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Étude de la transmission sonore à travers un protecteur de type "coquilles" : modélisation numérique et validation expérimentale

Boyer, Sylvain (2015). Étude de la transmission sonore à travers un protecteur de type "coquilles" : modélisation numérique et validation expérimentale. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

On estime que sur les 3,7 millions des travailleurs au Québec, plus de 500 000 sont exposés quotidiennement à des niveaux de bruits pouvant causer des lésions de l’appareil auditif. Lorsqu’il n’est pas possible de diminuer le niveau de bruit environnant, en modifiant les sources de bruits, où en limitant la propagation du son, le port de protecteurs auditifs individualisés, telles que les coquilles, demeure l’ultime solution. Bien que vue comme une solution à court terme, elle est communément employée, du fait de son caractère peu dispendieux, de sa facilité d’implantation et de son adaptabilité à la plupart des opérations en environnement bruyant. Cependant les protecteurs auditifs peuvent être à la fois inadaptés aux travailleurs et à leur environnement et inconfortables ce qui limite leur temps de port, réduisant leur protection effective.

Afin de palier à ces difficultés, un projet de recherche sur la protection auditive intitulé : « Développement d’outils et de méthodes pour améliorer et mieux évaluer la protection auditive individuelle des travailleur », a été mis sur pied en 2010, associant l’École de technologie supérieure (ÉTS) et l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST). S’inscrivant dans ce programme de recherche, le présent travail de doctorat s’intéresse spécifiquement à la protection auditive au moyen de protecteurs auditifs « passifs » de type coquille, dont l’usage présente trois problématiques spécifiques présentées dans les paragraphes suivants.

La première problématique spécifique concerne l’inconfort causé par exemple par la pression statique induite par la force de serrage de l’arceau, qui peut réduire le temps de port recommandé pour limiter l'exposition au bruit. Il convient alors de pouvoir donner à l’utilisateur un protecteur confortable, adapté à son environnement de travail et à son activité.

La seconde problématique spécifique est l'évaluation de la protection réelle apportée par le protecteur. La méthode des seuils auditifs REAT (Real Ear Attenuation Threshold) aussi vu comme un "golden standard" est utilisé pour quantifier la réduction du bruit mais surestime généralement la performance des protecteurs. Les techniques de mesure terrains, telles que la F-MIRE (Field Measurement in Real Ear) peuvent être à l'avenir de meilleurs outils pour évaluer l'atténuation individuelle. Si ces techniques existent pour des bouchons d'oreilles, elles doivent être adaptées et améliorées pour le cas des coquilles, en déterminant l'emplacement optimal des capteurs acoustiques et les facteurs de compensation individuels qui lient la mesure microphonique à la mesure qui aurait été prise au tympan.

La troisième problématique spécifique est l'optimisation de l'atténuation des coquilles pour les adapter à l'individu et à son environnement de travail. En effet, le design des coquilles est généralement basé sur des concepts empiriques et des méthodes essais/erreurs sur des prototypes. La piste des outils prédictifs a été très peu étudiée jusqu’à présent et mériterait d’être approfondie. L’utilisation du prototypage virtuel, permettrait à la fois d’optimiser le design avant production, d’accélérer la phase de développement produit et d’en réduire les coûts.

L’objectif général de cette thèse est de répondre à ces différentes problématiques par le développement d’un modèle de l’atténuation sonore d’un protecteur auditif de type coquille. À cause de la complexité de la géométrie de ces protecteurs, la méthode principale de modélisation retenue à priori est la méthode des éléments finis (FEM). Pour atteindre cet objectif général, trois objectifs spécifiques ont été établis et sont présentés dans les trois paragraphes suivants.

Le premier objectif spécifique est le développement d’un banc de mesure de l’atténuation d’un protecteur auditif de type coquille, avec deux sous-objectifs : (1) déterminer au préalable expérimentalement le rôle de chacun de ses éléments et de leur couplage dans les chemins de transmission sonore à travers le protecteur pour guider l’élaboration du modèle dans l’objectif 2. (2) valider le modèle FEM de l’objectif 2.

