Si les instruments de musique étaient des personnes, les trompettes seraient de super épandeurs. Lorsqu'un trompettiste souffle dans l'embout buccal, de minuscules gouttelettes respiratoires, appelées aérosols, sortent de la bouche du musicien, traversent le tube en laiton et se projettent dans l'air.
Lors d'une pandémie mortelle, lorsqu'un musicien peut inconsciemment exhaler un virus infectieux, cela pose un problème potentiel pour les orchestres. Et la trompette n'est pas le seul danger musical pour la santé.
"Les instruments à vent sont comme des machines à aérosoliser les gouttelettes respiratoires", a déclaré Tony Saad, ingénieur chimiste et expert en dynamique des fluides numérique à l'Université de l'Utah.
Un changement simple mais radical – réorganiser les musiciens – pourrait réduire considérablement l'accumulation d'aérosols sur scène, ont rapporté le Dr Saad et ses collègues dans une nouvelle étude, publiée mercredi dans Science Advances.
Le travail a commencé l'été dernier, lorsque l'Utah Symphony a commencé à se demander si, et comment, ils pourraient reprendre le jeu en toute sécurité.
« Ils recherchaient des personnes capables de donner un aperçu des stratégies d'atténuation en lesquelles les gens auraient une certaine confiance », a déclaré James Sutherland, ingénieur chimiste à l'Université de l'Utah et co-auteur de l'étude.
Les chercheurs ont créé un modèle informatique détaillé de la salle de concert de l'orchestre symphonique, en notant l'emplacement de chaque bouche d'aération et le débit d'air à travers le système CVC.
Ensuite, ils ont cartographié la position typique de chaque musicien. L'Utah Symphony, comme la plupart des orchestres modernes, positionnait ses musiciens selon un schéma standard, avec les instruments à cordes sur le devant de la scène, suivis de plusieurs rangées de bois et de cuivres - les flûtes et les hautbois, puis les bassons et les clarinettes, et puis les trompettes et les cors d'harmonie. Les trombones et la section percussions étaient placés tout au fond de la scène.
Pour modéliser la propagation des aérosols lors d'un concert, ils ont intégré des recherches récentes menées par Jiarong Hong, ingénieur en mécanique à l'Université du Minnesota. En collaboration avec le Minnesota Orchestra, le Dr Hong et ses collègues ont mesuré la concentration et la taille des particules d'aérosol émises par divers instruments à vent. (Parmi leurs découvertes : la trompette, le trombone basse et le hautbois représentaient le risque le plus élevé.)
Avec ces paramètres en place, le Dr Saad et le Dr Sutherland ont utilisé ce que l'on appelle des simulations numériques de dynamique des fluides pour modéliser la façon dont l'air et les aérosols circuleraient dans la salle de concert de l'Utah lorsque tous les musiciens jouaient.
La simulation a révélé des modèles complexes de flux d'air. En général, l'air s'écoulait des bouches d'aération du plafond vers les bouches de retour d'air du sol à l'arrière de la scène. Mais deux tourbillons distincts, à l'avant et à l'arrière de la scène, se sont également formés, ont-ils trouvé. "Vous voyez ces grandes régions qui recirculent comme une grosse tornade", a déclaré le Dr Saad.
Les aérosols peuvent se prendre dans ces tourbillons, tourbillonner autour et autour de la scène et s'accumuler avec le temps.
Mise à jour 24 juin 2021, 8 h 41 HE
Les trompettes, qui émettaient de gros nuages d'aérosols concentrés, posaient un problème particulier. Alors que les panaches d'aérosols des instruments se dirigeaient vers les bouches d'aération au fond de la scène, ils traversaient directement la zone de respiration des percussionnistes.
