Démystifier l’effet de la double protection auditive
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Les doubles protecteurs auditifs ou DPA (bouchons d’oreille combinés aux casques antibruit) peuvent servir à protéger les travailleurs dans des environnements extrêmement bruyants. Cependant, leurs performances en matière d’isolation sonore sont difficiles à évaluer et l’atténuation sonore des DPA est généralement inférieure à la somme des atténuations obtenues avec les protecteurs portés séparément. Les mécanismes de transmission du son ne sont pas encore totalement compris. Il est donc difficile de choisir les dispositifs DPA qui assureraient une protection auditive adéquate sur les lieux de travail. Afin de mieux prédire les performances des DPA, nous analysons ici comment l’énergie sonore se propage dans un DPA au moyen d’une combinaison de mesures et de simulations sur un participant humain et des têtes artificielles. Mots clés : double protecteur auditif, tête artificielle, atténuation sonore.
Introduction
Les protecteurs auditifs (bouchons d’oreille et casques antibruit) sont parfois la seule barrière possible pour protéger les travailleurs contre la perte auditive professionnelle. Dans certains milieux où les travailleurs sont exposés à des niveaux de bruits extrêmes, comme les équipes de compagnies aériennes ou le personnel militaire, le niveau de protection doit être augmenté et le port des doubles protecteurs auditifs ou DPA (bouchons d’oreille combinés aux casques antibruit) est recommandé. Toutefois, l’atténuation sonore des DPA n’est pas égale, mais plutôt inférieure à la somme des atténuations obtenues avec ces dispositifs portés séparément. Ce phénomène, appelé l’effet DPA, est mal compris. Il est donc difficile de choisir les bons DPA et d’assurer la protection adéquate des travailleurs. Des études ont attribué l’effet DPA au son transmis par la chair et les os de la tête vers l’oreille interne. Une analyse récente a démontré que cet effet se caractérise par une baisse d’atténuation sonore des bouchons d’oreille lors du port d’un casque antibruit, indiquant que l’oreille externe est impliquée. L’effet DPA a également été observé sur un montage d’essai acoustique ou MEA (tête artificielle qui imite les caractéristiques acoustiques et vibratoires de l’oreille externe humaine). Les MEA sont particulièrement utiles pour les mesures en conditions de bruit extrême, lorsque les tests sur des participants humains ne sont pas réalisables pour des raisons éthiques. On soupçonne que l’effet DPA observé résulte du son transmis par les structures du MEA. Malheureusement, les mécanismes physiques à l’origine de cet effet ne sont pas encore totalement compris. Nous poursuivons ici l’enquête et cherchons à comprendre comment l’énergie sonore se propage dans un DPA au moyen d’une série de mesures et de simulations sur un participant humain et des MEA.
Figure 1. (a) chemins possibles de transmission du son dans un système DPA/tête ; (b) test de l’effet DPA sur un participant humain (projet H20201103 approuvé par le Comité d’éthique de la recherche de l’ÉTS).
Chemins de transmission du son
Les chemins possibles de transmission du son dans le système DPA/tête sont illustrés à la figure 1(a). Un chemin est dit aérien (CA) lorsque le son est transmis par l’air, et solidien (CS) lorsque le son est principalement transmis par les structures sous forme de vibrations mécaniques. Nous nous attendions à ce que les chemins suivants contribuent à la pression acoustique dans le conduit auditif : (i) CA « direct » à travers le casque antibruit, la cavité d’air sous le casque antibruit et le bouchon d’oreille ; (ii) CS à travers la tête causé par les vibrations du serre-tête du casque (CS1) ; (iii) CS provenant d’une source sonore excitant la tête (CS2) ; (iv) CS causé par les vibrations du sol (CS3) ; (v) CS résultant des vibrations du casque antibruit et transmis à la tête par le coussin du casque (CS4).
On vérifie que l’effet DPA se produit sur un participant humain (figure 1(b)) en mesurant la baisse d’atténuation d’un bouchon d’oreille après l’ajout d’un casque antibruit grâce à des microphones miniatures à l’extérieur et à l’intérieur du conduit auditif. Cet effet est probant dans la gamme de fréquences la plus courante pour les communications (voir la différence entre les courbes bleues pleines et pointillées au-dessus de 500 Hz, à la figure 2).
Figure 2. Effet DPA caractérisé par la baisse d’atténuation du bouchon d’oreille sur un participant humain (diamants bleus) et sur un MEA (rouge).
Analyse expérimentale et numérique sur têtes artificielles
D’abord, nous avons placé le DPA sur un MEA commercial (figures 3(a) ‒ (c)). L’effet DPA a clairement été démontré dans un ordre de grandeur comparable à celui mesuré précédemment sur un participant humain, dans des conditions similaires (voir les courbes rouges de la figure 2). Le MEA a donc servi à étudier de manière plus approfondie les mécanismes associés. Nous avons ensuite effectué des mesures pour vérifier l’influence des CS1 – CS3 transmis par la structure en modifiant les conditions du montage (figures 3(d) ‒ (f)). Les résultats des essais correspondants étaient presque identiques à la configuration originale, ce qui suggère que l’effet DPA est plus probablement associé au chemin CS4.
Dans un deuxième temps, des simulations numériques ont pu illustrer de façon plus directe la propagation de l’énergie sonore dans le système sans tenir compte du serre-tête du casque antibruit, du trépied du MEA et de l’énergie sonore excitant la partie externe du MEA (soit CS1 – CS3). Un MEA maison à géométrie simplifiée fabriqué pour les circonstances a permis de faciliter l’analyse numérique (figure 3(g)). Les résultats des simulations (non présentés ici par souci de concision) confirment l’importance du CS4 : pour la plupart des fréquences, l’énergie sonore est transmise de la coquille du casque, à l’ensemble coussin de casque/MEA, puis au conduit auditif par le bouchon d’oreille ou les parois latérales du conduit auditif (figure 3(h)). Ici, le casque antibruit n’est plus une protection auditive et peut même devenir un générateur de bruit, ce qui explique la baisse de la performance d’isolation sonore du DPA.
Figure 3. Protecteurs auditifs étudiés : (a) bouchon d’oreille en silicone, (b) casque antibruit EAR-MODEL-1000 ; (c) test de l’effet DPA sur un MEA commercial ; configurations pour tester l’influence des chemins de transmission structurelle (d) CS1, (e) CS2 et (f) CS3 ; (g) modèle numérique du DPA sur un MEA maison ; (h) chemin de transmission structurelle CS4 responsable de l’effet DPA.
Les résultats présentés dans cet article peuvent fournir aux fabricants de protecteurs auditifs des indices pour obtenir une meilleure protection, notamment en limitant la transmission de vibrations par le coussin du casque. Au final, ce travail peut également aider à améliorer la conception des MEA afin de mieux prédire l’atténuation sonore des DPA, et ainsi protéger adéquatement les travailleurs exposés à des niveaux dangereux de bruit sur les lieux de travail.
Complément d’information
Pour plus d’information, consulter les documents suivants :
Luan, Y., Doutres, O., Nélisse, H., Sgard, F. (2021). Experimental study of earplug noise reduction of a double hearing protector on an acoustic test fixture. Applied Acoustics, 176: 107856.
Luan, Y. (2021). 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 (thèse de doctorat en cours d’évaluation, ÉTS).
Luan, Y., Sgard, F., Nélisse, H., Doutres, O. (2021). A finite element model to predict the double hearing protector effect on an in-house acoustic test fixture. Article soumis pour publication au Journal of the Acoustical Society of America (2ème révision en cours).
