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Étude de la transmission sonore par voie externe d'un bouchon d'oreille couplé au conduit auditif : modélisation numérique et validation expérimentale

Viallet, Guilhem (2014). Étude de la transmission sonore par voie externe d'un bouchon d'oreille couplé au conduit auditif : modélisation numérique et validation expérimentale. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les bouchons d’oreilles demeurent la solution à court terme la plus efficace pour lutter contre le problème de surdité professionnel. Cependant, ils ne sont pas toujours aussi efficaces et adaptés que souhaités et il est difficile d’en évaluer les performances sur le terrain. Le port des bouchons d’oreille est associé à différentes problématiques. Sont par exemple cités l’aspect co-facteur de risques dans les accidents de travail, le degré de protection des travailleurs sous-évalué par rapport à la performance des bouchons mesurée en laboratoire, ou encore la difficulté à adapter sur le terrain des méthodes de mesures standardisées. La conception des bouchons d’oreilles repose souvent sur des méthodes empiriques où le confort n’est pas pris en compte.

Pour résoudre certaines de ces problématiques, un projet de recherche concertée entre l’École de technologie supérieure et l’Institut de recherche Robert Sauvé en santé et sécurité du travail a débuté en 2010. Cette thèse de doctorat s’inscrit dans ce projet, son objectif est de contribuer à la meilleure compréhension de la physique du problème de transmission acoustique à travers le système protecteur / conduit auditif, pour améliorer la conception du bouchon, contribuer à une meilleure évaluation de son efficacité et donc améliorer in fine la protection des travailleurs. Cet objectif est accompli via une méthodologie de développement pas à pas d’un outil de prédiction de l’atténuation prenant en compte des complexités géométriques et physiques croissantes. Ce développement est effectué en 4 étapes : chacune des 3 premières est présentée sous la forme d’un article de revue et la quatrième constitue un chapitre additionnel de cette thèse par articles.

Dans la première étape, c’est l’aspect géométrique seul du conduit auditif qui est étudié via la question de la validité d’une hypothèse de description 2D axisymétrique de la géométrie du conduit auditif dans le cas de conditions aux limites rigides. Ce choix de conditions aux limites permet dans une première approximation d’écarter les problématiques liées à l’intégration de tissus constitutifs du conduit auditif. Cette question est investiguée via des comparaisons de prédictions d’atténuations avec des modèles 2D et 3D pour des cas individuels ou moyennés sur un groupe d’individu. L’emphase est portée sur la méthode à choisir pour reconstruire géométriquement un conduit 2D axisymétrique à partir de caractéristiques d’un conduit en 3D.

Dans la deuxième étape, le modèle 2D précédent est physiquement complexifié par l’ajout d’une couche de peau. Cela correspond également à une configuration de conduit auditif synthétique existant dans les têtes artificielles instrumentées qui sont couramment utilisées pour mesurer l’atténuation des bouchons en laboratoires. Le rôle de la peau et son effet sur l’atténuation sont étudiés. Des éléments tels que la contribution des différents chemins de transmission acoustique, ou plus généralement la manière dont l’énergie circule dans le système sont analysés. De plus, des analyses statistiques sont réalisées pour quantifier l’effet des paramètres mécaniques de la peau et du bouchon sur l’atténuation.

Dans la troisième étape, le modèle précédent est complexifié par l’ajout des autres tissus constitutifs du conduit auditif (os et tissus mous). De plus, la géométrie précédente (cylindrique) est partiellement modifiée pour obtenir un conduit auditif 2D axisymétrique moyen à section variable. Ce choix est motivé par les résultats obtenus dans les étapes précédentes. Ce modèle est d’abord validé par des comparaisons avec des mesures sur sujets humains puis exploité pour quantifier l’impact de différents facteurs connus pour faire varier l’atténuation lorsqu’elle est mesurée en laboratoire. Ces facteurs sont : la possible présence de fuites, la profondeur d’insertion du bouchon, la variation interindividuelle de la géométrie du conduit auditif et des paramètres mécaniques associés aux tissus. Ces différents facteurs sont introduits un à un dans le modèle et leur impact sur l’atténuation est quantifié puis comparé à des déviations standards obtenues lors de mesures sur sujets humains. Ces comparaisons permettent d’évaluer les zones fréquentielles de prédominance de l’effet des différents facteurs sur l’atténuation.

Dans la quatrième étape, la possibilité de remplacer les tissus constitutifs du conduit auditif par des conditions aux limites de type impédance mécanique est étudiée. Ce travail vise à terme à simplifier les modèles développé dans la troisième étape en utilisant à leur place les modèles des étapes 1 ou 2 muni de conditions aux limites d’impédance mécanique plutôt que les conditions aux limites plus classique (type encastrement) utilisé jusque-là. Deux scénarii de remplacement des tissus ont été testés dans des configurations axisymétriques en première approximation. Dans un premier scénario (modèle proche de l’étape 1), l’effet de tous les tissus (peau, tissus mou et os) ont été ramené à une impédance mécanique. Devant certains manques mis en avant par ce scénario, un deuxième moins simplifié a ensuite été envisagé. Dans ce deuxième scénario, seules la partie osseuse et les tissus mous sont remplacés pour les prendre en compte en tant que condition aux limites dans un modèle simplifié. Il a permis de corriger les limitations du premier scénario et a permis d’aboutir à plus de réalisme, c’est-à-dire des prédictions plus proches de celles obtenues dans le cadre de l’étape 3. Ces tests ont été réalisés sur une configuration géométrique unique qui ne permet pas encore dans l’état actuel de généraliser la validation de la méthode qui pourrait, dans des travaux futurs, être étendue à des modèles en 3D ou à des modèles 2D axisymétriques à section variable.

