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

Résumé

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.

Date	16 déc. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Olivier Doutres (Directeur(-trice)), Franck Sgard (Codirecteur(-trice)) & Hugues Nélisse (Codirecteur(-trice))