Study of the occlusion effect induced by an earplug : modelling and experimental validation

Brummund, Martin (2014). Study of the occlusion effect induced by an earplug : modelling and experimental validation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Despite existing limits for occupational noise exposure, professional hearing loss remains a high priority problem both in Québec and worldwide. Several approaches exist to protect workers from harmful noise levels. The most frequently employed short term solution includes the distribution of hearing protection devices (HPD) such as earplugs and ear muffs. While HPDs offer an inexpensive (e.g. direct cost) and efficient means of protection workers often only tend to wear HPDs for limited amounts of time and, thus, remain at risk of developing professional hearing loss.

Discomfort while using HPDs contributes to HPD underutilization and non-use. Two more general categories of discomfort can be distinguished. The category physical discomfort includes, for instance, problems such as heating of the ear and irritation of the ear canal that that occur upon earplug insertion. The category auditory discomfort refers to alterations in the auditory perception of sounds and one’s own voice as well as hindered workplace communications. One important auditory discomfort that promotes HPD non-use is the occlusion effect.

The occlusion effect occurs upon earplug insertion and describes sound amplification phenomena in the occluded ear canal at the low frequencies. The sound amplification is both perceivable and measurable (e.g., open and occluded sound pressure levels, hearing threshold shift). Additionally, the occlusion effect causes the HPD wearer to perceive his/her own voice as being distorted (e.g. hollow sounding) and physiological noises (e.g. respiration, blood circulation) are amplified also subsequent to earplug insertion.

Reducing the occlusion effect has the potential to increase the auditory comfort of HPDs and could help preventing occupational hearing loss in the future. In order to improve this and other shortcomings observed with currently existing HPDs a large research collaboration between the Robert-Sauvé research institute in occupational health and safety (IRSST) and the École de technologie supérieure (ÉTS) has been launched.

The present study represents a part of this collaboration and aims at studying the occlusion effect of the system earplug – ear canal through the development of novel numerical models and experimental methods.

A 3D (complex geometry) and an axisymmetric (simplified geometry) linear elasto-acoustic finite element model are presented in this study to simulate the objective bone conduction earplug occlusion effect.

The 3D model of complex geometry is used to predict the occlusion effect induced by a silicone earplug at several insertion depths. Power balance computations are used to explain how the ear canal walls and the medial earplug surface contribute to observed occlusion effect magnitudes at varying occlusion depths. The numerical occlusion effect predictions are validated with experimental reference data that were retrieved from the literature. The 3D model is used to investigate two well established qualitative occlusion effect models using power balance computations.

The axisymmetric occlusion effect model is used to predict open and occluded transfer function levels as well as the occlusion effect across three different excitation scenarios. First, only structure borne excitation is considered. Next, airborne noise is added incoherently to the structure borne excitation to study the effect of a mixed excitation. The mixed excitation is considered (i) for a leak free (perfect seal) earplug insertion and (ii) Under the presence of small earplug leaks. Each stimulation scenario is examined across four different boundary and load conditions. All predicted transfer function levels and occlusion effects are compared to experimental data.

An adapted version of the axi-symmetric occlusion effect model is employed to investigate the contribution of the earplug type to the occlusion effect magnitude. First, the numerical model is validated with the help of experimental occlusion effect data which were measured in two independent human reference groups which each use a different earplug type (silicone earplug and foam earplug). Second, the numerical model is further validated through comparison with two gold standard lumped element occlusion effect models which were drawn from the literature. Third, power balance computations are employed to investigate the power flow inside the occluded ear canal cavity as well as the earplug body (coupled to the ear canal walls) of the numerical external ear model. The power balances are computed both for the foam and the silicone earplug models at medium and very shallow earplug insertion depths.

A prototype of a novel artificial external ear test fixture for objective and standardized measurement of the occlusion effect is developed. Details on the implementation of the artificial external ear and the assembly of the occlusion effect test fixture are presented. The experimental test fixture is used to investigate the contribution of the structure and airborne sound transmission pathways. Experimental data is provided to demonstrate that the test fixture is functional and that it can be used to measure the occlusion effect of a foam earplug. The occlusion effect measurement is repeated for several mechanical stimulation levels to study the system’s linearity.

Titre traduit

Étude de l'effet d'occlusion induit par un protecteur auditif de type bouchon d'oreille : modélisaton numérique et validation expérimentale

Résumé traduit

Malgré l’existence de limites d’exposition au bruit en milieu du travail, la perte d'audition professionnelle constitue un problème important au Québec et à l’échelle mondiale. Plusieurs approches existent pour protéger les travailleurs exposés à des niveaux sonores nocifs. La solution à court terme la plus souvent rencontrée en pratique demeure l’utilisation de protecteurs individuels contre le bruit (PIB), tels que les bouchons d'oreilles et les protecteurs de type coquille.

Les PIBs représentent un moyen de protection efficace et ils se distinguent d’autres approches par leur coût économique faible et leur facilité d’utilisation. Néanmoins, à cause de problèmes d’inconfort il arrive souvent que la durée de port recommandée pour limiter l’exposition au bruit n’est pas respecter par les travailleurs et qu’ils risquent par conséquent de développer une perte d’audition professionnelle.

L’inconfort associé au port des PIBs peut être associé à deux grandes catégories. L’inconfort « physique » regroupe, pour les PIBs de type bouchon d’oreille, par exemple une sensation de pression sur les parois du conduit et l’échauffement de l’oreille. L’inconfort « auditif » regroupe des phénomènes liés à la modification de la perception de sons et de la parole ainsi que des difficultés de communication. Une source d’inconfort « auditif » qui joue un rôle important est l’effet d’occlusion.

