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 P.J. 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", explique Arratia.

Maintenant, dans une publication dans Physics of Fluids , 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, la trajectoire, la distance et la vitesse des particules, 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 devait 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 s'est articulée autour des 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 sont propagées 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 avec eux 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 envoyé 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. Les chercheurs ont été quelque peu surpris 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 le SARS-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.

"When you observe the flow, you see these puffs and eddies, and we know that they spread, but we didn't know if there was going to be anything general at all between these instruments," says Jerolmack. "Here, we found that by measuring only flow and aerosol concentration and counts, we can make predictions about how far aerosols will travel."

Music's flow

Based on their observations, the aerosols produced by these "mini-concerts" dissipated, settling into the flow of the background air draft, within about 2 meters, or 6 feet—reassuringly similar, the researchers say, to what has been measured for ordinary speaking or breathing. Only flute and trombone-generated aerosols traveled beyond that distance, for the flute perhaps because the air travels over the instrument instead of the instrument acting like a mask to prevent the spread of aerosols.

Overall, woodwind instruments emitted slightly lower concentrations of aerosols than brass instruments, perhaps because the wooden elements of the instrument absorbed some of the humidity and the numerous holes along the instrument may reduce the flow of some of the aerosols, the researchers speculate.

Because the measurements the researchers made were not connected to any specific quality of SARS-CoV-2, they can be used to extrapolate how transmission of other respiratory pathogens could be affected by making music.

"Now you have something to work with for potential future concerns, maybe an outbreak of influenza or something like that," says Arratia. "You can use our findings about flow, plug in your numbers about infectiousness and viral loads, and adapt it to understand risk.

"This was not exactly a problem that we work on routinely, but we felt compelled to take it on," he says. "It was a lot of fun, and we were lucky to have a problem to work on that made a meaningful difference during the difficult times of the pandemic." + Explorer plus loin

Brass, woodwind instruments emit respiratory particles, study finds