Le deuxième objectif spécifique est le développement proprement dit du modèle FEM basé sur la connaissance des entités géométriques, des paramètres matériaux et des conditions limites appliquées aux coquilles modélisées. Le développement du modèle sera effectué sous des logiciels commerciaux.

Le troisième objectif spécifique consiste à exploiter les résultats des mesures et des modèles pour (i) Mieux comprendre le comportement vibroacoustique de la coquille, (ii) Proposer des solutions d’amélioration de leur conception et (iii) aider au développement de la méthode F-MIRE.

Les chapitres 1 à 7 présentent la méthodologie utilisée et les résultats obtenus. Cette thèse écrite sous un format de « thèse par article » contient trois articles scientifiques soumis, acceptés ou publiés dans des journaux en langue anglaise avec revue par les pairs. Des chapitres additionnels ont été rajoutés, écrits en français pour compléter les articles en présentant des détails complémentaires ainsi que des développements qui n’étaient pas assez achevés pour être matière à publication.

Les retombées du travail de recherche présenté dans cette thèse peuvent se différencier en trois catégories : les retombées scientifiques, les retombées technologiques et les retombées liées au domaine de la santé et la sécurité au travail.

D’un point de vue scientifique, les travaux de modélisation, conjointement aux mesures réalisées ont permis d’accroître le champ des connaissances théoriques sur le fonctionnement des protecteurs de type coquille. De manière générale, bien qu’il existe encore des différences entre mesures et calculs, les modèles développés ont montré leur capacité à prédire l’atténuation des protecteurs, jusqu’à 6.4 kHz et une bien meilleure corrélation entre les simulations et les mesures a été obtenue, en regard des travaux de modélisations menés jusqu’ici.

D’un point de vue technologique, les modèles développés peuvent être utilisés comme outils prédictifs en vue de faire du prototypage virtuel et ainsi accélérer les phases de développement de produits. Ainsi, le recours au modèle permettrait de mener des études paramétriques, à la fois sur les propriétés mécaniques et géométriques des composants de la coquille et de déterminer les priorités d’optimisation pour la conception des protecteurs. Également, les capacités du modèle à prédire les champs sonores extérieur et intérieur à la coquille en font un outil idéal pour aider au développement de mesures terrain, comme la méthode F-MIRE, en déterminant les endroits idéaux où placer les microphones de mesures et en déterminant les facteurs de compensations nécessaires au calcul de l’atténuation à partir des signaux mesurés par les microphones.

Enfin, en terme de santé et sécurité du travail, le recours à la modélisation à des fins d’optimisation de produits et à des fins d’implémentation de mesure en temps réel de l’atténuation des coquilles, permettront à long terme, de disposer de nouveaux protecteurs aux performances accrues et adaptées, à la fois à l’utilisateur, mais aussi à son environnement de travail. De ce fait, on s’attend à augmenter la protection du travailleur, tout en garantissant son confort physique et acoustique et ainsi réduire le risque de surdités professionnelles.

Plusieurs perspectives de travaux de recherche sont proposées en fin de thèse. Certaines de ces perspectives concernent essentiellement un raffinement du modèle existant afin d’améliorer la corrélation entre les simulations et les mesures de validations. D’autres proposent un élargissement à d’autres types de coquille que celle étudiées. D’autres enfin, proposent une modification du modèle de coquille en ajoutant par exemple un couplage entre la coquille et une tête artificielle, ou en combinant le modèle de coquille avec celui d’un bouchon d’oreille afin d’étudier la double protection, ou encore en adaptant le modèle pour le cas de bruits d’impacts.

Titre traduit

Study of the sound transmission through earmuffs: numerical modeling and experimental validation

Résumé anglais

It is estimated that around 500,000 of the 3.7 million workers in Quebec are daily exposed to noise levels which may cause damage to hearing. When it is impossible to reduce the noise at source or to limit the propagation of sound, the use of hearing protection devices (HPD), such as earmuffs, remains the solution of necessity. While seen as a short term solution, HPDs are commonly used since they are low cost, easy to employ and readily portable to most operations in noisy environments. However, HPDs can prove both inadequate for workers and their environment as well as uncomfortable, thereby limiting their wearing time and reducing effective protection.

