Étude de la transmission sonore par voie externe d'un bouchon d'oreille couplé au conduit auditif : modélisation numérique et validation expérimentale

Les bouchons d’oreilles demeurent la solution à court terme la plus efficace pour lutter contre le problème de surdité professionnel. Cependant, ils ne sont pas toujours aussi efficaces et adaptés que souhaités et il est difficile d’en évaluer les performances sur le terrain. Le port des bouchons d’oreille est associé à différentes problématiques. Sont par exemple cités l’aspect co-facteur de risques dans les accidents de travail, le degré de protection des travailleurs sous-évalué par rapport à la performance des bouchons mesurée en laboratoire, ou encore la difficulté à adapter sur le terrain des méthodes de mesures standardisées. La conception des bouchons d’oreilles repose souvent sur des méthodes empiriques où le confort n’est pas pris en compte.
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\nPour résoudre certaines de ces problématiques, un projet de recherche concertée entre l’École de technologie supérieure et l’Institut de recherche Robert Sauvé en santé et sécurité du travail a débuté en 2010. Cette thèse de doctorat s’inscrit dans ce projet, son objectif est de contribuer à la meilleure compréhension de la physique du problème de transmission acoustique à travers le système protecteur / conduit auditif, pour améliorer la conception du bouchon, contribuer à une meilleure évaluation de son efficacité et donc améliorer in fine la protection des travailleurs. Cet objectif est accompli via une méthodologie de développement pas à pas d’un outil de prédiction de l’atténuation prenant en compte des complexités géométriques et physiques croissantes. Ce développement est effectué en 4 étapes : chacune des 3 premières est présentée sous la forme d’un article de revue et la quatrième constitue un chapitre additionnel de cette thèse par articles.
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\nDans la première étape, c’est l’aspect géométrique seul du conduit auditif qui est étudié via la question de la validité d’une hypothèse de description 2D axisymétrique de la géométrie du conduit auditif dans le cas de conditions aux limites rigides. Ce choix de conditions aux limites permet dans une première approximation d’écarter les problématiques liées à l’intégration de tissus constitutifs du conduit auditif. Cette question est investiguée via des comparaisons de prédictions d’atténuations avec des modèles 2D et 3D pour des cas individuels ou moyennés sur un groupe d’individu. L’emphase est portée sur la méthode à choisir pour reconstruire géométriquement un conduit 2D axisymétrique à partir de caractéristiques d’un conduit en 3D.
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\nDans la deuxième étape, le modèle 2D précédent est physiquement complexifié par l’ajout d’une couche de peau. Cela correspond également à une configuration de conduit auditif synthétique existant dans les têtes artificielles instrumentées qui sont couramment utilisées pour mesurer l’atténuation des bouchons en laboratoires. Le rôle de la peau et son effet sur l’atténuation sont étudiés. Des éléments tels que la contribution des différents chemins de transmission acoustique, ou plus généralement la manière dont l’énergie circule dans le système sont analysés. De plus, des analyses statistiques sont réalisées pour quantifier l’effet des paramètres mécaniques de la peau et du bouchon sur l’atténuation.
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\nDans la troisième étape, le modèle précédent est complexifié par l’ajout des autres tissus constitutifs du conduit auditif (os et tissus mous). De plus, la géométrie précédente (cylindrique) est partiellement modifiée pour obtenir un conduit auditif 2D axisymétrique moyen à section variable. Ce choix est motivé par les résultats obtenus dans les étapes précédentes. Ce modèle est d’abord validé par des comparaisons avec des mesures sur sujets humains puis exploité pour quantifier l’impact de différents facteurs connus pour faire varier l’atténuation lorsqu’elle est mesurée en laboratoire. Ces facteurs sont : la possible présence de fuites, la profondeur d’insertion du bouchon, la variation interindividuelle de la géométrie du conduit auditif et des paramètres mécaniques associés aux tissus. Ces différents facteurs sont introduits un à un dans le modèle et leur impact sur l’atténuation est quantifié puis comparé à des déviations standards obtenues lors de mesures sur sujets humains. Ces comparaisons permettent d’évaluer les zones fréquentielles de prédominance de l’effet des différents facteurs sur l’atténuation.
