A finite element model of a human head and a corresponding acoustic test fixture to assess the objective occlusion effect induced by earplugs under bone-conducted stimulation

Xu, Huiyang (2022). A finite element model of a human head and a corresponding acoustic test fixture to assess the objective occlusion effect induced by earplugs under bone-conducted stimulation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The occlusion effect refers to the increased perception of bone-conducted sounds (e.g., physiological noises like one’s own voice, breathing, chewing, heartbeat) when one wears hearing protection devices, and it constitutes a major acoustic discomfort factor. This phenomenon occurs mainly at low frequencies (below 1.0 kHz) and is particularly pronounced for earplug-type hearing protection devices.

This thesis is interested in assessing the occlusion effect of earplugs using virtual and physical testers both based on the same real head geometry of a living participant. The virtual tester consists of a finite-element head model whereas the physical one corresponds to an augmented acoustic test fixture (i.e., a realistic artificial head). The finite-element head model is evaluated by comparing numerical results with experimental data (i) available in the literature obtained on groups of participants, (ii) obtained on the augmented acoustic test fixture, and (iii) measured on the participant whose head is used for constructing the geometrical head model. The augmented acoustic test fixture is evaluated itself by comparing the occlusion effect of a foam earplug measured on it and on the participant.

In fact, several numerical models for studying the occlusion effect are available in the literature. However, it is found that boundary and loading conditions greatly affect the simulation results of these models due to the consideration of truncated outer ears. On the contrary, the finite-element head model developed in this thesis is found to be only sensitive to the boundary conditions on the artificial boundaries created by the truncation (at the head base in this case) at very low frequencies. It thus avoids choosing boundary conditions so that the corresponding simulation results match the experimental data at the best. Moreover, the finite-element model includes an external air domain surrounding the entire head. A perfectly absorbing condition (i.e., perfectly matched layer) is applied to the boundaries of the air domain, which simulates a free sound field. This allows for taking into account the radiation from the soft tissues of the head into the open earcanal. The present numerical model thus simulates the occlusion effect that better matches experimental data at low frequencies. Thirdly, the finite-element head model allows for investigating the effect on the occlusion effect of the stimulation position. The sensitivity of the occlusion effect to the stimulation position for a given part of the head (e.g., the ipsilateral mastoid) suggests that this factor contributes to the variability of the experimental data obtained on groups of participants in the literature. In this study, the present model is also used to investigate the variability of the occlusion effect induced by the material properties of the earcanal surrounding tissues (i.e., soft tissues, cartilage, and bone). The stiffness parameters (i.e., Young’s modulus and Poisson’s ratio) of the soft tissues and the cartilage are found to affect the occlusion effect the most compared with the other parameters. Besides, the sound fields in the open and occluded earcanals under bone-conducted stimulation are explored using the finite-element head model. Results suggest that the occlusion effect measured at the eardrum position is similar to that assessed at the position of the earplug medial surface. The latter position is safer and more comfortable for the human subjects involved. Finally, the experimental evaluation of the augmented acoustic test fixture shows that in contrast to the measurement on the participant, the occlusion effect of earplugs does not decrease with frequency, which is mainly due to the mechanical properties of the materials used for its fabrication.

In the long term, after robust validation and calibration, the augmented acoustic test fixture developed during this project could serve as a powerful tool for evaluating the acoustic performance of earplugs (e.g., occlusion effect and sound attenuation).

Titre traduit

Modélisation par éléments finis d’une tête humaine et une tête artificielle correspondante pour évaluer l’effect d’occlusion objectif induit par des bouchons d’oreille sous une stimulation par conduction osseuse

Résumé traduit

L’effet d’occlusion fait référence à la perception accrue des sons transmis par les os (par exemple, les bruits physiologiques comme la propre voix, la respiration, la mastication, le rythme cardiaque) lorsqu’un individu porte des protecteurs auditifs et constitue un inconfort acoustique majeur. Ce phénomène se manifeste principalement en basses fréquences (inférieures à 1.0 kHz) et touche plus particulièrement les protecteurs auditifs de type bouchons d’oreille.