D’un point de vue scientifique, l’ensemble de ces travaux ont permis, à chacune des 4 étapes décrites précédemment, de mieux comprendre quels sont les mécanismes clefs intervenant dans l’atténuation d’un bouchon, quels sont les chemins de transmission acoustique prépondérant dans le cadre d’une transmission aérienne du son à travers le conduit auditif occlus et d’investiguer les simplifications possibles à apporter à un modèle numérique du conduit auditif occlus pour prédire une atténuation réaliste. Ces travaux ont permis de conforter l’idée qu’une simplification 2D axisymétrique de la géométrie du conduit auditif occlus, en réalité 3D, est possible, avec certaines limitations liées à la méthode de reconstruction géométrique utilisée pour définir la géométrie 2D. L’importance et la nécessité de prendre en compte la peau dans un modèle élément finis du conduit occlus est mise en avant. Le recours à un modèle moyen 2D axisymétrique du conduit occlus et intégrant ses différents tissus constitutifs (où en les remplaçant par des conditions aux limites d’impédances mécaniques) a permis de simuler des prédictions d’atténuations moyennes réalistes, mesurables sur des sujets humains. L’exploitation de ces différents modèles a conduit à une quantification de la contribution de la manière dont l’énergie circule dans le conduit auditif occlus et de l’effet de facteurs cruciaux (fuites, profondeur d’insertion du bouchon, paramètres mécaniques et géométriques) responsables des variations de l’atténuation, lorsque mesurée en laboratoire.

D’un point de vue technologique, les outils de modélisation de l’atténuation développés dans le cadre de cette thèse et leurs exploitations via des analyses statistiques de l’effet des paramètres mécaniques du bouchon sur l’atténuation fournissent des pistes concrètes aux manufacturiers de protecteurs auditifs pour en améliorer leur efficacité. Dans le même ordre d’idées, les analyses statistiques réalisées par rapport aux effets des paramètres mécaniques de la peau artificielle présente dans le conduit auditif des têtes artificielles pourront permettre d’améliorer les standards en matière d’exigences sur leur conception ou aider les manufacturiers à utiliser des matériaux dont les paramètres mécaniques sont plus proche de ceux des tissus biologiques et donc plus réaliste.

D’un point de vue santé et sécurité au travail, les avancées présentes dans cette thèse et notamment l’exploitation des différents outils de modélisation développés, pourront aider à concevoir des protecteurs auditifs plus performants et dont la réelle efficacité sera mieux appréhendée. Sur le long terme, cela améliorera les conditions des travailleurs en minimisant le risque lié à la dégradation de leur système auditif.

Les perspectives de travail proposées à la fin de cette thèse consistent principalement à étendre les modèles à différents aspects non encore pris en compte : une gamme élargie de bouchons aux paramètres matériaux et aux géométries diverses, l’introduction de la conduction par voie osseuse, la modélisation de la double protection lorsque l’utilisation des bouchons est couplée aux casque anti-bruit, l’intégration de la tête et du torse dans le modèle et l’étude des effets liés à cette intégration et la prise en compte de bruits d’impact.

Titre traduit

Sound transmission by outer path through an earplug coupled to an earcanal: numerical simulation and experimental validation

Résumé traduit

Earplugs remain the most effective short term solution to tackle the problem of occupational hearing loss. However, they are not always effective and adapted as desired and their in situ performances are difficult to assess. Wearing earplugs is associated with several issues such as risk co-factors in work accidents, insufficient in situ protection of the worker compared to the laboratory conditions, difficulty of using standardized measurement techniques in work places. Their design is often based on empirical methods where comfort is not taken into account.

To address some of these issues, a collaborative research project between l’École de technologie supérieure and the Institut de recherche Robert Sauvé en santé et sécurité du travail has been launched in 2010. This thesis is part of this project, its objective is to contribute to the better understanding of the problem of the sound transmission through the earplug-earcanal system to improve the design of the protector, to contribute to a better assessment of its effectiveness and thus ultimately to improve the workers protection. This objective is accomplished via a methodological development of a predicting tool to simulate the attenuation in the framework of a step by step modeling approach which integrates gradually geometrical and physical complexities. This development is carried out in four steps, the first 3 being presented in the form of peer reviewed journal articles and the forth constitutes an additional chapter in this article-based thesis.

