglas. « Le défi était de savoir comment nous éloigner de cela au point où ils peuvent jouer sans entrave mais toujours en toute sécurité », a déclaré Arratia.

Maintenant, dans une publication en Physique des fluides, Arratia, Jerolmack et leurs collègues rapportent leurs découvertes, qui suggèrent que les aérosols produits par les musiciens se dissipent dans un rayon d’environ six pieds. Les résultats ont non seulement éclairé l’arrangement de l’Orchestre de Philadelphie lors de la reprise des performances à l’été 2020, mais ont également jeté les bases de la façon dont d’autres groupes musicaux pourraient penser à se rassembler et à jouer en toute sécurité.

« Avoir des experts comme Paulo et Doug, capables de mesurer la taille et la trajectoire des particules, la distance et la vitesse, a été très utile pour prendre des décisions pour l’orchestre », déclare Brennan, qui siège maintenant au conseil d’administration de l’orchestre. « Ces décisions comprenaient l’espacement entre les joueurs, la distance entre les sections, qui devaient se masquer. Au fur et à mesure qu’ils rassemblaient ces informations, ainsi que les tests et le suivi des cas que faisait Penn Medicine, cela nous a aidés à prendre des décisions en toute confiance. »

Approche expérimentale

La recherche reposait sur les questions du nombre de particules d’aérosol générées par les musiciens, de la densité des particules émises par les instruments et de la vitesse à laquelle elles se déplaçaient dans l’air.

« Vous pouvez avoir un gros jet d’air qui sort, mais si la concentration d’aérosol est très faible, cela n’a pas beaucoup d’importance », explique Jerolmack, de l’École des arts et des sciences. « Ou vous pouvez avoir beaucoup d’aérosols qui se concentrent dans un faisceau étroit. Ces choses sont importantes à comprendre. »

Pour recueillir des données, les chercheurs ont invité des musiciens de l’Orchestre sur le campus, apportant leurs instruments à vent, notamment des flûtes, des tubas, des clarinettes, des trompettes, des hautbois et des bassons.

Afin de visualiser et de suivre les aérosols sortant des instruments pendant que les musiciens jouaient, les chercheurs ont fait fonctionner un humidificateur qui émettait des gouttelettes de vapeur d’eau à l’extrémité du pavillon des instruments. Cette disposition n’a été modifiée que pour le joueur de flûte, pour qui l’humidificateur était placé près de la bouche du musicien au lieu de la cloche, car l’air se déplace sur l’embouchure tout en jouant de cet instrument.

Les chercheurs ont ensuite projeté un faisceau laser à travers le « brouillard » créé par l’humidificateur, éclairant les particules d’aérosol et leur permettant d’être capturées par une caméra à grande vitesse et un compteur de particules.

« C’est comme un jour de pluie, vous verrez les gouttes d’eau si le soleil brille à travers », dit Arratia.

Les musiciens ont joué des gammes en continu pendant deux minutes. Il s’est avéré quelque peu surprenant pour les chercheurs de constater que les musiciens d’instruments à vent produisaient des aérosols dont la concentration était similaire à celle émise lors de la respiration et de la parole normales, d’environ 0,3 à 1 micromètre de diamètre.

Selon les chercheurs, les particules de cette taille sont suffisamment petites pour voyager loin dans l’air, à condition que le flux d’air soit suffisamment puissant pour les y emmener. Ainsi, mesurer leur concentration et le flux est devenu important pour comprendre le risque potentiel qu’un musicien transmette potentiellement le SRAS-CoV-2 à une autre personne.

En évaluant la vitesse du flux, les chercheurs ont mesuré des vitesses d’environ 0,1 mètre par seconde, des ordres de grandeur plus lents que celui d’une toux ou d’un éternuement, qui peut parcourir 5 à 10 mètres par seconde. La flûte était une valeur aberrante mais n’atteignait toujours que des vitesses d’écoulement d’environ 0,7 mètre par seconde.

« Lorsque vous observez le flux, vous voyez ces bouffées et ces tourbillons, et nous savons qu’ils se sont propagés, mais nous ne savions pas s’il allait y avoir quoi que ce soit de général entre ces instruments », explique Jerolmack. « Ici, nous avons découvert qu’en mesurant uniquement le débit et la concentration et le nombre d’aérosols, nous pouvons faire des prédictions sur la distance parcourue par les aérosols. »

Le flux de la musique

Sur la base de leurs observations, les aérosols produits par ces « mini-concerts » se sont dissipés, se déposant dans le flux du courant d’air de fond, dans un rayon d’environ 2 mètres ou 6 pieds – ce qui est rassurant et similaire, disent les chercheurs, à ce qui a été mesuré pour des émissions ordinaires. parler ou respirer. Seuls les aérosols générés par la flûte et le trombone ont parcouru cette distance, pour la flûte peut-être parce que l’air se déplace au-dessus de l’instrument au lieu que l’instrument agisse comme un masque pour empêcher la propagation des aérosols.

Dans l’ensemble, les instruments à vent ont émis des concentrations d’aérosols légèrement inférieures à celles des cuivres, peut-être parce que les éléments en bois de l’instrument ont absorbé une partie de l’humidité et que les nombreux trous le long de l’instrument peuvent réduire le flux de certains des aérosols, spéculent les chercheurs.

Étant donné que les mesures effectuées par les chercheurs n’étaient liées à aucune qualité spécifique du SRAS-CoV-2, elles peuvent être utilisées pour extrapoler comment la transmission d’autres agents pathogènes respiratoires pourrait être affectée par la musique.

« Maintenant, vous avez quelque chose avec quoi travailler pour les problèmes futurs potentiels, peut-être une épidémie de grippe ou quelque chose comme ça », déclare Arratia. « Vous pouvez utiliser nos découvertes sur le flux, brancher vos chiffres sur l’infectiosité et les charges virales, et les adapter pour comprendre le risque.

« Ce n’était pas exactement un problème sur lequel nous travaillons régulièrement, mais nous nous sommes sentis obligés de le résoudre », dit-il. « C’était très amusant, et nous avons eu la chance d’avoir un problème sur lequel travailler qui a fait une différence significative pendant les moments difficiles de la pandémie. »