第335話:疫情下的交響樂團

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­Covid-19疫情爆發以來,許多行業受到影響,其中「表演藝術」是個重災區——表演者與眾多觀眾再封閉的場館裡面,人口密度很高,所以在疫情下最早被關閉,疫情緩和時又是最慢開放的,超慘。

世界聞名的費城交響樂團(Philadelphia Orchestra)也是苦主之一,停止了不少演出。為了更瞭解病毒如何在音樂會中傳播,以擬定之後的應變策略,樂團向鄰近的賓州大學醫療系統(University of Pennsylvania Health System)的醫療長P.J. Brennan求助,在他的穿針引線下,找來賓州大學物理系、機械系、地球與環境科學系的學者幫忙,研究樂團中的管樂器在演奏時,演奏家會噴出多少氣溶膠(aerosol)。

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疫情兩年多來,讀者們應該都對氣溶膠很熟悉了,本來只要是能夠穩定懸浮在空氣中的微粒都算,粒徑大小多在0.01~10微米之間。但是在談疫情的時候,當然專指從人類口鼻飛散出來的分泌物微粒,如果來自受感染者或帶原者的話,這些微粒中就極有可能帶有病毒,由於氣溶膠能懸浮於空氣中,所以能隨著氣流跑很遠,散播病毒。

科學家讓管樂家們一個一個進入演奏廳中演奏,架起兩套儀器:第一個是可以利用光的散射來計算空氣中的氣溶膠顆粒數量;第二個是裝設在樂器的出氣口,下方有個超音波加濕器製造水霧(粒徑約5微米的水滴),用雷射照射水霧即可看到水霧的流動,可以利用高速攝影將水霧拍攝下來。氣流從出氣口出來會改變水霧的運動,藉由分析水霧流動方式的改變,就可以推算出管樂器出來的氣流的流速與方向。銅管樂器在喇叭口、木管樂器在音孔,比較特別的是長笛,最主要的出氣口就是演奏家的嘴巴,所以設置在長笛演奏家的嘴巴前面。

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分析結果顯示,管樂器產生的氣溶膠粒徑約為0.3~1微米之間,這種尺寸的粒子可以懸浮在空氣中很久,由於管樂家們每個都中氣十足,所以氣流的流速口能會很快,讓氣溶膠傳播很遠。

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不過分析的結果顯示,管樂器產生的氣流流速,大約為每秒0.1公尺,比打噴嚏慢多了,後者流速可以到每秒5~10公尺。

以「量」來說,銅管樂器噴出來的氣溶膠比木管樂器多;氣流流速的話,長笛異軍突起,是所有樂器中最快的,可以達到每秒0.5公尺之多,因為長笛的氣是從嘴巴直接噴出來,其他管樂器則都是在樂器裡面跑了一陣子才出來,就被減速了,尤其特別大支的低音號(tuba),流速根本就跟環境的氣流差不多了。

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以這樣的流速來推估,這些從管樂器噴出來的氣溶膠,大約在飛行兩公尺之後,它們從吹奏者那邊得到的速度就會衰減掉,之後就是跟環境中的氣流一起運動了。

有了這些資訊後,之後如果再碰到疫情,可以幫助樂團設計舞台上音樂家的配置方式,來降低感染的風險。

這個研究,發表在2022/07/06 的「Physics of Fluids」(流體物理)。

  • 超中二物理宅雜記
  • 話都給我說就好 其之335

賓州大學新聞稿(2022/07/08):https://penntoday.upenn.edu/news/penn-engineering-sas-music-making-and-flow-aerosols

Physics of Fluids論文(2022/07/06):https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0098273

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以中二魂介紹最新的科學與科技發展,幫你讀剛出爐的最新學術期刊論文,若宅味過重敬請原諒!
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