Cette thèse s’intéresse à l’évaluation de l’effet d’occlusion des bouchons d’oreille à l’aide de testeurs virtuel et physique, tous les deux basés sur la même géométrie réelle de la tête d’un participant vivant. Le testeur virtuel consiste en un modèle numérique par éléments finis de la tête tandis que le testeur physique correspond à une tête artificielle réaliste. Le modèle numérique de la tête est évalué en comparant les résultats numériques avec des données expérimentales (i) disponibles dans la littérature qui sont obtenues sur des groupes de participants, (ii) mesurées avec la présente tête artificielle, et (iii) mesurées sur le participant dont la tête a été utilisée pour construire le modèle géométrique de la tête artificielle. La tête artificielle est évaluée en comparant l’effet d’occlusion d’un bouchon d’oreille en mousse mesuré sur celle-ci et sur le participant.

En fait, plusieurs modèles numériques qui étudient l’effet d’occlusion sont disponibles dans la littérature. Cependant, il a été constaté que les conditions aux limites et l’excitation affectent significativement les résultats de simulation obtenus par ces modèles en raison de l’utilisation des oreilles externes tronquées. Au contraire, le modèle numérique de la tête développé ici n’est sensible aux conditions aux limites définies sur les surfaces artificielles crées par la troncation (à la base de la tête dans ce cas) qu’en très basses fréquences. Par conséquent, ce modèle évite d’avoir à recaler les conditions aux limites pour que les résultats de simulation correspondent au mieux aux données expérimentales. De plus, le présent modèle numérique inclus un domaine d’air extérieur qui englobe la tête entière et sur lequel est appliquée une condition aux limites parfaitement absorbante (perfectly matched layer) simulant une condition de champ libre. Cela permet de prendre en compte le rayonnement acoustique des tissus mous de la tête dans le conduit auditif ouvert. Ainsi, le présent modèle simule un effet d’occlusion qui correspond mieux aux données expérimentales en basses fréquences. Troisièmement, le modèle de tête entière permet d’étudier l’influence de la position de la stimulation sur l’effet d’occlusion. La sensibilité de l’effet d’occlusion à la position de la stimulation pour une partie donnée de la tête (par exemple, la mastoïde ipsilatérale) suggère que ce facteur contribue à la variabilité des données expérimentales obtenues sur des groupes de participants dans la littérature. Dans cette étude, le modèle numérique de la tête est également utilisé pour étudier la variabilité de l’effet d’occlusion induite par les propriétés mécaniques des tissus environnants du conduit auditif (c’est-à-dire les tissus mous, le cartilage et l’os). Il ressort de cette étude que les paramètres de raideur (c’est-à-dire le module de Young et le coefficient de Poisson) des tissus mous et du cartilage ont la plus grande influence sur l’effet d’occlusion. De plus, les champs acoustiques dans les conduits auditifs ouvert et occlus sous une stimulation par conduction osseuse sont explorés à l’aide du modèle de la tête. Les résultats montrent que l’effet d’occlusion calculé au tympan est similaire à celui calculé à la position de la surface médiale du bouchon d’oreille. Cette dernière position est plus sécuritaire et confortable pour les sujets humains impliqués. Finalement, l’évaluation expérimentale de la tête artificielle réaliste montre que l’effet d’occlusion des bouchons d’oreille ne décroît pas avec la fréquence contrairement aux mesures sur le participant, et ce, principalement en raison des propriétés mécaniques des matériaux utilisés pour sa fabrication.

À long terme, après une validation et calibration robuste, la tête artificielle réaliste développée durant ce projet pourrait cependant constituer un outil puissant pour évaluer la performance acoustique des bouchons d’oreille (effet d’occlusion et atténuation sonore).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 95-104).
Mots-clés libres:	effet d’occlusion, modélisation par éléments finis, tête artificielle, bouchon d’oreille
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse de Guise, Jacques A.
Codirecteur:	Codirecteur Sgard, Franck Wagnac, Éric
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 févr. 2023 15:14
Dernière modification:	10 févr. 2023 15:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3168

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