Prediction of the static pressure induced by a foam earplug inside a cylindrical earcanal

Sarraf Hosseinian, Seyed Saber (2021). Prediction of the static pressure induced by a foam earplug inside a cylindrical earcanal. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Over 120 million workers across the globe are exposed to dangerous levels of noise. Daily, 360,000 workers (Quebec province) are exposed to noise levels (90 dBA) that could cause hearing loss. One way to protect workers is the usage of hearing protection devices (HPDs). The use of HPDs is not efficient for wearers because they are often worn incorrectly or inconsistently. The most significant cause is discomfort induced by HPDs. This thesis is part of large project and focused on the prediction of the static mechanical pressure (SMP) on human’s earcanal wall induced by foam earplug, which is one of the sources of discomfort mentioned in the literatures. Currently, there is no available test bench or methods to measure the SMP at the interface between foam earplug and human earcanal. Accordingly, the main objective of this master thesis is to predict the SMP exerted by a foam earplug inserted into a simplified cylindrical earcanal. The specific objectives aimed at building finite element models (FEM) with two levels of complexity: 1) a model that simulates the insertion of the foam earplug in a simplified rigid earcanal of cylindrical shape without skin layer; 2) a model that simulates the insertion of the foam earplug in a more realistic earcanal that includes the surrounding soft tissue (skin layers). An earplug (3M classic E.A.R made of PVC foam) is considered. The mechanical properties of the human skin and foam earplug are characterized. The characterized mechanical properties of human skin and foam earplug were validated by using numerical simulation (FEM). A very good correlation is obtained from results of transverse and axial compression tests of foam earplug in both experimental and numerical simulation. The numerical simulation results for the force-displacement relationship obtained in indentation test on skin show a very good match with experimental data. The contact force between foam earplug and rigid cylindrical earcanal was measured by experimental test. The numerical simulations are carried out to mimic experimental tests. The contact forces were computed at the interface between the foam earplug and the rigid cylindrical earcanal was approximately 1.6 N without a skin layer and 1.5 N with a skin layer. The SMP at the interface between the foam earplug and the rigid cylindrical earcanal were 3.40 kPa without a skin layer and 3.18 kPa with a skin layer.

Titre traduit

Prévision de la pression statique induite par un bouchon d'oreille en mousse à l'intérieur d'un canal auriculaire cylindrique

Résumé traduit

Plus de 120 million de travailleurs dans le monde sont exposés à des niveaux de bruit dangereux. Chaque jour, 360000 travailleurs (Québec) sont exposés à des niveaux de bruit (90 dBA) pouvant entraîner une perte auditive. Une façon de protéger les travailleurs consiste à utiliser des protecteurs auditifs (PA). L’utilisation des PA n'est pas efficace pour les porteurs car ils sont souvent portés de manière incorrecte ou incohérente. La cause la plus importante est l'inconfort induit par les PA. Cette thèse fait partie d’un projet de recherche de grande ampleur et se concentre sur la prédiction de la pression mécanique statique (PMS) sur la paroi du canal auditif humain induite par un bouchon d'oreille en mousse, qui est l'une des sources d'inconfort évoquées dans la littérature. Il n'existe actuellement aucun banc d'essai pour mesurer la PMS à l'interface entre le bouchon d'oreille en mousse et le canal auditif humain. L'objectif principal de cette maîtrise est de concevoir des testeurs virtuels pour prédire la PMS exercée par un bouchon d'oreille en mousse inséré dans un canal auriculaire cylindrique simplifié. Les objectifs spécifiques visant à construire des modèles par éléments finis (MEF) avec deux niveaux de complexité: 1) Un modèle simulant l'insertion du bouchon d'oreille en mousse dans un canal auriculaire rigide simplifié de forme cylindrique sans couche de peau. 2) Un modèle qui simule l'insertion du bouchon d'oreille en mousse dans un canal auditif cylindrique qui comprend les tissus mous environnants (couches cutanées). Un bouchon d'oreille (3M Classic E.A.R en mousse CVP) est envisagé. Les propriétés mécaniques de la peau humaine ont été calibrées à partir d’essais tirés de la littérature alors que celles du bouchon d'oreille en mousse ont été obtenues d’essais de caractérisation. Le modèle avec conduit cylindrique rigide a été validé en comparant les résultats de simulation à ceux d’une expérience réalisée dans des conditions similaires. Une très bonne corrélation fut obtenue à partir des résultats des tests de compression transversale et axiale du bouchon d'oreille en mousse en simulation expérimentale et numérique. Les courbes forcedéplacement obtenues par simulation numérique de test d’indentation sur la peaur montrent une très bonne correspondance avec les données expérimentales tirées de la littérature. La force de contact entre le bouchon d'oreille en mousse et le canal auriculaire cylindrique rigide est mesurée par un test expérimental. Les simulations numériques sont effectuées pour imiter des tests expérimentaux. Les forces de contact calculées à l'interface entre le bouchon d'oreille en mousse et le canal auriculaire cylindrique rigide sont de 1,6 N sans couche de peau et de 1,5 N avec couche de peau. La PMS à l'interface entre le bouchon d'oreille en mousse et le canal auriculaire cylindrique rigide sans couche cutanée et avec couche cutanée est de 3,40 kPa et 3,18 kPa, respectivement.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 83-89).
Mots-clés libres:	pression mécanique statique, équipement de protection auditive, problèmes de surdité, conduit auditif humain, peau humaine, bouchon d'oreille en mousse, méthode des éléments finis, modélisation 3D
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Wagnac, Éric
Codirecteur:	Codirecteur Sgard, Franck
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	11 janv. 2022 16:00
Dernière modification:	11 janv. 2022 16:00
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2829

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