Les problématiques spécifiques liées à la protection auditive par des coquilles

Malgré la simplicité de fonctionnement d’une coquille pour protéger l’audition, on peut distinguer différentes problématiques liées à leur utilisation. On peut différencier ces problématiques en trois grandes catégories : une problématique de Santé et sécurité au travail (SST), une problématique scientifique et une problématique technologique.

Les problématiques de Santé et sécurité au travail (SST) spécifiques à l’utilisation des coquilles 

La problématique de confort
Afin de pouvoir être appréciée par l’utilisateur, la coquille se doit de garantir un certain confort. Il est en effet connu que l’efficacité du protecteur dépend principalement de son temps de port (Gerges, 2012). On peut distinguer deux types de confort : le confort physique et le confort acoustique.

Le confort physique est principalement affecté par le poids du protecteur (entre 150 g et 350 g), de son inertie, de la répartition de la pression appliquée sur le contour de l’oreille, pouvant altérer la circulation sanguine (Casali et Grenell, 1990; Gerges, 2012; Williams, 2007), des frottements engendrés par le coussin au contact de la peau, pouvant créer des irritations. De plus, le protecteur crée également une barrière thermique pour l’oreille. Si cela peut s’avérer être un avantage pour les opérations effectuées dans un milieu plus froid que la normale, celles-ci peuvent s’avérer très inconfortables pour les milieux chauds (Hsu et al., 2004).

En terme de confort acoustique, les protecteurs de type coquilles ont un effet d’occlusion moins important que dans le cas de bouchons, en raison du plus grand volume occlus par le protecteur (Berger et Kerivan, 1983) et de la présence de matériaux absorbants dans la cavité. Cependant, comme pour tout protecteur auditif passif, l’utilisation des coquilles peut s’avérer être un cofacteur de risque pour les accidents du travail. En effet, ces dispositifs filtrent le contenu fréquentiel et peuvent masquer les bruits utiles comme les signaux d’alarme ainsi que la communication entre les opérateurs (Wilkins et Martin, 1987). Cet inconfort acoustique est la raison première du non port des protecteurs auditifs (Hsu et al., 2004) et peut également mener l’utilisateur à saboter le protecteur (Suter, 1998).

De ce fait, il n’est pas rare que le port des protecteurs auditifs soit négligé au détriment de l’intégrité de l’audition. Il convient alors de pouvoir développer, dans le cas des coquilles, un protecteur confortable pour l’utilisateur et adapté à son environnement de travail.

La problématique de l’étiquetage NRR
L’indice d’atténuation NRR (Noise Reduction Rating) est l’indicateur acoustique qui fait foi sur les emballages des protecteurs auditifs aux États-Unis (40 CFR 211), parfois accompagné des mesures de REAT et permet à l’utilisateur de connaître l’indice de performance du protecteur et ainsi de pouvoir choisir le produit idéal. Le NRR n’est entre autre qu’une moyenne des atténuations mesurées sur les différentes bandes de fréquences, corrigées par les pondérations A et C. Le lecteur peut se référer aux publications « Criteria for a recommended standard – Occupational Noise Exposure » (NIOSH, 1998), et « The NIOSH Compendium of Hearing Protection Devices » (NIOSH, 1994), pour plus de précision quant au calcul du NRR, de son utilisation pratique et de ses limites.

Notons que le NRR peut être vu comme un argument de vente à partir duquel l’utilisateur base bien souvent son choix, et il n’est pas rare que la discrimination entre deux produits se fasse à 1 dB près (Berger et Royster, 1996). Malheureusement, cet indicateur d’atténuation ne reflète pas l’atténuation effective du protecteur (NIOSH, 1998) et une mauvaise interprétation peut mener à choisir un protecteur inefficace. Un autre fait est que le NRR calculé à partir de mesures en laboratoires est très surestimé par rapport à celui qui est calculé à partir de mesures terrain (Berger, 2003a).

Également, une des problématiques sous-jacentes est l’effet du champ sonore et en particulier de sa directivité qui influe sur l’atténuation effective de la coquille. Du fait de la variabilité de ces champs sonores et du fait du peu de représentativité de l’étiquetage NRR, il est préférable de quantifier l’efficacité du protecteur grâce aux méthodes de mesures terrain (Canetto, 2009).

La problématique scientifique 

D’un point de vue scientifique, si l’on connaît les grands principes du fonctionnement d’une coquille , il reste encore à explorer et investiguer plus en détail la physique qui est mise en jeu. De manière générale les études visant à étudier les phénomènes vibroacoustiques liée à la protection auditive par des coquilles reposent sur des mesures d’atténuations faites en bandes d’octaves, dont la plupart ont été menées sur des sujets humains. Or il apparaît que le facteur humain est un facteur clé dans la mesure de l’atténuation (Canetto, 2009). En particulier, il existe des différences inter-sujets pour un même protecteur et également des différences intra-sujets (différence binaurale pour un même sujet), si bien qu’il est difficile de se baser sur de telles mesures pour comprendre les phénomènes physiques. Il convient donc de trouver une méthode pour s’affranchir de cette variabilité. Ainsi, plusieurs auteurs se sont intéressés aux effets des composants des coquilles sur l’atténuation, en réalisant certaines mesures d’atténuation du protecteur couplé à un baffle ou à une ATF (Pääkkönen, 1992; Sgard et al., 2010; Zannin et Gerges, 2006). Ces travaux soulignent une importante influence de chaque composant sur tout le spectre d’atténuation, mais plusieurs questions restent en suspens .

