Experimental and numerical study on the contribution of acoustic test fixtures to hearing protector sound attenuation: Sound transmission paths in the case of a double hearing protector and influence of eardrum acoustic impedance

Luan, Yu (2021). Experimental and numerical study on the contribution of acoustic test fixtures to hearing protector sound attenuation: Sound transmission paths in the case of a double hearing protector and influence of eardrum acoustic impedance. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Acoustic test fixtures (ATFs) can be adopted to assess the sound attenuation of hearing protectors (e.g., earplugs and earmuffs) as they can facilitate measurements, and allow data acquisition under severe noise conditions. However, standardized ATFs are not realistic enough to closely capture the subjective attenuation of all types of protectors and their fitting on a large majority of human subjects. As an initial step towards a more accurate evaluation of hearing protector attenuation on ATFs, this thesis seeks to address two primary issues related to their vibroacoustic design features: (i) sound attenuation prediction of double hearing protectors (DHPs, i.e., earplugs combined with earmuffs) which involves structure-borne sound transmission through the ATF; (ii) impact of the IEC 60318-4 ear simulator acoustic impedance in the ATF earcanal on the hearing protector attenuation.

On the one hand, the DHP effect on a commercial ATF is studied through specially designed experiments by modifying the system coupling conditions or controlling the sound pressure level under the earmuff. Such an effect refers to the phenomenon where the DHP overall attenuation falls short of the algebraic sum of each single protector’s attenuation, and is particularly characterized by the decrease of the earplug noise reduction after adding the earmuff. Experimental data suggest that the DHP effect is mainly associated with the structure-borne energy transmitted from the earcup, through the earmuff cushion/ATF assembly and finally into the earcanal due to the sound radiation of the earplug and/or earcanal lateral walls, which dominates over the “direct” airborne transmission via the earplug outer surface. A finite element model is afterwards developed and experimentally validated to predict the DHP effect on an ATF. The crucial contribution of structure-borne transmission is further confirmed through the power balances simulated with selected configurations of the ATF. The DHP effect is shown to originate from the structure-borne power injected from the ATF boundaries and/or earmuff cushion. The important influence of earcanal wall vibration is highlighted when the artificial skin is accounted for. An indirect structure-borne path is identified which corresponds to the radiation of the earplug excited by the earcanal walls.

On the other hand, a transfer matrix model of an ear simulator is proposed based on a direct assessment of its geometric dimensions, and validated through numerical and experimental approaches. Compared to the lumped parameter model commonly used in the literature, this model is shown to accurately account for the thermo-viscous effects in the simulator, and represent its input impedance in a relatively wide frequency range. The transfer matrix model enables to retrieve an equivalent tympanic impedance of the simulator which is imposed as an impedance boundary condition at the “eardrum position” in the finite element model of open and occluded ATF earcanals to simulate the insertion loss of an earplug. Furthermore, a similar process is adopted to investigate the influence of the eardrum impedance inter-individual variability on the earplug attenuation. This is achieved through a Monte Carlo simulation of 1000 equivalent tympanic impedances obtained by varying the simulator dimensions in the transfer matrix model. The simulation results are deemed representative of the variability in the human eardrum impedance. Representative sets of equivalent tympanic impedance are then selected among these results, and applied as impedance boundary conditions in a finite element model to simulate the earplug insertion loss in a realistic-shaped earcanal. The variability in the equivalent tympanic impedance is shown to induce non-negligible differences in the insertion loss results, indicating that the human eardrum impedance diversity should be accounted for by the ear simulator for earplug attenuation measurements.

Overall, this thesis presents the experimental methodology and numerical models for investigating the ATF vibroacoustic features of interest, and in the long term, could serve as a foundation to guide the design and implementation of ATFs for more realistic characterization of hearing protector attenuation.

Titre traduit

Étude expérimentale et numérique sur la contribution des montages d’essai acoustique à l’atténuation sonore des protecteurs auditifs : Chemins de transmission sonore dans le cas d’une double protection auditive et influence de l’impédance acoustique du tympan

Résumé traduit

Les montages d’essai acoustique (acoustic test fixtures – ATFs) peuvent être utilisés pour évaluer l’atténuation sonore des protecteurs auditifs (par exemple, bouchons d’oreille et serre-têtes). Ces montages facilitent les mesures et permettent l’acquisition de données dans des conditions de bruit très élevé. Cependant, les ATFs standardisées ne sont pas suffisamment réalistes pour bien capturer l’atténuation subjective de tous les types de protecteurs et leurs ajustements sur une grande majorité de sujets humains. En tant que première étape vers une évaluation plus précise de l’atténuation des protecteurs auditifs sur les ATFs, cette thèse vise à résoudre deux principales problématiques liées à leurs caractéristiques de conception vibroacoustique : (i) prédiction de l’atténuation des doubles protections auditives (bouchon d’oreille combiné avec un serre-tête) qui implique la transmission solidienne à travers l’ATF ; (ii) impact de l’impédance acoustique du simulateur d’oreille IEC 60318-4 dans le conduit auditif de l’ATF sur l’atténuation des protecteurs auditifs.

