Medlemmar av Philadelphia Orchestra, inklusive Carol Jantsch, främsta tubaspelare, deltog i en studie ledd av Penn-forskarna Paulo Arratia och Douglas Jerolmack. Deras undersökning undersökte de aerosoler som professionella musiker genererar när de spelar. Kredit:med tillstånd av Paulo Arratia
Den senaste forskningen från labbet av Penn-forskarna Paulo Arratia och Douglas Jerolmack var ett svar på "ett rop på hjälp", säger Arratia.
Det var 2020 och Philadelphia Orchestra, som så många kulturinstitutioner, hade ställt in föreställningar på grund av covid-19-pandemin. Genom P.J. Brennan, chefsläkare vid University of Pennsylvania Health System, sökte orkestern expertis för att hjälpa till att förstå om dess musiker kunde återgå till att spela i ett säkert fysiskt arrangemang som skulle minimera chanserna att utsätta varandra, eller deras publik, för SARS -CoV-2.
"Orkesterdirektören ville inte att musikerna skulle vara långt ifrån varandra, de behövde vara nära varandra för att producera det bästa ljudet", säger Arratia, från School of Engineering and Applied Science. "Och ändå, om de behövde separeras med plexiglas, var det också ett problem." Musikerna rapporterade problem med att höra varandra och dåliga siktlinjer med plexiglasavdelare. "Utmaningen var hur vi kan komma bort från det här till den punkt där de kan spela obehindrat men ändå säkert," säger Arratia.
Nu, i en publikation i Physics of Fluids , Arratia, Jerolmack och kollegor rapporterar om sina resultat, vilket tyder på att aerosoler som musiker producerar försvinner inom cirka sex fot. Resultaten informerade inte bara om arrangemanget av Philadelphia Orchestra när de återupptog sina framträdanden sommaren 2020 utan lade också grunden för hur andra musikgrupper kan tänka sig att samlas och spela säkert.
"Att ha experter som Paulo och Doug, som kunde mäta partikelstorlek och bana och avstånd och hastighet, var verkligen värdefullt för att fatta beslut för orkestern", säger Brennan, som nu sitter i orkesterns styrelse. "De här besluten inkluderade avståndet mellan spelarna, avståndet mellan sektionerna, vilka behövde maskera. När de samlade in denna information, tillsammans med testerna och fallspårningen som Penn Medicine gjorde, hjälpte det oss att fatta beslut med tillförsikt."
Experimentell metod
Forskningen hängde på frågorna om hur många aerosolpartiklar musikerna genererade, hur tätt partiklarna emitterades från instrumenten och hur snabbt de färdades genom luften.
"Du kan ha en stor luftstråle som kommer ut, men om aerosolkoncentrationen är väldigt låg spelar det ingen roll", säger Jerolmack, från School of Arts &Sciences. "Eller så kan du ha många aerosoler som koncentreras i en smal stråle. Dessa saker är viktiga att förstå."
För att samla in data bjöd forskarna in orkestermusiker till campus och tog med sig sina blåsinstrument, inklusive flöjter, tubor, klarinetter, trumpeter, oboer och fagotter.
För att visualisera och spåra aerosoler som strömmar ut ur instrumenten när musikerna spelade, använde forskarna en luftfuktare som avgav vattenångdroppar vid instrumentens klockända. Detta arrangemang ändrades bara för flöjtspelaren, för vilken luftfuktaren placerades nära musikerns mun istället för klockan, eftersom luft strömmar över munstycket när man spelar det instrumentet.
Forskarna lyste sedan en laserstråle genom "dimman" som skapades av luftfuktaren, lyste upp aerosolpartiklarna och lät dem fångas av en höghastighetskamera och partikelräknare.
"Det är precis som en regnig dag; du kommer att se vattendroppar om solen skiner igenom", säger Arratia.
Musikerna spelade skalor kontinuerligt i två minuter. Det visade sig vara något överraskande för forskarna att finna att blåsinstrumentmusikerna producerade aerosoler som i koncentration liknade de som släpptes ut under normal andning och normalt tal, från cirka 0,3 till 1 mikrometer i diameter.
Partiklar av denna storlek, säger forskarna, är tillräckligt små för att resa långt genom luften, förutsatt att luftflödet är tillräckligt starkt för att ta dem dit. Därför blev det viktigt att mäta deras koncentration och flödet för att förstå den potentiella risken för att en musiker skulle kunna överföra SARS-CoV-2 till en annan person.
För att utvärdera flödets hastighet mätte forskarna hastigheter på ungefär 0,1 meter per sekund, storleksordningar långsammare än en hosta av nysning, som kan resa 5 till 10 meter per sekund. Flöjten var en outlier men nådde ändå bara flödeshastigheter på runt 0,7 meter per sekund.
"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." + Utforska vidare
