La propagation aérienne des agents pathogènes a pris une grande importance aux yeux du public après l’apparition de la maladie à coronavirus 2019 (pandémie COVID-19). Dans un nouveau document de recherche intéressant publié récemment sur le bioRxiv * preprint server, les scientifiques décrivent la dispersion de l’air expiré, potentiellement infecté, par les chanteurs et les joueurs d’instruments à vent, en utilisant les techniques de Schlieren, un processus visuel utilisé pour photographier l’écoulement de fluides de densité variable. Cela pourrait aider à évaluer les mesures pour évaluer la propagation réelle des gouttelettes ou des aérosols infectieux dans de telles situations.
On sait maintenant que les gouttelettes et les aérosols, d’une taille de> 5 µm et <5 µm, respectivement, sont porteurs du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS-CoV-2), peuvent se propager vers l'extérieur en fonction de leur taille. Les gouttelettes plus lourdes, d'une taille d'environ 100 µm, ne voyagent que quelques secondes avant de tomber au sol, atteignant environ 1,5 m de la source. Cependant, les particules plus petites des aérosols peuvent rester en suspension beaucoup plus longtemps dans l'air.
Auparavant, plusieurs études ont conclu que la propagation de telles particules est quasiment nulle à 0,5 m de la bouche d’un chanteur professionnel, comme l’indique la présence de perturbations infimes observées au niveau d’une flamme de bougie placée à cette distance de la source d’air expiré. . Plus tard, il a été observé que l’expiration de l’air est beaucoup plus forcée pendant le chant professionnel plutôt que pendant la parole ou la respiration.
Avec les instruments à vent, le modèle de fuite d’air est similaire à celui du chant, la distance de propagation étant déterminée par la vitesse à laquelle l’air s’échappe de la bouche ou de l’instrument et le diamètre de sortie.
L’étude actuelle applique des techniques de visualisation des flux et une anémométrie pour étudier la dispersion de l’air expiré en termes de modèle de propagation et de vitesse à laquelle l’air s’échappe. Les scientifiques ont utilisé deux méthodes pour observer le flux, à savoir l’imagerie schlieren à l’aide d’un miroir schlieren et le schlieren orienté arrière-plan (BOS).
Schlieren fait référence à une méthode de photographie appliquée à la visualisation de flux de densité variable en exploitant la flexion ou la réfraction des rayons lumineux lorsqu’ils traversent une interface séparant deux substances de densités différentes.
Les avantages de ces techniques sont la possibilité d’observer des gradients de densité dans des milieux transparents, dus aux variations de température ou de pression, sans déformer le champ d’écoulement. Le champ de mesure de l’imagerie schlieren est limité par la taille du miroir, c’est-à-dire 100 cm. Pour visualiser correctement la propagation de l’air expiré au-delà de ces limites, le BOS a été utilisé.
L’air respirable est plus chaud et plus humide que l’air ambiant, ce qui conduit à des gradients qui peuvent être captés par ces techniques. Les chercheurs se sont penchés sur des instruments à vent en bois, qui libèrent de l’air selon un motif laminaire initial suivi de turbulences, et se mélangent finalement à l’air ambiant de la pièce. Chez les chanteurs, l’air se propage le plus lorsque la production du son commence et est le plus élevé lors du chant des consonnes ou lorsqu’une articulation précise est requise.
Les chercheurs observent que la distance à laquelle l’air expiré se propage et l’angle sous lequel l’air s’échappe sont tous deux différents selon l’instrument et le joueur, ou le chanteur.
Installation du système schlieren coïncident à miroir unique (à gauche) et du système BOS (à droite) au Département de physique du bâtiment de l’Université Bauhaus de Weimar
Sommaire
Instruments à vent
Avec les instruments à vent, de l’air s’échappe de la cloche, des trous de tonalité et est soufflé (flûtes) ou fuit près de l’embouchure (avec le hautbois ou le basson). Jouer du hautbois ou du basson nécessite également une expiration intermittente par la bouche et le nez, car tout l’air ne peut pas s’échapper des trous de tonalité. L’air se déplace le plus rapidement lorsque les hauteurs sont utilisées, mais aussi lors d’une expiration intermittente. Avec ce dernier, la vitesse diminue progressivement par la suite.
Un flux convectif peut également se produire, ce qui représente des mouvements d’air d’environ 0,02 m / s à 85 cm de la cloche. C’est le capteur le plus éloigné. Avec le capteur le plus proximal, la vitesse la plus élevée est observée à 45 secondes, correspondant à des jets très transitoires produits par de fortes émissions d’air respirable.