D’une part, l’effet double protection sur un ATF commercial est étudié grâce à une campagne expérimentale impliquant des expériences spécialement conçues en modifiant les conditions de couplage du système ou en contrôlant le niveau de pression sonore sous la coquille du serre-tête. Un tel effet se réfère au phénomène où l’atténuation totale de la double protection est inférieure à la somme algébrique de l’atténuation individuelle de chaque protecteur, et est caractérisé par la diminution de la réduction du bruit du bouchon d’oreille après l’ajout du serre-tête. Les données expérimentales suggèrent que l’effet double protection est principalement associé à l’énergie solidienne transmise depuis la coquille du serre-tête, à travers l’ensemble du coussin/ATF et enfin au conduit auditif en raison du rayonnement acoustique du bouchon d’oreille et/ou des parois latérales du conduit, qui domine la « directe » transmission aérienne via la surface extérieure du bouchon. Un modèle d’éléments finis est ensuite développé et validé expérimentalement pour prédire l’effet double protection sur un ATF. La contribution cruciale de la transmission solidienne est confirmée par les bilans de puissance simulés avec des configurations choisies de l’ATF. Il est démontré que l’effet double protection provient de la puissance solidienne injectée à partir des surfaces extérieures de l’ATF et/ou du coussin de la coquille. L’influence importante de la vibration des parois du conduit auditif est mise en évidence lorsque la peau artificielle est prise en compte. Un chemin indirect de transmission solidienne correspondant au rayonnement du bouchon d’oreille excité par les parois du conduit est identifié.

D’autre part, un modèle de matrice de transfert du simulateur d’oreille est proposé basé sur une évaluation directe de ses dimensions géométriques, et validé par des approches numérique et expérimentale. Comparé au modèle à constantes localisées couramment utilisé dans la littérature, ce modèle prend en compte avec précision les effets thermo-visqueux dans le simulateur et représente son impédance d’entrée dans une relativement large gamme de fréquences. Il permet aussi de récupérer une impédance tympanique équivalente du simulateur qui est imposée comme condition aux limites d’impédance au « niveau du tympan » dans le modèle d’éléments finis des conduits ouvert et occlus de l’ATF pour simuler la perte par insertion d’un bouchon d’oreille. Par ailleurs, un processus similaire est adopté pour étudier l’influence de la variabilité interindividuelle de l’impédance du tympan sur l’atténuation des bouchons. Ceci est réalisé grâce à une simulation Monte Carlo de 1000 impédances tympaniques équivalentes obtenues en faisant varier les dimensions du simulateur dans le modèle de matrice de transfert. Les résultats de la simulation sont considérés comme représentatifs de la variabilité de l’impédance du tympan humain. Des groupes représentatifs d’impédance tympanique équivalente sont ensuite sélectionnés parmi ces résultats et appliqués comme des conditions aux limites d’impédance dans un modèle d’éléments finis pour simuler la perte par insertion du bouchon d’oreille dans un conduit auditif de forme réaliste. On montre que la variabilité de l’impédance tympanique équivalente induit des différences non négligeables dans les résultats de perte par insertion, indiquant que la diversité de l’impédance du tympan humain doit être prise en compte par le simulateur d’oreille pour des mesures d’atténuation du bouchon.

Dans l’ensemble, cette thèse présente la méthodologie expérimentale et les modèles numériques pour étudier les caractéristiques vibroacoustiques d’intérêt de l’ATF, et à long terme, pourrait servir de base pour guider la conception et la mise en oeuvre des ATFs pour une évaluation plus réaliste de l’atténuation des protecteurs auditifs.

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 159-168).
Mots-clés libres:	montage d’essai acoustique, double protection auditive, simulateur d’oreille, modélisation par éléments finis, atténuation sonore
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Doutres, Olivier
Codirecteur:	Codirecteur Sgard, Franck Nélisse, Hugues
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 févr. 2022 18:47
Dernière modification:	10 févr. 2022 18:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2893

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