In the first step, only the geometrical aspect of the ear canal is studied via the question of the validity of a simplified 2D axisymmetric description of the ear canal geometry in the case of rigid boundary conditions. This choice of boundary conditions allows in a first approximation to set aside the problems associated with the integration of the earcanal constitutive tissues. This question is investigated through comparisons of attenuation predictions with 2D and 3D models, and for individual or averaged over a group cases. The emphasis is put on finding the most reliable 2D geometry reconstruction method (in terms of attenuation prediction) which can be used, in order to define a 2D axisymmetric geometry based on geometrical characteristics of a 3D one.

In the second step, the previous 2D model is extended to take into account a layer of skin on the ear canal walls. This also corresponds to a configuration of the synthetic earcanal included in the acoustical test fixtures that are commonly used to measure the attenuation. The role of the skin and its effect on the earplug attenuation are studied. The contributions of the different acoustic pathways due to an airborne excitation are quantified. More generally, the investigation concerns the energy circulating within the domain. In addition, statistical analyses were performed to quantify the effect on the attenuation of the mechanical parameters of both the skin and the earplug.

In the third step, the previous model is extended to take into account the others tissues surrounding the ear canal (bone and soft tissues). Moreover, the previous geometry (the cylindrical one) is partially modified to obtain an average 2D axisymmetric ear canal geometry with a variable cross section. This choice is motivated by the results obtained in the previous steps. This model is first validated by comparisons with measurements on human subjects and then exploited to quantify the impact of various factors known to vary the attenuation when measured in laboratory conditions. These factors are: the possible presence of leaks, the insertion depth of the earplug, the inter-individual variation of the ear canal geometry and the variation of the mechanical parameters associated with the surrounding tissues. These factors are introduced one by one in the model and their impact on the attenuation is quantified and thereafter compared to standard deviations obtained from attenuation measurements on human subjects. Such comparisons are used to evaluate the predominance (as a function of the frequency) of the aforementioned factor effects on the attenuation.

In the fourth step, the study goes into the possibility of replacing the surrounding tissues of the ear canal by mechanical impedance boundary conditions. This work ultimately aims to simplify the models developed in the third step, by using models of steps 1 and 2 improved by the mechanical impedance boundary conditions rather than the more conventional condition limits (the fixed one) used till now. Two tissue replacement scenarios have been tested in the 2D axisymmetric configuration described in the first approximation. In the first scenario (similar to the model developed in step 1), the effect of all the tissues (skin, soft tissue and bone) were reduced to a mechanical impedance. A second scenario, a little less simplified, where only the bone and soft tissue domains are replaced is then considered. This second scenario allowed to correct the limitations obtained in the first scenario and helped to achieve more realism in terms of attenuation predictions, closer than those obtained with the model developed in step 3. These tests were performed on a unique geometry that does not allow generalizing the method validation which could be extended in future works to 3D models or 2D axisymmetric models with variable cross sections.

From a scientific point of view, each of the steps described above helped to better understand the key mechanisms involved in the attenuation of an earplug, the pathways leading the acoustic transmission in the case of an airborne sound excitation through the occluded ear canal, and to investigate the possible simplification which can be done to predict a realistic attenuation with a numerical model. This work helped to consolidate the idea that simplifying the 3D geometry of the occluded ear canal by a 2D axisymmetric one is possible, with certain limitations related to the geometrical reconstruction method used to define the 2D geometry. The importance of taking into account the skin in a finite element model of the occluded ear canal is highlighted. Using an average 2D axisymmetric model which integrates the ear canal surrounded tissues (or alternatively replaced by mechanical impedance boundary conditions) permitted to simulate realistic average attenuations, measurable on human subjects. The utilization of these different models allowed to a better comprehension of how the energy flows in the occluded ear canal and to quantify the effect of critical factors (leakage, insertion depth of the plug, the mechanical and geometrical parameters) responsible for variations in attenuation.

From a technological point of view, the sensitivity analyses performed on the earplug mechanical parameters with the modeling tools developed in this thesis provide concrete ways for the manufacturers to improve their product effectiveness. Following the same idea, statistical analyses performed on the mechanical parameters of the artificial skin included in artificial tests fixtures can lead to improved standards of requirements on their design or help manufacturers to approach mechanical parameters closer to human subjects.

From an occupational health and safety point of view, the advances described in this thesis and the development of the different modeling tools can help to better design the hearing protection products, and their efficiency will be better evaluated. Ultimately, this will improve working conditions by minimizing the risk of damage to the worker’s hearing.

Further research perspectives mentioned at the end of this thesis consist mainly in extending the models to different aspects not yet considered: an enlarged range of earplugs, with various materials and geometrical shapes, the introduction of the bone conduction, the modeling of dual protection when wearing earplug is coupled to earmuffs, the integration in the model of the head and the torso, to study the effects of this integration, and the consideration of impact noise.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 171-181.
Mots-clés libres: Conduit auditif externe Modèles mathématiques. Son Propagation Modèles mathématiques. Bouchons d'oreille Conception et fabrication. Protecteurs auditifs. Sécurité du travail. atténuation, pertes par insertion, conduction aérienne, modélisation, éléments finis, modèles numériques
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Laville, Frédéric
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Sgard, Franck
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 16 mars 2015 15:02
Dernière modification: 14 mars 2017 01:03
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1427

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