L’air s’échappe de la cloche sur des distances beaucoup plus courtes par rapport à l’air qui s’échappe de l’instrument en divers points, ou lors d’un soufflage intermittent et d’autres pratiques de production sonore. Les fuites d’air peuvent parcourir environ 60 cm dans la pièce à partir de l’expiration intermittente de l’air par la bouche et le nez entre deux phrases. Cependant, il se déplace à moins de 30 cm lors de la lecture de diverses notes. Aux sons aigus, l’air s’échappe à peine de la cloche de basson, tandis que la plus grande vitesse du flux d’air de la cloche est aux notes graves. Puisque la plupart des trous de tonalité sont découverts aux notes aiguës, ceux-ci produisent un flux d’air maximal à partir de ces trous.
L’air s’échappant de la cloche parcourt des distances différentes selon la largeur de l’alésage et la pression respiratoire au moment du jeu.
Cuivres
Avec les cuivres, l’imagerie schlieren montre qu’avec la plupart de ces instruments, l’air s’échappant de la cloche est très turbulent en raison du plus grand diamètre de la cloche. L’air soufflé dans l’embout buccal souffle dans la cloche.
L’air respirable monte soit en raison de la convection naturelle, soit se mêle à l’air ambiant. Les facteurs qui décident de la forme et de la distance de l’air qui s’échappe de la cloche comprennent le physique et la technique de soufflage du musicien, ainsi que l’angle de l’instrument par rapport à la bouche. Les distances ont été mesurées à partir de la cloche, de la bouche ou de l’embout buccal. L’air respirable sort de la cloche jusqu’à environ 25 cm aux pas bas et un peu plus aux hauteurs. De l’air peut s’échapper de l’embout buccal lorsque les lèvres du joueur se fatiguent, lorsqu’il joue du staccato ou lorsque les musiciens ne sont pas formés ou plus âgés.
Avec l’utilisation de l’amortisseur, l’échappement d’air est considérablement réduit, sauf avec le tuba en F et le cor français lorsqu’un sourdine d’arrêt est utilisé.
Les résultats de l’anémométrie ont confirmé les résultats des visualisations de Schlieren, montrant que les valeurs de débit sont toujours supérieures à environ 0,02 m / s. Les raisons peuvent inclure des mouvements des doigts ou de la main pendant le jeu, une fuite d’air des trous de tonalité, une respiration entre des phrases musicales ou d’autres flux d’air de convection dans la même pièce. Avec certains instruments, la vitesse mesurée diminue d’abord lorsque la distance de l’instrument augmente, puis commence à augmenter. Cet effet peut être dû à un écoulement turbulent, produisant de petits vortex qui entraînent des variations de vitesse.
Pour réduire un tel flux de toutes sortes d’instruments à cuivres, les chercheurs ont déclaré qu’un simple filtre pourrait être utilisé, en cellulose et collé sur la cloche de l’instrument. Cela fonctionnera car l’air qui est respiré à travers de tels instruments s’échappe entièrement par la cloche.
Avec les instruments à vent, l’air s’échappe des trous de tonalité et même de l’embout buccal, en plus de la cloche. Un filtre n’empêchera donc pas la diffusion de l’air.
Quelles sont les implications?
Ces données pourraient aider à découvrir la plage dans laquelle l’air expiré, contenant potentiellement des particules infectieuses, pourrait se propager lors d’épidémies de maladies infectieuses aéroportées. Cependant, les études ne montrent que la plage de propagation des plus grosses gouttelettes, car les petites gouttelettes ou aérosols ne sont pas visualisés par les méthodes de Schlieren. Ces résultats montrent que le flux d’air ne parcourt pas plus de 1,2 m dans la pièce.
Deuxièmement, ces modèles se rapportent à l’air soufflé par des chanteurs et des musiciens professionnellement formés. Les amateurs et les apprenants peuvent produire des modèles d’expiration et des fuites très différents, ce qui peut entraîner un plus grand volume d’air diffusé dans la pièce.
Le mouvement du joueur peut également modifier la vitesse de l’air respirable, qui varie également avec le diamètre de la cloche et la pression respiratoire. L’air s’échappant de la bouche ou s’échappant au niveau de l’embout buccal montre une vitesse plus élevée allant jusqu’à 0,15 m / s.
En utilisant ces données, la gamme de diffusion, les dimensions de l’air qui s’échappe et la vitesse à laquelle il s’échappe et se propage peuvent être estimés pour les instruments à vent et les cuivres et les chanteurs professionnels. Cela permettrait de quantifier le risque de transmission virale lors de telles performances afin de développer les meilleures précautions de sécurité pour de telles situations.
*Avis important
medRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, orienter la pratique clinique / les comportements liés à la santé ou être traités comme des informations établies.