To address some of these issues, a collaborative research project on hearing protection between the École de technologie supérieure (ETS) and the Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST) was launched in 2010. As part of this research program, this Ph.D. thesis focuses specifically on hearing protection using passive earmuffs, whose use is associated with three specific problematics described below.

The first specific problematic concerns the discomfort caused, for example, by the static pressure induced by the headband clamping force, which can reduce the recommended wearing time.

The second specific problematic is the assessment of the actual protection provided by the protector. The REAT (Real Ear Attenuation Threshold), also seen as a "golden standard", is used to quantify the noise reduction but generally overestimates the performance of the protectors. Field measurement methods, such as the F-MIRE (Field Measurement in Real Ear) are seen as better tools to assess the individual attenuation. While such techniques exist for earplugs, they must be adapted and improved for earmuffs by determining the optimal location of the acoustic sensors and the individual compensation factors linking the sound pressure level measured at the microphone to the sound pressure level at the eardrum.

The third specific problematic is the optimization of earmuff design, which is generally based on empirical criteria. So far, there has been very little investigation of predictive Tools or modeling and this area merits further study. Virtual prototyping would optimize the design before production, accelerate the product development phase and reduce costs.

The principal objective of this thesis is to address these issues by modeling the sound attenuation of commercial earmuffs. Given the geometrical complexity of these protectors, the use of the finite element method (FEM) was chosen. To achieve this principal objective, three specific objectives were established, as briefly detailed below.

The first specific objective is the development of an acoustical test bench to assess the sound attenuation of earmuffs, with two sub-objectives: (1) to pinpoint the correct modeling level for each component based on an assessment of the sound transfer path through the earmuff components, and (2) to validate the developed model.

The second specific objective is the development of the FEM model based on knowledge of geometric entities, material parameters and boundary conditions applied to the modeled earmuffs.

The third specific objective is to utilize the results of measurements and models to (i) better understand the vibroacoustic behavior of the earmuffs, (ii) propose design improvement solutions, and (iii) assist in developing the F-MIRE method.

Chapters 1-7 present the methodology used and the results attained. This thesis contains three scientific articles written in English, submitted, accepted or published in peer reviewed journals. Additional chapters, in French, have been added to provide further details and developments.

Outcomes from this research can be divided into three categories: scientific outcomes, technology outcomes and outcomes related to health and safety in the workplace.

From a scientific point of view, the modeling efforts combined with the experimental work provided a better understanding of the vibroacoustic behavior of earmuffs. Moreover, while the predicted attenuation did not perfectly match the measurements, a closer correlation between the model and the experimental validations was obtained compared with earlier published research.

From a technology point of view, the developed models can be used as predictive tools to virtually prototype earmuffs and speed up the product development phases. This may be done by running parametric studies on the geometric entities, material parameters of the different components of the earmuff, to identify design optimization priorities. Also, the model's ability to predict the sound field inside the earmuff make it an ideal tool to help develop field measurement methods, such as the F-MIRE, by determining ideal locations for the measurement microphones as well as compensation factors.

Finally, in terms of health and safety at work, the use of modeling to optimize earmuff design and to advance field measurement methods will, in the long term, lead to better hearing protection devices, with enhanced performance, and better adapted to both the user and the environmental work noise. Greater protection for workers is therefore anticipated, while ensuring their physical and acoustic comfort and reducing the risks of occupational hearing loss.

The thesis concludes by proposing various work perspectives, several of which emphasize a refinement of the existing model to improve the correlation between simulations and validation measurements. Other perspectives suggest broadening the research to other types of earmuff than the one studied here. It is further proposed to extend the scope of the modeling by adding a coupling to an artificial test fixture, by combining the earmuff model with one developed for earplugs to study the dual protection, and also by adapting the model to transient noises.

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 175-182.
Mots-clés libres: Protecteurs auditifs Conception et construction. Protecteurs auditifs Modèles mathématiques. Son Propagation Modèles mathématiques. Oreille Lésions et blessures Prévention. Surdité due au bruit Prévention. Sécurité du travail. casque anti-bruit, modélisation, élément finis, perte par insertion, atténuation, coussin de confort
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: 20 oct. 2015 19:17
Dernière modification: 20 oct. 2015 19:17
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1525

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