Comme suggéré par Canetto (2009), des mesures acoustiques fines ainsi que des outils de modélisation mériteraient d’être mis en place en vue de mieux comprendre le fonctionnement du protecteur couplé à la tête.

Table des matières

INTRODUCTION 
0.1 Contexte
0.1.1 Le bruit industriel : une des problématiques de santé  sécurité au travail
0.1.2 L’intégration de cette thèse doctoral dans le projet de recherche  «Développement d’outils et de méthodes pour améliorer et mieux évaluer la protection auditive individuelle des travailleur »
0.2 Les protecteurs auditifs de type coquille : constitution, fonctionnement,  indicateurs acoustiques et méthodes de mesure pour quantifier leurs atténuation
0.3 Les problématiques spécifiques liées à la protection auditive par des coquilles
0.3.1 Les problématiques de Santé et sécurité au travail (SST) spécifiques à l’utilisation des coquilles
0.3.2 La problématique scientifique
0.3.3 Les problématiques technologiques
0.4 Objectifs de la recherche
0.4.1 Objectif général
0.4.2 Objectifs spécifiques
0.5 Méthodologie proposée et structure de la thèse
0.5.1 Chapitre 1 : État de l’art sur la modélisation de l’atténuation d’un protecteur de type coquille
0.5.2 Chapitre 2 – Stratégies de modélisations de la coquille par la méthode des éléments finis
0.5.3 Chapitre 3 – Article 1 : Quantification objective des chemins  transferts du son à travers les composants de la coquille
0.5.4 Chapitre 4 – Complément à l’article 1 : effet de la peau,  évents du coussin et des fuites acoustiques
0.5.5 Chapitre 5 – Article 2 : Développement d’un modèle FEM  coquille bafflée pour les basses fréquences
0.5.6 Chapitre 6 – Article 3 : Prédiction numérique de l’atténuation d’une coquille commerciale en bande
0.5.7 Chapitre 7 – Complément à l’article 3 : analyse du comportement vibroacoustique large bande d’une coquille commerciale
0.5.8 Chapitre 8 – Synthèse, retombées et perspectives
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART SUR LA MODÉLISATION DE L’ATTÉNUATION D’UN PROTECTEUR AUDITIF DE TYPE « COQUILLES » 
1.1 Modèles analytiques (LPMs)
1.2 Modèles numériques
1.3 Synthèse (Les manques et limites des modèles existants)
CHAPITRE 2 STRATÉGIES DE MODÉLISATION DES COMPOSANTS DE LA COQUILLE ET DE LA CAVITÉ INTERNE 
2.1 Modélisation de la coque plastique et de la contreplaque
2.2 Modélisation de la cavité d’air interne à la coquille
2.3 Modélisation du coussin de confort
2.3.1 Le modèle « ressort équivalent » (SF)
2.3.2 Le modèle « solide équivalent » (ES)
2.3.3 Le modèle « multi-domaine »
2.3.4 Modèles de coussins étudiés dans cette thèse
2.4 Modélisation de l’insert en mousse
2.5 Conditions limites
2.5.1 Couplages entre les composants de la coquille
2.5.2 Couplage fluide-structure
2.5.3 Condition limite pour l’interface coussin/baffle
2.5.4 Excitation acoustique
2.6 Utilisation de logiciels éléments finis commerciaux
2.7 Synthèse
CHAPITRE 3 ARTICLE 1 : OBJECTIVE ASSESSMENT OF THE SOUND TRANSFER PATHS THROUGH EARMUFF COMPONENTS 
3.1 Introduction
3.2 Literature review on the analysis of the sound paths through an earmuff
3.2.1 Conventional sound transfer paths
3.2.2 Effects of the cup
3.2.3 Effects of the cushion
3.2.4 Effects of the headband force
3.2.5 Effect of the foam insert
3.2.6 Effect of leaks
3.3 Experimental setup and measurement methodology
3.3.1 Studied commercial earmuffs
3.3.2 Acoustical test Bench
3.3.3 Measurement methodology to assess the different sound paths
3.3.4 Insertion Loss computation
3.4 Results and discussion
3.4.1 Test bench sound insulation and Bone Conduction (BC) limit
3.4.2 Sound paths through the uncoupled cushion and ear cup
3.4.2.1 Sound transmission through the cushion (configuration 2 and configuration3)
3.4.2.2 Sound transmission through the cup (configuration 4)
3.4.3 Attenuation of the whole earmuff and estimation of the coupling effects between the components
