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

Résumé

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).

Date	21 déc. 2022
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Jacques A. de Guise (Directeur(-trice)), Franck Sgard (Codirecteur(-trice)) & Éric Wagnac (Codirecteur(-trice))