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Étude de la transmission sonore à travers un protecteur de type 'coquilles' : modélisation numérique et validation expérimentale

机译：通过“壳”型保护器传声的研究：数值模拟和实验验证

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摘要

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.ududAfin 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.ududLa 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.ududLa 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.ududLa 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.ududL’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.ududLe 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.ududLe 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.ududLe 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.ududLes 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.ududLes 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.ududD’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.ududD’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.ududEnfin, 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.ududPlusieurs 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.
机译：据估计，魁北克的370万工人中，每天有超过500,000暴露于可能导致听力受损的噪声水平。如果无法通过修改噪声源或限制声音传播来降低周围的噪声水平，则始终应佩戴单独的听力保护器，例如耳罩，这是最终的解决方案。尽管它被视为一种短期解决方案，但由于其成本低，易于实现且对嘈杂环境中的大多数操作具有适应性而被广泛使用。但是，听力保护器可能既不适用于工人及其周围环境，又可能不舒适，从而限制了他们的佩戴时间，降低了他们的有效保护。为了克服这些困难，一项名为“听力保护”的研究项目：2010年成立了“改进和更好地评估工人的个体听力保护的工具和方法”，与法国技术高等学校（ÉTS）和罗伯特·索维研究所（Robert-SauvéResearch Institute）建立了联系。职业健康与安全（IRSST）。作为该研究计划的一部分，这项博士研究特别关注通过“被动”壳型听力保护器进行听力保护，其使用提出了以下段落中提出的三个具体问题。 ud第一个特定问题涉及不适感，例如由头带的夹紧力引起的静压力所引起的不适感，这可能会减少建议的佩戴时间，以限制噪声的暴露。因此，有必要为用户提供适合其工作环境和活动的舒适的保护器，第二个具体问题是对保护器提供的实际保护的评估。 REAT（真实耳朵衰减阈值）听力阈值方法也被视为“黄金标准”，用于量化降噪效果，但通常会高估听力保护器的性能。诸如F-MIRE（实耳中的现场测量）之类的现场测量技术可能是将来评估单个衰减的更好工具。如果存在用于耳塞的这些技术，则必须通过确定声学传感器的最佳位置以及将麦克风测量与应采用的测量联系起来的各个补偿因子，来对外壳进行调整和改进。第三个特定问题是优化外壳的衰减，以使其适应个人及其工作环境。实际上，外壳的设计通常基于经验概念和原型上的试验/错误方法。到目前为止，对预测工具的研究还很少，有待深化。虚拟原型的使用既可以优化生产前的设计，又可以加快产品开发阶段并降低成本。通过开发用于贝壳型听力保护器的声音衰减模型来解决不同的问题。由于这些保护器的几何形状很复杂，因此保留先验的主要建模方法是有限元方法（FEM）。为了实现这一总体目标，已经建立了三个具体目标，并在以下三段中进行了介绍：•第一个具体目标是开发一种用于衰减外壳型听力保护器的测量平台，有两个子目标：（1）预先通过实验确定每个元素的作用及其在通过保护器的声音传输路径中的耦合，以指导目标2中模型的开发。（2）验证目标2的FEM模型。第二个特定目标是基于应用于建模壳的几何实体，材料参数和边界条件的知识来实际开发FEM模型。该模型的开发将使用商业软件进行。 Ud ud第三个特定目标是使用测量和模型的结果来（i）更好地了解壳体的振​​动特性，（ii）提出改进方案 ud ud第1至第7章介绍了所使用的方法和所获得的结果。以“每篇论文”形式撰写的论文包含三篇提交的科学论文，并在英语期刊上接受或发表，并经过同行评审。添加了更多的法语章节，通过提供更多细节和不足以完成出版的重要内容来完善文章。 Ud ud本文中研究工作的影响可能分为三类：科学利益，技术利益和与职业健康与安全有关的利益。 ud ud从科学的角度来看，建模工作以及所进行的测量使我们有可能增加有关壳型保护器功能的理论知识领域。通常，尽管测量和计算之间仍然存在差异，但是开发的模型已经显示出它们能够预测保护器的衰减（高达6.4 kHz）的能力，并且仿真和测量之间的相关性更好。与迄今为止进行的建模工作相比，获得的结果 ud ud从技术的角度来看，开发的模型可以用作预测工具，以进行虚拟原型设计，从而加快产品开发阶段。因此，使用该模型将有可能对壳体部件的机械和几何特性进行参数研究，并确定保护器设计的优化优先级。此外，该模型能够预测壳体的内部和外部声场，因此它是确定场测量（如F-MIRE方法）的理想工具，它可以确定放置测量麦克风和声场的理想位置。确定从麦克风测得的信号计算衰减所需的补偿因子。 ud ud最后，在职业健康和安全方面，为了产品优化目的​​而使用建模和从长远来看，实现对壳的衰减进行实时测量的目的将为新型保护器提供更高的性能，使其不仅适应用户，而且适应用户的工作环境。因此，有望在保证身体和听觉舒适度的同时，增加对工人的保护，从而减少职业性耳聋的风险。 ud ud在本文结尾处提供了一些研究工作的观点。这些观点中的一些本质上涉及对现有模型的改进，以改善模拟与验证措施之间的相关性。其他人提出了对所研究之外的其他类型壳体的扩展。最后，其他人建议对外壳模型进行修改，例如在外壳和人造头之间添加耦合，或者将外壳模型与耳塞的模型结合以研究双重保护，或通过针对碰撞噪声调整模型。

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  • 作者

    Boyer Sylvain;

  • 作者单位
  • 年度 2015
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  • 正文语种 fr
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