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Mesure F-MIRE en continu de l'atténuation des protecteurs auditifs : expérimentation terrain et modélisation par éléments finis

Gaudreau, Marc-André (2016). Mesure F-MIRE en continu de l'atténuation des protecteurs auditifs : expérimentation terrain et modélisation par éléments finis. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’usage des protecteurs auditifs est répandu comme moyen de protéger les travailleurs en milieu bruyant, mais, une question quant à leur usage mérite d’être posée : « Est-ce que le travailleur bénéficie en tout temps d’une protection aussi efficace que celle annoncée lors des mesures normalisées? ». Pour répondre à cette question, deux objectifs ont été poursuivis : (1) le développement d’une méthode de mesure terrain en continu de la protection auditive d’un travailleur (2) le développement d’un modèle par éléments finis (FEM) de la transmission sonore à travers un protecteur auditif de type coquille et de la mesure de l’atténuation pour améliorer cette dernière.

Pour atteindre le premier objectif, une méthode nommée F-MIRE (field-microphone-in-realear) en continu a été développée. Le système de mesure consiste en un doublet microphonique, relié par fils à un enregistreur portatif stéréo. La différence entre les 2 voies (microphones externe et interne) se nomme l’affaiblissement sonore mesuré, NR* (measured noise reduction). Des résultats obtenus pour des serre-tête et bouchons moulés sur 24 travailleurs dans 8 entreprises différentes sont présentés et discutés. Les signaux sont ensuite analysés pour obtenir différents indicateurs utiles. Des indicateurs tels les niveaux d’exposition ambiants, les niveaux protégés, les valeurs d’affaiblissements des protecteurs peuvent être obtenus en fonction du temps et de la fréquence. Un indice d’atténuation « terrain » est développé et comparé avec l’indice d’atténuation recommandé dans la norme ANSI S12.68 (2007). Plusieurs observations sont faites sur la protection pour les protecteurs et sujets étudiés : i) conformément à ce qu’on retrouve dans la littérature, les valeurs de protection sont inférieures à celles affichées par les manufacturiers (mesurées en laboratoire), ii) pour un travailleur donné, la protection varie de façon significative en fonction du temps lors d’un quart de travail, iii) la protection peut varier beaucoup d’un travailleur à l’autre, mais aussi d’une oreille à une autre pour un travailleur donné, iv) l’indice d’atténuation développé montre une forte dépendance au contenu fréquentiel du bruit ambiant mettant bien en relief la faiblesse de protecteurs en basses fréquences et l’importance de bien connaitre le bruit ambiant pour faire un choix judicieux de protecteurs auditifs.

Pour atteindre le second objectif, un modèle FEM du système tête/protecteur soumis à un champ sonore directif a été développé et validé. Cet objectif provient d’un constat réalisé lors de l’élaboration de la méthode de mesure qui montre une grande variation du NR* en fonction de l’angle d’incidence de la source sonore, de l’ordre de 20dB par bande de fréquence tiers d’octave. Afin de valider le modèle, un protocole de mesures a été élaboré où une source sonore tourne, dans un plan horizontal, autour d’une tête de mesures artificielle instrumentée d’une coquille EAR-1000 (3M). En ce qui concerne le niveau du microphone externe ainsi que le NR*, le modèle démontre une excellente précision avec les mesures pour les fréquences sous 1000Hz. Au-dessus de 1600Hz, la précision décroit avec l’augmentation en fréquence. En ce qui concerne la variation du NR* en fonction de l’angle d’incidence, le modèle montre sa capacité à prendre en charge ce phénomène. Afin d’illustrer le potentiel du modèle à aider à l’amélioration de la méthode F-MIRE en continu, le modèle est utilisé pour déterminer la position optimale du microphone externe qui, pour la coquille modélisée, est le centre de la surface de la coquille. Plusieurs améliorations au modèle sont proposées concernant l’arceau de la coquille, la source sonore, le coussin, le couplage entre le coussin et la coquille et la caractérisation des matériaux.

Titre traduit

Continuous F-MIRE measurement of hearing protedtors' attenuation : field measurments and FEM model

Résumé traduit

While hearing protectors devices (HPD) are widely used to protect workers from Noisy environments, a question still needs being asked: “How well is a worker protected during his work shift, compared to the protection written on the label of his HPD ?” In order to answer this question, two main objectives were developed: (1) a field measurement method was developed and tested and (2) a numerical model was developed and validated to improve the measurement method.

To meet the first main objective of the thesis, a field measurement system was developed. It consists of a microphone doublet that records simultaneously the external and the internal sound pressure of the HPD. The method is called continuous F-MIRE (Field- Microphone-in-real-ear) and the difference between the 2 microphones is called measured noise reduction (NR*). Results for earmuffs and custom molded earplugs on 24 workers in 8 different work environments are presented. The signal processing from in-house routines give useful indicators like : exposed levels, protected levels, NR*. Indicators are presented as a function of time or frequency. A field attenuation index was developed and compared to standard attenuation (ANSI S12.68 (2007)). Several observations are made about field attenuation measured: (i) as found in the literature, field attenuation values are lower than labeled, for a given worker, (ii) attenuation vary considerably as a function of time during his work shift, (iii) attenuation vary between two workers with the same type of protector, but also between the two ears of the same worker, (iv) the field attenuation index developed for this research has a strong dependence to the frequency content showing how poor the attenuation is at low frequency and how important it is to know the type of noise field the worker will be in to choose the right HPD for him. Finally, research perspectives are given to improve the method.

The second main objective of this thesis is to develop and validate a numerical model of an earmuff coupled to an ATF (acoustical test fixture) that will allow studying different indicators influencing the precision of the method. This objective comes from a finding during the development of the measurement method that NR* varies, up to 20dB per third of octave band, as a function of the sound source incidence. The finite element (FE) model of the earmuff/ATF, that takes into account the scattering made by the geometry of interest, is excited by a plane wave of various incidence angle. To validate the model, a measurement protocol was developed where a sound source revolves in a horizontal plane around an instrumented earmuff on an ATF. The earmuff of interest is an EAR-1000 (3M). Regarding the evaluation of the external microphone SPL and of the NR*, the model correlates very well with measurements for frequencies below 1250Hz whatever the sound incidence. Above 1600 Hz, the FE model captures the trends, as a function of the incidence angle, but the agreement generally decreases with increasing frequency. A better correlation between the FE model and the experimental data is achieved for the variation of NR* as a function of the sound incidence. Actions such as accounting for the headband in the model, refining the modeling of the sound source, improving the cushion modeling and better describing the backplate/cushion coupling are suggested to improve the accuracy of the model. To illustrate the potential of the model to improve the continuous F-MIRE measurement method, the FE model is used to determine an optimal position of the external microphone and to obtain estimates of exposure levels using the left and right ear exterior microphones.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie mécanique". Bibliographie : pages 251-262.
Mots-clés libres: Son Propagation Mesure. Protecteurs auditifs. Bouchons d'oreille. Son Propagation Modèles mathématiques. Protecteurs auditifs Modèles mathématiques. Méthode des éléments finis. Sécurité du travail. F-MIRE, F-MIRE en continu, mesure de l’atténuation terrain, HPD, NRR, protection auditive, FEM, transmission acoustique, diffraction reliée à la tête, PML
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Laville, Frédéric
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Nélisse, Hugues
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 31 oct. 2016 14:18
Dernière modification: 31 oct. 2016 14:18
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1741

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