3.4.4 Effect of the foam insert properties
3.5 Conclusion
3.6 Acknowledgments
CHAPITRE 4 COMPLÉMENT À L’ARTICLE 1 : EFFET DE LA PEAU, DES ÉVENTS DU COUSSIN ET DES FUITES ACOUSTIQUES
4.1 Introduction
4.2 Revue de littérature complémentaire sur l’effet de la peau, des évents et des fuites acoustiques
4.2.1 Effet de la peau
4.2.2 Effet des évents du coussin
4.2.3 Effet des fuites
4.3 Système expérimental et configurations d’études complémentaires
4.3.1 Intégration d’une peau artificielle au système expérimental
4.3.2 Mesure de l’influence des évents du coussin sur l’atténuation
4.3.3 Mesure de l’effet de fuites artificielles sur l’atténuation
4.4 Résultats
4.4.1 Effet de la peau
4.4.2 Effet des évents
4.4.3 Effet de fuites artificielles
4.5 Conclusions et perspectives
4.5.1 Conclusions sur les effets de la peau sur le IL du protecteur
4.5.2 Conclusions sur les effets des évents sur le IL du coussin
4.5.3 Conclusions sur les effets des fuites sur le IL du protecteur
CHAPITRE 5 ARTICLE 2 : LOW FREQUENCY FINITE ELEMENT MODELS OF THE ACOUSTICAL BEHAVIOR OF EARMUFFS 
5.1 Introduction
5.2 LPMs Formulations
5.3 FEM model of earmuffs
5.3.1 General considerations
5.3.2 Cup, backplate and enclosed air cavity
5.3.3 Cushion
5.3.3.1 Geometry
5.3.3.2 SF model
5.3.3.3 ES model
5.4 Cushion equivalent mechanical properties
5.4.1 Experimental setups to measure the equivalent complex stiffness
5.4.2 Inverse method to estimate the equivalent Young’s modulus
5.4.3 Compression time and dynamic compression rate
5.4.4 Static compression rate
5.4.5 Frequency dependence
5.5 Results and discussion
5.5.1 SF model
5.5.2 ES model
5.5.2.1 Effect of the Poisson’s ratio
5.5.2.2 Effect of the sound excitation on cushion’s flanks
5.5.3 LPM model
5.6 Conclusion
5.7 Acknowledgements
CHAPITRE 6 ARTICLE 3 : NUMERICAL PREDICTION OF THE BORADBAND FREQUENCY SOUND ATTENUATION OF A COMMERCIAL EARMUFF 
6.1 Introduction
6.2 FEM acoustic model of the commercial earmuff
6.2.1 General considerations
6.2.1.1 Configuration
6.2.1.2 Sound excitation
6.2.1.3 Acoustic indicator
6.2.2 Components geometry and material properties
6.2.2.1 Earcup, back plate and air cavity
6.2.2.2 Cushion
6.3 Results
6.3.1 Low frequency range
6.3.2 Mid frequency range
6.3.3 High frequency range
6.4 Conclusion
6.5 Acknowledgements
CHAPITRE 7 COMPLÉMENT À L’ARTICLE 3 : ANALYSE DU COMPORTEMENT VIBROACOUSTIQUE LARGE BANDE D’UNE COQUILLE COMMERCIALE 
7.1 Introduction
7.2 Modèle FEM de la coquille commerciale
7.2.1 Coque plastique, contreplaque et cavité d’air
7.2.2 Coussin de confort
7.2.3 Excitation acoustique
7.2.4 Indicateur acoustique
7.3 Identification des minima locaux de IL
7.3.1 Principe d’identification par la méthode des ratios d’énergies
7.3.2 Analyse modale de la coquille
7.3.3 Calcul des ratios d’énergies
7.4 Résultats
7.4.1 Coquille utilisant un coussin « rigide »
7.4.2 Coquille utilisant le coussin viscoélastique modélisé en  solide équivalent
7.4.3 Effet du coefficient de Poisson
7.5 Conclusion
CHAPITRE 8 SYNTHÈSE, RETOMBÉES ET PERSPECTIVES 
8.1 Synthèse du travail doctoral
8.1.1 Résumé des objectifs et de la problématique
8.1.2 Résumé de la méthodologie
8.1.3 Synthèse des contributions et limitation de la thèse
8.1.3.1 Chapitre 3 – Article 1 : Quantification objective des chemins de transferts du son à travers les composants de la coquille  et Chapitre 4 –compléments
8.1.3.2 Chapitre 5 – Article 2 : Modèle élément fini en  basses fréquences du comportement acoustique d’un protecteur auditif de type coquille
8.1.3.3 Chapitre 6 – Article 3 : Prédiction numérique de l’atténuation d’une coquille commerciale en bande  et Chapitre 7 – compléments
8.2 Les Retombées de cette recherche doctorale
8.2.1 Retombées scientifiques
8.2.2 Retombées Technologiques
8.2.3 Retombées sur la santé et la sécurité au travail
8.3 Perspectives

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