Etude de la transmission sonore a travers un protecteur de type "coquilles" : modelisation numerique et validation experimentale

On estime que sur les 3,7 millions des travailleurs au Québec, plus de 500 000 sont exposés quotidiennement à des niveaux de bruits pouvant causer des lésions de l’appareil auditif. Lorsqu’il n’est pas possible de diminuer le niveau de bruit environnant, en modifiant les sources de bruits, où en limitant la propagation du son, le port de protecteurs auditifs individualisés, telles que les coquilles, demeure l’ultime solution. Bien que vue comme une solution à court terme, elle est communément employée, du fait de son caractère peu dispendieux, de sa facilité d’implantation et de son adaptabilité à la plupart des opérations en environnement bruyant. Cependant les protecteurs auditifs peuvent être à la fois inadaptés aux travailleurs et à leur environnement et inconfortables ce qui limite leur temps de port, réduisant leur protection effective.
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\nAfin de palier à ces difficultés, un projet de recherche sur la protection auditive intitulé : « Développement d’outils et de méthodes pour améliorer et mieux évaluer la protection auditive individuelle des travailleur », a été mis sur pied en 2010, associant l’École de technologie supérieure (ÉTS) et l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST). S’inscrivant dans ce programme de recherche, le présent travail de doctorat s’intéresse spécifiquement à la protection auditive au moyen de protecteurs auditifs « passifs » de type coquille, dont l’usage présente trois problématiques spécifiques présentées dans les paragraphes suivants.
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\nLa première problématique spécifique concerne l’inconfort causé par exemple par la pression statique induite par la force de serrage de l’arceau, qui peut réduire le temps de port recommandé pour limiter l'exposition au bruit. Il convient alors de pouvoir donner à l’utilisateur un protecteur confortable, adapté à son environnement de travail et à son activité.
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\nLa seconde problématique spécifique est l'évaluation de la protection réelle apportée par le protecteur. La méthode des seuils auditifs REAT (Real Ear Attenuation Threshold) aussi vu comme un "golden standard" est utilisé pour quantifier la réduction du bruit mais surestime généralement la performance des protecteurs. Les techniques de mesure terrains, telles que la F-MIRE (Field Measurement in Real Ear) peuvent être à l'avenir de meilleurs outils pour évaluer l'atténuation individuelle. Si ces techniques existent pour des bouchons d'oreilles, elles doivent être adaptées et améliorées pour le cas des coquilles, en déterminant l'emplacement optimal des capteurs acoustiques et les facteurs de compensation individuels qui lient la mesure microphonique à la mesure qui aurait été prise au tympan.
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\nLa troisième problématique spécifique est l'optimisation de l'atténuation des coquilles pour les adapter à l'individu et à son environnement de travail. En effet, le design des coquilles est généralement basé sur des concepts empiriques et des méthodes essais/erreurs sur des prototypes. La piste des outils prédictifs a été très peu étudiée jusqu’à présent et mériterait d’être approfondie. L’utilisation du prototypage virtuel, permettrait à la fois d’optimiser le design avant production, d’accélérer la phase de développement produit et d’en réduire les coûts.
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\nL’objectif général de cette thèse est de répondre à ces différentes problématiques par le développement d’un modèle de l’atténuation sonore d’un protecteur auditif de type coquille. À cause de la complexité de la géométrie de ces protecteurs, la méthode principale de modélisation retenue à priori est la méthode des éléments finis (FEM). Pour atteindre cet objectif général, trois objectifs spécifiques ont été établis et sont présentés dans les trois paragraphes suivants.
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\nLe premier objectif spécifique est le développement d’un banc de mesure de l’atténuation d’un protecteur auditif de type coquille, avec deux sous-objectifs : (1) déterminer au préalable expérimentalement le rôle de chacun de ses éléments et de leur couplage dans les chemins de transmission sonore à travers le protecteur pour guider l’élaboration du modèle dans l’objectif 2. (2) valider le modèle FEM de l’objectif 2.
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\nLe deuxième objectif spécifique est le développement proprement dit du modèle FEM basé sur la connaissance des entités géométriques, des paramètres matériaux et des conditions limites appliquées aux coquilles modélisées. Le développement du modèle sera effectué sous des logiciels commerciaux.
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\nLe troisième objectif spécifique consiste à exploiter les résultats des mesures et des modèles pour (i) Mieux comprendre le comportement vibroacoustique de la coquille, (ii) Proposer des solutions d’amélioration de leur conception et (iii) aider au développement de la méthode F-MIRE.
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\nLes chapitres 1 à 7 présentent la méthodologie utilisée et les résultats obtenus. Cette thèse écrite sous un format de « thèse par article » contient trois articles scientifiques soumis, acceptés ou publiés dans des journaux en langue anglaise avec revue par les pairs. Des chapitres additionnels ont été rajoutés, écrits en français pour compléter les articles en présentant des détails complémentaires ainsi que des développements qui n’étaient pas assez achevés pour être matière à publication.
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\nLes retombées du travail de recherche présenté dans cette thèse peuvent se différencier en trois catégories : les retombées scientifiques, les retombées technologiques et les retombées liées au domaine de la santé et la sécurité au travail.
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\nD’un point de vue scientifique, les travaux de modélisation, conjointement aux mesures réalisées ont permis d’accroître le champ des connaissances théoriques sur le fonctionnement des protecteurs de type coquille. De manière générale, bien qu’il existe encore des différences entre mesures et calculs, les modèles développés ont montré leur capacité à prédire l’atténuation des protecteurs, jusqu’à 6.4 kHz et une bien meilleure corrélation entre les simulations et les mesures a été obtenue, en regard des travaux de modélisations menés jusqu’ici.
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\nD’un point de vue technologique, les modèles développés peuvent être utilisés comme outils prédictifs en vue de faire du prototypage virtuel et ainsi accélérer les phases de développement de produits. Ainsi, le recours au modèle permettrait de mener des études paramétriques, à la fois sur les propriétés mécaniques et géométriques des composants de la coquille et de déterminer les priorités d’optimisation pour la conception des protecteurs. Également, les capacités du modèle à prédire les champs sonores extérieur et intérieur à la coquille en font un outil idéal pour aider au développement de mesures terrain, comme la méthode F-MIRE, en déterminant les endroits idéaux où placer les microphones de mesures et en déterminant les facteurs de compensations nécessaires au calcul de l’atténuation à partir des signaux mesurés par les microphones.
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\nEnfin, en terme de santé et sécurité du travail, le recours à la modélisation à des fins d’optimisation de produits et à des fins d’implémentation de mesure en temps réel de l’atténuation des coquilles, permettront à long terme, de disposer de nouveaux protecteurs aux performances accrues et adaptées, à la fois à l’utilisateur, mais aussi à son environnement de travail. De ce fait, on s’attend à augmenter la protection du travailleur, tout en garantissant son confort physique et acoustique et ainsi réduire le risque de surdités professionnelles.
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\nPlusieurs perspectives de travaux de recherche sont proposées en fin de thèse. Certaines de ces perspectives concernent essentiellement un raffinement du modèle existant afin d’améliorer la corrélation entre les simulations et les mesures de validations. D’autres proposent un élargissement à d’autres types de coquille que celle étudiées. D’autres enfin, proposent une modification du modèle de coquille en ajoutant par exemple un couplage entre la coquille et une tête artificielle, ou en combinant le modèle de coquille avec celui d’un bouchon d’oreille afin d’étudier la double protection, ou encore en adaptant le modèle pour le cas de bruits d’impacts.

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