Musikfremstilling og strømmen af ​​aerosoler

Den seneste forskning fra laboratorierne af Penn-forskerne Paulo Arratia og Douglas Jerolmack var et svar på "et opkald om hjælp," siger Arratia.

Det var 2020, og Philadelphia Orchestra, som så mange kulturinstitutioner, havde suspenderet forestillinger på grund af COVID-19-pandemien. Gennem P.J. Brennan, overlæge ved University of Pennsylvania Health System, søgte orkestret ekspertise til at hjælpe med at forstå, om dets musikere kunne vende tilbage til at spille i et sikkert fysisk arrangement, der ville minimere chancerne for at udsætte hinanden eller deres publikum for SARS -CoV-2.

"Orkesterdirektøren ønskede ikke, at musikerne skulle være langt fra hinanden; de skulle være tæt på hinanden for at producere den bedste lyd," siger Arratia, fra School of Engineering and Applied Science. "Og alligevel, hvis de skulle adskilles med plexiglas, var det også et problem." Musikerne rapporterede om problemer med at høre hinanden og dårlige sigtelinjer med plexiglas skillevægge. "Udfordringen var, hvordan kan vi komme væk fra dette til det punkt, hvor de kan spille uhindret, men stadig sikkert," siger Arratia.

Nu i en publikation i Physics of Fluids , Arratia, Jerolmack og kolleger rapporterer om deres resultater, hvilket tyder på, at de aerosoler, som musikere producerer, forsvinder inden for omkring seks fod. Resultaterne informerede ikke kun om arrangementet af Philadelphia Orchestra, da de genoptog forestillingerne i sommeren 2020, men lagde også grunden til, hvordan andre musikgrupper kunne tænke sig at samles og spille sikkert.

"At have eksperter som Paulo og Doug, der kunne måle partikelstørrelse og bane samt afstand og hastighed, var virkelig værdifuldt til at træffe beslutninger for orkestret," siger Brennan, som nu sidder i orkestrets bestyrelse. "Disse beslutninger omfattede afstanden mellem spillerne, afstanden mellem sektionerne, hvem der skulle maskere. Da de indsamlede disse oplysninger sammen med de tests og sagssporing, som Penn Medicine lavede, hjalp det os med at træffe beslutninger med tillid."

Eksperimentel tilgang

Forskningen var afhængig af spørgsmålet om, hvor mange aerosolpartikler musikerne genererede, hvor tæt partiklerne blev udsendt fra instrumenterne, og hvor hurtigt de rejste gennem luften.

"Du kan have en stor luftstråle, der kommer ud, men hvis aerosolkoncentrationen er meget lav, betyder det ikke meget," siger Jerolmack, fra School of Arts &Sciences. "Eller du kan have mange aerosoler, der bliver koncentreret i en smal stråle. Disse ting er vigtige at forstå."

For at indsamle data inviterede forskerne orkestermusikere til campus og medbragte deres blæseinstrumenter, herunder fløjter, tubaer, klarinetter, trompeter, oboer og fagotter.

For at visualisere og spore de aerosoler, der strømmer ud af instrumenterne, mens musikerne spillede, betjente forskerne en luftfugter, der udsendte vanddampdråber i klokkeenden af ​​instrumenterne. Dette arrangement blev kun ændret for fløjtespilleren, for hvem befugteren blev placeret nær musikerens mund i stedet for klokken, da luften bevæger sig over mundstykket, mens han spiller på det instrument.

Forskerne skinnede derefter med en laserstråle gennem "tågen" skabt af luftfugteren, og oplyste aerosolpartiklerne og gjorde det muligt at fange dem af et højhastighedskamera og partikeltæller.

"Det er ligesom på en regnvejrsdag; du vil se vanddråberne, hvis solen skinner igennem," siger Arratia.

Musikerne spillede skalaer kontinuerligt i to minutter. Det viste sig at være noget overraskende for forskerne at finde ud af, at blæseinstrumentmusikerne producerede aerosoler, der i koncentration svarede til dem, der udsendes under normal vejrtrækning og tale, fra omkring 0,3 til 1 mikrometer i diameter.

Partikler af denne størrelse, siger forskerne, er små nok til at rejse langt gennem luften, forudsat at luftstrømmen er stærk nok til at føre dem derhen. Derfor blev det vigtigt at måle deres koncentration og flow for at forstå den potentielle risiko for, at en musiker potentielt overfører SARS-CoV-2 til en anden person.

Ved at evaluere strømningshastigheden målte forskerne hastigheder på omkring 0,1 meter i sekundet, størrelsesordener langsommere end en hoste af nys, som kan bevæge sig 5 til 10 meter i sekundet. Fløjten var en outlier, men nåede stadig kun strømningshastigheder på omkring 0,7 meter i sekundet.

"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." + Udforsk yderligere

Brass, woodwind instruments emit respiratory particles, study finds