L'effet d'occlusion apparaît lors de l’insertion d’un bouchon d’oreille dans le canal auditif et décrit un phénomène d’amplification sonore en basses fréquences par rapport au niveau habituel en oreille ouverte. Cette amplification sonore est perceptible par le porteur et mesurable par le niveau de pression dans le canal auditif (mesure objective) et la modification du seuil d’audition (mesure subjective). De plus, l'effet d'occlusion entraîne une sensation désagréable qui résulte du fait que la propre voix du porteur est déformée (elle est perçue comme plus caverneuse) et que les bruits physiologiques (tels que la respiration et la circulation sanguine) sont également amplifiés par le port des bouchons.

La réduction de l'effet d'occlusion contribuerait à augmenter le confort auditif des PIBs et donc aiderait à prévenir la surdité professionnelle. Afin de contribuer à résoudre les problématiques présentement associées au port des PIBs, l’institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST) et l'École de technologie supérieure (ÉTS) ont mis en place un projet conjoint de recherche scientifique visant à mieux comprendre le fonctionnement des PIBs dans un but d’une meilleure conception acoustique.

La présente étude fait partie de cette collaboration et a pour but d’étudier l'effet d'occlusion induit par un bouchon d'oreille inséré dans le canal auditif grâce au développement de nouveaux modèles numériques prédictifs et de méthodes expérimentales.

Deux modèles couplés elasto-acoustiques linéaires à géométrie complexe et à géométrie simplifiée (axisymétrique) sont présentés pour simuler l’effet d’occlusion induit par un bouchon d’oreille dans le cadre d’une excitation par voix osseuse.

Le premier modèle 3D à géométrie complexe est utilisé pour simuler l’effet d’occlusion d’un bouchon d’oreille à plusieurs profondeurs d’insertions. Des bilans de puissances sont utilisés pour étudier la circulation d’énergie dans l’oreille occluse à faible, moyenne et profonde insertion pour mieux comprendre comment contribuent la surface intérieure du bouchon ainsi que les parois non-occlues à l’effet d’occlusion. Les effets d’occlusions numériques obtenus à partir du modèle sont validés à l’aide de mesures expérimentales disponible dans la littérature. Le modèle numérique 3D est utilisé pour étudier les modèles qualitatifs de l’effet d’occlusion à l’aide de bilans de puissances.

Le deuxième modèle à géométrie axisymétrique est utilisé pour étudier les fonctions de transferts (oreille ouverte et occluse) ainsi que l’effet d’occlusion dans trois conditions d’excitation différentes. Tout d’abord une excitation purement par voie osseuse est considérée. Ensuite un bruit aérien est ajouté de manière incohérente à la stimulation par voie osseuse pour étudier l’effet d’une excitation mixte. Cette excitation mixte est ensuite étudiée dans le cas (i) d’une occlusion parfaitement étanche et (ii) sous présence de petites fuites acoustiques dans les modèles géométriques du bouchon. Chaque type d’excitation est considéré pour quatre configurations de conditions aux limites et d’excitation. Toutes les simulations numériques sont comparées à des mesures expérimentales.

Le modèle axisymétrique est utilisé pour simuler l'effet d'occlusion pour étudier le rôle que joue le type du bouchon par rapport à l'effet de l'occlusion. Ce travail est réalisé en trois temps. Dans un premier temps le modèle numérique est validé à l’aide de mesures expérimentales faites sur deux groupes indépendant de sujets humains, chaque groupe étant équipé d’un bouchon différent. Dans un deuxième temps le modèle axisymétrique est validé à l’aide de deux modèles électriques équivalents de l’effet d’occlusion issus de la littérature. Dans un troisième temps des calculs de bilans de puissances sont effectués pour mieux comprendre comment l’énergie circule dans le système dépendamment du type de bouchon utilisé. Ces calculs sont effectués dans le canal occlus ainsi que dans les bouchons en contact avec les parois du canal à une moyenne et une très faible profondeurs d’insertions.

Le prototype d'un nouveau dispositif expérimental d’une oreille externe artificielle est proposé pour mesurer l’effet d’occlusion de manière objective et standardisé. Des résultats expérimentaux issus de ce prototype sont présentés pour démontrer la fonctionnalité du dispositif dans le but de mesurer l'effet d'occlusion d'un bouchon d'oreille. Premièrement la mise oeuvre d’une oreille externe artificielle axisymétrique est présentée. Deuxièmement, le dispositif expérimental est utilisé pour étudier la contribution des différents chemins de transmission sonore. Troisièmement l’effet d’occlusion d’un bouchon en mousse à moyenne profondeur d’insertion est mesuré à l’aide du dispositif expérimental. La mesure de l’effet d’occlusion est répétée à plusieurs niveaux d’excitation mécanique pour étudier la linéarité du système.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 171-177.
Mots-clés libres:	Perception auditive Modèles mathématiques. Bouchons d'oreille Conception et fabrication. Protecteurs auditifs. Sécurité du travail. effet, occlusion, santé et sécurité du travail, protection auditive, effet d’occlusion, méthode d’éléments finis, étude numérique, mesure expérimentale, dispositif expérimental
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Laville, Frédéric
Codirecteur:	Codirecteur Petit, Yvan Sgard, Franck
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 mars 2015 20:34
Dernière modification:	13 mars 2017 21:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1429

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