On the objective occlusion effect induced by in-ear devices under bone-conducted stimulation: a theoretical investigation of the influence of the earcanal wall vibration and its spatial distribution

Carillo, Kévin (2021). On the objective occlusion effect induced by in-ear devices under bone-conducted stimulation: a theoretical investigation of the influence of the earcanal wall vibration and its spatial distribution. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The occlusion effect is commonly experienced as the altered perception of one’s own physiological noise when the earcanal entrance is blocked. By affecting the acoustic comfort of hearing protectors and hearing aids’ users, the occlusion effect participates to their inconsistent or incorrect use. In this thesis, the objective occlusion effect caused by in-ear devices under bone-conducted stimulation is investigated in order to ultimately mitigate the phenomenon. For this purpose, this thesis focuses on (i) the explanation of the fundamental mechanism of the objective occlusion effect and its multiple interpretations, (ii) the influence of the earcanal wall vibration and its spatial distribution, and (iii) the mechanism(s) of contribution of in-ear devices to the occlusion effect. In a first part, the vibro-acoustic behavior of the earcanal open and occluded by an infinite impedance and submitted to a bone-conducted stimulation is thoroughly analyzed, illustrated and interpreted using a 3D finite element model of a realistic outer ear in conjunction with an associated electro-acoustic model. The two models are very complementary to dissect physical phenomena and to highlight the influence of the earcanal wall normal vibration distribution on the vibro-acoustic behavior of the open earcanal. This distribution is here characterized by its centroid position along the earcanal curvilinear axis. In particular, it is shown that this centroid position corresponds to the location of an equivalent source representing the normal vibration of the earcanal wall in electro-acoustic model. In addition, common interpretations of the occlusion effect in terms of “leak” and “trap” are shown to misrepresent the fundamental mechanism of the phenomenon related to the earcanal impedance increase. In a second part, a widespread theory of the objective occlusion effect provided by Tonndorf in 1964 is revisited to clarify its ambiguous points from which several misinterpretations of the phenomenon could have been derived. Investigating the electro-acoustic model associated with the theory, a second order high-pass filter effect for the volume velocity transferred between the earcanal wall and the eardrum is highlighted. This filter remains for partial occlusion but vanishes for perfect occlusion. In the latter case, the volume velocity transferred from the earcanal cavity to the middle ear through the eardrum drastically increases, which explains the predominance of the occluded outer ear pathway on the hearing by bone-conduction at low frequencies. In a third part, the principle of an indirect method to estimate the centroid position of the earcanal wall normal velocity is presented. This method consists in measuring the acoustic pressure transfer function between the earcanal open and occluded by an external capped duct coupled to the earcanal entrance under bone-conducted stimulation. The centroid position is then estimated at the lowest antiresonance frequency of the earcanal coupled to the external duct using an electro-acoustic model associated to the coupled system. This indirect method is evaluated and investigated using a 3D outer ear finite element model. In a last part, the mechanism(s) of contribution of earplugs to the occlusion effect is investigated using a 2D axi-symmetric finite element model of the outer ear in conjunction with an associated electro-acoustic model. Two mechanisms are highlighted: (i) a Poisson effect induced by the normal component of the earcanal wall vibration and (ii) a longitudinal motion caused by the tangential component of the earcanal wall vibration. By varying the geometry of the earcanal surrounding tissues, the spatial distribution of the earcanal wall vibration, in both normal and tangential directions, is shown to influence the contribution of earplugs to the occlusion effect. Also, it is shown that the contribution of earplugs to the occlusion effect dominates that of the earcanal wall which is not covered by them from medium to deep insertion depth. Overall, this thesis constitutes an additional effort in the understanding of the occlusion effect induced by in-ear devices and ends at the beginning of the development of new concepts mitigating the phenomenon using their own passive vibro-acoustic behavior.

Titre traduit

Étude théorique de l’effet d’occlusion objectif associé aux dispositifs intra-auriculaires: focus sur l’influence de la vibration pariétale du conduit auditif et de sa distribution spatiale