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\nDans la quatrième étape, la possibilité de remplacer les tissus constitutifs du conduit auditif par des conditions aux limites de type impédance mécanique est étudiée. Ce travail vise à terme à simplifier les modèles développé dans la troisième étape en utilisant à leur place les modèles des étapes 1 ou 2 muni de conditions aux limites d’impédance mécanique plutôt que les conditions aux limites plus classique (type encastrement) utilisé jusque-là. Deux scénarii de remplacement des tissus ont été testés dans des configurations axisymétriques en première approximation. Dans un premier scénario (modèle proche de l’étape 1), l’effet de tous les tissus (peau, tissus mou et os) ont été ramené à une impédance mécanique. Devant certains manques mis en avant par ce scénario, un deuxième moins simplifié a ensuite été envisagé. Dans ce deuxième scénario, seules la partie osseuse et les tissus mous sont remplacés pour les prendre en compte en tant que condition aux limites dans un modèle simplifié. Il a permis de corriger les limitations du premier scénario et a permis d’aboutir à plus de réalisme, c’est-à-dire des prédictions plus proches de celles obtenues dans le cadre de l’étape 3. Ces tests ont été réalisés sur une configuration géométrique unique qui ne permet pas encore dans l’état actuel de généraliser la validation de la méthode qui pourrait, dans des travaux futurs, être étendue à des modèles en 3D ou à des modèles 2D axisymétriques à section variable.
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\nD’un point de vue scientifique, l’ensemble de ces travaux ont permis, à chacune des 4 étapes décrites précédemment, de mieux comprendre quels sont les mécanismes clefs intervenant dans l’atténuation d’un bouchon, quels sont les chemins de transmission acoustique prépondérant dans le cadre d’une transmission aérienne du son à travers le conduit auditif occlus et d’investiguer les simplifications possibles à apporter à un modèle numérique du conduit auditif occlus pour prédire une atténuation réaliste. Ces travaux ont permis de conforter l’idée qu’une simplification 2D axisymétrique de la géométrie du conduit auditif occlus, en réalité 3D, est possible, avec certaines limitations liées à la méthode de reconstruction géométrique utilisée pour définir la géométrie 2D. L’importance et la nécessité de prendre en compte la peau dans un modèle élément finis du conduit occlus est mise en avant. Le recours à un modèle moyen 2D axisymétrique du conduit occlus et intégrant ses différents tissus constitutifs (où en les remplaçant par des conditions aux limites d’impédances mécaniques) a permis de simuler des prédictions d’atténuations moyennes réalistes, mesurables sur des sujets humains. L’exploitation de ces différents modèles a conduit à une quantification de la contribution de la manière dont l’énergie circule dans le conduit auditif occlus et de l’effet de facteurs cruciaux (fuites, profondeur d’insertion du bouchon, paramètres mécaniques et géométriques) responsables des variations de l’atténuation, lorsque mesurée en laboratoire.
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\nD’un point de vue technologique, les outils de modélisation de l’atténuation développés dans le cadre de cette thèse et leurs exploitations via des analyses statistiques de l’effet des paramètres mécaniques du bouchon sur l’atténuation fournissent des pistes concrètes aux manufacturiers de protecteurs auditifs pour en améliorer leur efficacité. Dans le même ordre d’idées, les analyses statistiques réalisées par rapport aux effets des paramètres mécaniques de la peau artificielle présente dans le conduit auditif des têtes artificielles pourront permettre d’améliorer les standards en matière d’exigences sur leur conception ou aider les manufacturiers à utiliser des matériaux dont les paramètres mécaniques sont plus proche de ceux des tissus biologiques et donc plus réaliste.
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\nD’un point de vue santé et sécurité au travail, les avancées présentes dans cette thèse et notamment l’exploitation des différents outils de modélisation développés, pourront aider à concevoir des protecteurs auditifs plus performants et dont la réelle efficacité sera mieux appréhendée. Sur le long terme, cela améliorera les conditions des travailleurs en minimisant le risque lié à la dégradation de leur système auditif.
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\nLes perspectives de travail proposées à la fin de cette thèse consistent principalement à étendre les modèles à différents aspects non encore pris en compte : une gamme élargie de bouchons aux paramètres matériaux et aux géométries diverses, l’introduction de la conduction par voie osseuse, la modélisation de la double protection lorsque l’utilisation des bouchons est couplée aux casque anti-bruit, l’intégration de la tête et du torse dans le modèle et l’étude des effets liés à cette intégration et la prise en compte de bruits d’impact.

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