Développement d’une oreille artificielle simplifiée et réaliste pour quantifier l’effet d’occlusion objectif

Cyr-Desroches, Marc-Olivier (2021). Développement d’une oreille artificielle simplifiée et réaliste pour quantifier l’effet d’occlusion objectif. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Au Québec, environ 360 000 travailleurs sont exposés quotidiennement à des niveaux de bruits susceptibles d’endommager leur santé auditive. L’utilisation de bouchons d’oreilles est parfois la seule solution envisageable pour réduire l’exposition du travailleur à ces bruits dangereux. Cependant, leur utilisation est associée à de multiples inconforts qui réduisent la qualité et le temps de port, les rendant ainsi inefficaces. Ce travail de maîtrise s’intéresse principalement à l’effet d’occlusion, un inconfort acoustique lié à la perception accrue des sons internes (comme sa propre voix) lorsque les oreilles sont occluses.

Ce mémoire a pour but d’améliorer les outils de simulation et de mesure de l’effet d’occlusion objectif, un indicateur généralement associé à l’inconfort acoustique vécu. L’indicateur objectif de l’effet d’occlusion, appelé « effet d’occlusion » (OE pour « occlusion effect » en anglais), est donc défini comme la différence de niveaux de pression acoustique en un point donné du conduit auditif entre le conduit occlus et ouvert. Effectivement, les oreilles artificielles existantes ne permettent pas de reproduire les principaux effets de l’OE observés sur des groupes de participants (ex., effet du type de bouchon et de la profondeur d’insertion) et les modèles utilisés pour concevoir ces oreilles n’ont pas encore pu être validés. Le développement de ce type d’outil est primordial pour pouvoir concevoir des bouchons d’oreilles plus confortables.

Ce travail de maîtrise vise donc à développer un prototype d’oreille artificielle (POA) simplifiée et réaliste dédié à la quantification objective de l’effet d’occlusion. Ce POA doit être simple au niveau sa géométrie et de son anatomie, mais suffisamment réaliste pour pouvoir bien reproduire le champ de vibration sur les parois du conduit. Le POA consiste en un conduit cylindrique à section constante intégré dans une matrice parallélépipédique reproduisant les tissus environnants du conduit auditif et est excité perpendiculairement au conduit directement sur les tissus mous à l’aide d’un banc de test dédié à la caractérisation de matériaux acoustiques (banc QMA).

Le POA est dans un premier temps conçu à l’aide d’outils numériques préliminaires. Il est ensuite fabriqué et évalué expérimentalement par rapport aux données de la littérature. L’évaluation du prototype d’oreille a permis de déterminer que les principaux effets connus observés sur l’OE (c.-à-d., type du bouchon et profondeur d’insertion) sont correctement reproduits pour un bouchon de mousse, mais moins pour un bouchon plus rigide en silicone. Une phase de validation est ensuite réalisée. Dans le cas d’un dispositif d’occlusion simple réalisé à l’entrée du conduit, les simulations de l’OE sont assez proches des mesures effectuées sur le POA fabriqué, et ce principalement quand les tissus mous sont modélisés comme un solide viscoélastique quasi incompressible. Pour les dispositifs d’occlusion de type bouchon (mousse et silicone), la comparaison mesure/calcul est moins satisfaisante. Plusieurs facteurs pourraient expliquer ces différences dont : les propriétés mécaniques des bouchons et le contact entre la peau et le bouchon qui sont mal connus et mal modélisés.

Ce prototype d’oreille artificielle permet de faire un pas en avant vers le développement d’outils dédiés à l’amélioration du confort (et donc de l’efficacité) des bouchons d’oreilles, réduisant ainsi les risques de surdité des travailleurs.

Titre traduit

Development of a simplified and realistic artificial ear for quantifying the objective occlusion effect

Résumé traduit

In Quebec, approximately 360,000 workers are exposed daily to noise levels that could damage their hearing health. The use of earplugs is sometimes the only solution to reduce the workers’ exposure to these dangerous noises. However, their use is often associated with multiple discomforts which reduce the quality and the wearing time, thus rendering them ineffective. This dissertation is primarily concerned with the occlusion effect, an acoustic discomfort associated with the increased perception of internal sounds (such as one's own voice) when the ears are occluded.

The purpose of this memoir is to improve the simulation and measurement tools of the objective occlusion effect, an indicator generally associated with the experienced acoustic discomfort. The objective indicator of the occlusion effect (OE) is therefore defined as the difference in sound pressure at a given point in the earcanal between the occluded and open earcanal. Indeed, the existing artificial ears do not allow an accurate limitation of the main effects observed on groups of participants (e.g., effect of earplug type and the insertion depth) and the models used to design these ears have not yet been validated. The development of this type of tool is essential to be able to design more comfortable earplugs.

This master's work therefore aims to develop an artificial ear prototype (POA for “prototype d’oreille artificielle” in French) dedicated to the objective quantification of the occlusion effect. This POA must be simple in terms of its geometry and anatomy, but realistic enough to be able to properly reproduce the vibration field on the walls of the earcanal. The POA is designed to have a cylindrical earcanal of constant section integrated in a parallelepiped matrix reproducing the surrounding tissues and to be excited perpendicular to the earcanal directly on the soft tissues using a test bench dedicated to the characterization of acoustic materials (QMA bench).

The POA is first designed using initial digital tools. It is then manufactured and evaluated experimentally against data extracted from the literature. Evaluation of the POA determined that the main known effects observed on the OE (i.e., earplug type and insertion depth) are correctly reproduced for a foam earplug, but less so for a more rigid silicone earplug. A validation phase is then carried out. In the case of a simple occlusion device made at the entrance of the earcanal, the simulations of the OE are quite close to the measurements carried out on the manufactured POA, and this mainly when the soft tissues are designed as a quasi-incompressible viscoelastic solid. For earplugs type occlusion devices (foam and silicone), the measurement/calculation comparison is less satisfactory. Several factors could explain these differences, including: the mechanical properties of earplugs and the contact between the skin and the earplug, which are poorly understood and poorly modeled.

This prototype of an artificial ear takes a step forward in the development of the tools dedicated to improving the comfort (and therefore the effectiveness) of earplugs, thus reducing the risk of deafness for workers.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 101-105).
Mots-clés libres:	effet d’occlusion, oreille artificielle, bouchon, modèle éléments finis, oreille externe
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Doutres, Olivier
Codirecteur:	Codirecteur Sgard, Franck
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	07 févr. 2022 15:58
Dernière modification:	07 févr. 2022 15:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2875

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