Résumé traduit

L’effet d’occlusion est généralement ressenti comme la perception accrue de ses propres bruits physiologiques lorsque le conduit auditif est occlus. En diminuant le confort acoustique des utilisateurs de protecteurs auditifs et d’aides auditives, l’effet d’occlusion réduit leur temps de port. Dans cette thèse, l’effet d’occlusion objectif induit par le port de dispositifs intraauriculaires est investigué dans le but de réduire ce phénomène à terme. Cette thèse se concentre ainsi sur (i) l’explication et l’interprétation du mécanisme fondamental de l’effet d’occlusion, (ii) l’influence de la vibration pariétale du conduit auditif et de sa distribution spatiale, ainsi que (iii) le(s) mécanisme(s) de contribution des dispositifs intra-auriculaires à l’effet d’occlusion. Dans une première partie, le comportement vibro-acoustique du conduit auditif ouvert et occlus par une impédance infinie et soumis à une stimulation solidienne est minutieusement analysé, illustré et interprété à l’aide d’un modèle éléments finis 3D d’une oreille externe réaliste et en conjonction avec un modèle électro-acoustique qui lui est associé. Les deux modèles se révèlent être très complémentaires afin de détailler les phénomènes physiques mis en jeu dans le conduit auditif. Cette approche permet également de mettre en évidence et d’interpréter l’influence de la distribution spatiale de la vibration normale du conduit auditif sur le comportement vibro-acoustique de ce dernier lorsqu’il est ouvert. Cette distribution vibratoire est ici caractérisée par la position de son barycentre le long de l’axe curviligne du conduit. En particulier, il est démontré que cette position correspond à la localisation de la source équivalente de débit acoustique représentant la vibration normale de la paroi du conduit au sein du modèle électro-acoustique. Enfin, il est montré que les interprétations courantes de l’effet d’occlusion en termes de « fuites » et de « piège » ne décrivent pas adéquatement le mécanisme fondamental du phénomène lié à l’augmentation de l’impédance du conduit auditif vue par sa paroi dans le cas occlus. Dans une seconde partie, une théorie largement répandue de l’effet d’occlusion objectif proposée par Tonndorf en 1964 est revisitée dans le but de clarifier certains points ambigus desquels certaines interprétations du phénomène ont pu être tirées. L’investigation du modèle électro-acoustique associé à cette théorie met en évidence l’existence d’un filtre passe-haut du second ordre entre le débit acoustique imposé par la paroi du conduit et celui transféré au tympan. Ce filtre persiste dans le cas d’une occlusion partielle du conduit mais disparait dans le cas d’une occlusion parfaite, devenant constant avec la fréquence. Dans ce dernier cas, le débit acoustique transféré entre la paroi du conduit et le tympan augmente considérablement, ce qui explique la prédominance du chemin de transmission par conduction osseuse de l’oreille externe occluse en basses fréquences. Dans une troisième partie, le principe d’une méthode indirecte d’estimation de la position du barycentre de la vitesse normale du conduit auditif est présenté. Cette méthode consiste à mesurer la fonction de transfert de pression acoustique au tympan entre le conduit ouvert et occlus par un tube fermé à son autre extrémité. La stimulation du conduit est réalisée par conduction osseuse. La position du barycentre de vitesse normale est ensuite estimée à la fréquence d’antirésonance la plus basse du système couplé à l’aide d’un modèle électro-acoustique associé à ce dernier. Cette méthode indirecte est évaluée et étudiée à l’aide d’un modèle éléments finis 3D de l’oreille externe. Dans une dernière partie, les mécanismes de contribution des bouchons d’oreille à l’effet d’occlusion sont étudiés à l’aide d’un modèle 2D axi-symétrique par éléments finis de l’oreille externe en conjonction avec un modèle électro-acoustique associé. Deux mécanismes sont mis en évidence: (i) un effet de Poisson induit par la composante normale de la vibration pariétale du conduit auditif et (ii) un mouvement longitudinal provoqué par la composante tangentielle de cette vibration. En faisant varier la géométrie des tissus biologiques entourant le conduit auditif, il est montré que la distribution spatiale de sa vibration pariétale, dans les directions normale et tangentielle, influence la contribution des bouchons d’oreille à l’effet d’occlusion. Aussi, il est montré que la contribution du bouchon d’oreille à l’effet d’occlusion domine celle de la paroi du conduit non-couverte par le bouchon à partir d’une profondeur d’insertion moyenne. Dans son ensemble, cette thèse constitue un effort supplémentaire dans la compréhension de l’effet d’occlusion induit par les dispositifs intra-auriculaires et s’achève aux balbutiements du développement de nouveaux concepts passifs atténuant ce phénomène par le moyen de leur propre comportement vibro-acoustique.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 185-195).
Mots-clés libres:	effet d’occlusion, modélisation par éléments finis, analogie electro-acoustique, vibration pariétale du conduit auditif, contribution des dispositifs intra-auriculaires
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Doutres, Olivier
Codirecteur:	Codirecteur Sgard, Franck
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 janv. 2022 16:34
Dernière modification:	10 janv. 2022 16:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2810

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