"Nous avons vu cela et avons dit:" OK, c'est un gros problème, nous devons le résoudre "", a déclaré le Dr Sutherland. « Et étant donné l'aperçu que nous avions de la façon dont le flux se déplaçait, nous avons dit : « Eh bien, déplaçons certains de ces instruments. »
Ils savaient que l'idée pouvait être controversée ; les orchestres ont généralement été arrangés de la même manière pendant des décennies, pour des raisons qui incluent à la fois l'acoustique et la tradition. « Nous leur avons demandé lorsque nous avons commencé le projet : » Avec quelles contraintes devons-nous travailler ? Pouvons-nous déplacer les gens ?’ », a déclaré le Dr Sutherland. "Et ils ont dit:" Vous faites tout ce que vous pensez pouvoir pour atténuer les risques. ""
Ils ont déplacé les trompettes tout au fond de la scène, juste à côté des bouches de retour d'air. Ensuite, ils ont déplacé les autres instruments à vent du milieu de la scène, les rapprochant soit des bouches d'aération arrière, soit des portes de la scène, qu'ils ont suggéré d'ouvrir.
Ces mouvements, espérait l'équipe, permettraient aux aérosols de s'écouler directement hors de la salle de concert, sans passer par les zones de respiration des autres musiciens ou se faire prendre dans un vortex sur scène. "Vous voulez que le fumeur s'assoie près de la fenêtre", a déclaré le Dr Saad. "C'est exactement ce que nous avons fait ici."
Enfin, ils ont déplacé les instruments qui ne génèrent pas du tout d'aérosols - le piano et la section des percussions - au centre de la scène. Ensemble, ces ajustements ont réduit au centuple la concentration moyenne d'aérosols dans les zones respiratoires des musiciens, ont calculé les chercheurs.
Bien que les modèles précis de flux d'air soient différents dans chaque site, les principes généraux devraient s'appliquer partout, a déclaré l'équipe. Les orchestres peuvent réduire le risque de propagation des aérosols en plaçant les instruments les plus risqués près des portes ouvertes et des évents de retour d'air. (Les orchestres qui ne peuvent pas faire leur propre modélisation informatique pourraient mettre une machine à brouillard sur scène et suivre comment le brouillard s'écoule, ont suggéré les chercheurs.)
Le Dr Hong, qui n'a pas participé à l'étude de l'Utah, a fait l'éloge du travail de modélisation. "Simuler le flux à l'intérieur d'une salle d'orchestre n'est pas facile", a-t-il déclaré. "Ils ont fait un beau travail en termes de caractérisation des flux."
Mais il s'est demandé si le déplacement des musiciens était vraiment une solution pratique. « Nous travaillons en étroite collaboration avec les musiciens et ils n'aiment pas être réarrangés », a-t-il déclaré. (Il a cependant noté que "pour un groupe d'étudiants, je pense que c'est parfaitement bien.")
Au lieu de cela, il a proposé une solution différente, quoique tout aussi peu conventionnelle : des masques, pour les instruments. Dans une étude récente, il a découvert que recouvrir la cloche d'une trompette d'une seule couche de tissu acoustique pouvait réduire les émissions de particules d'environ 60 % sans compromettre la qualité sonore.
L'Utah Symphony, pour sa part, s'est montré ouvert à repenser les sièges. Et quand il est monté sur scène l'automne dernier, il l'a fait avec les portes de la scène ouvertes et les instruments à vent à l'arrière.
"C'était un énorme défi pour les musiciens", a déclaré Steven Brosvik, président et directeur général de l'Utah Symphony et de l'Utah Opera. « Mais ils se sont tous plongés dedans et ont dit : ‘Allons-y, essayons.’ »
Il a fallu quelques semaines aux musiciens pour se familiariser avec le nouvel arrangement, et ils prévoient de revenir à leur configuration traditionnelle de sièges cet automne, a déclaré M. Brosvik. Mais les simulations ont rassuré les musiciens et leur ont permis de remonter sur scène, a-t-il déclaré : « Pour nous, ça a changé la vie. »
Les chercheurs étaient satisfaits de la volonté des musiciens d'adopter une solution inhabituelle, bien que leurs découvertes aient pu frapper certains instrumentistes plus durement que d'autres. Comme l'a dit le Dr Sutherland, "Nous avons dû nous excuser à l'avance auprès des trompettes."
