L’utilisation des bouchons d’oreilles par les travailleurs : un incontournable du milieu industriel

Le bruit au travail et la législation

La surexposition au bruit en milieu de travail a pour principale conséquence de dégrader le système auditif des travailleurs. Selon les statistiques disponibles (Vigneault, 2007), environ 500 000 travailleurs québécois sont exposés quotidiennement à des niveaux de bruits suffisamment élevés pouvant constituer un risque pour leur audition. À l’échelle nordaméricaine, ce chiffre passe à 30 millions (National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), 2006) et au niveau mondial, il est estimé entre 120 millions et 150 millions (Organisation mondiale de la santé (OMS), 2004). Pour la seule année 2013, ce sont 3 303 nouveaux cas de surdité professionnelle qui ont été reconnus et indemnisés par la CSST (Lamarche, Blouin et al., 2014). Statistiquement, cela représente 67% des cas d’indemnisations, toutes maladies professionnelles confondues, ce qui en fait la maladie professionnelle numéro 1 au Québec. Sur la période 1993-2002, cela représente un coût global de 95 millions $CAD (Girard, Picard et al., 2007). Plusieurs professionnels en santé publique (Girard et al. (2007); Concha-Barrientos et al (2004); Nelson et al (2005)) s’accordent à dire que les conséquences d’un environnement de travail bruyant ne se limitent pas à la surdité professionnelle, mais provoquent d’autres effets sur la santé (stress, fatigue, nervosité) et augmentent le risque d’accident au travail.

L’entrave à la communication entre travailleurs ou la mauvaise perception des signaux d’alarmes peuvent être citées comme facteurs diminuant la sécurité au travail. Ce problème coûteux et touchant de nombreux travailleurs est donc considéré comme un problème de santé et sécurité au travail (SST) important. En matière de législation, un employeur doit protéger un travailleur au-delà d’un niveau d’exposition maximum différent selon les pays. L’indicateur utilisé (􀜮􀮺􀯘􀯤,􀯍) pour définir le niveau d’exposition maximum correspond au niveau de bruit équivalent pondéré sur une journée de huit heures de travail (T=8h). Ainsi, en Europe, la directive européenne 2003/10/CE fixe à 80 dB(A) le niveau 􀜮􀮺􀯘􀯤,􀯍 au-dessus duquel un employeur doit mettre des protecteurs auditifs individuels à la disposition des travailleurs. À partir de 85 dB(A), l’employeur doit veiller à ce que ces protecteurs soient effectivement utilisés. Au Canada, la plupart des provinces et territoires ont également adopté cette limite à 85 dB(A). Dans les administrations fédérales canadiennes, la limite autorisée est de 87 dB(A). Seul le Québec (Règlement sur la santé et la sécurité au travail du Québec, section XV : bruit, article 130 à 141) autorise un niveau 􀜮􀮺􀯘􀯤,􀯍 d’exposition maximum de 90 dB(A). Tous ces niveaux sont au-dessus des recommandations de l’OMS, qui préconise plutôt un niveau maximum de 75 dB(A) pour assurer complétement l’intégrité du système auditif des travailleurs.

L’utilisation des bouchons d’oreilles par les travailleurs :

un incontournable du milieu industriel Pour lutter contre le bruit au travail, un employeur peut envisager plusieurs moyens d’actions. Les solutions à privilégier consistent à diminuer le bruit à la source, en agissant au niveau même de sa conception. Par exemple, le bruit pourra être réduit en minimisant la taille des surfaces rayonnantes d’une machine. Le bruit peut également être réduit en agissant sur le chemin de propagation du son, en ayant recours à un encoffrement ou en insérant des panneaux acoustiques entre la source (machine bruyante) et le récepteur (travailleur). Même si ces solutions techniques s’avèrent souvent efficaces, la diversité des situations rencontrées en pratique peut impliquer un coût important et/ou un défi technologique de mise en oeuvre (Voix (2006); Berger et al. (2003)) rendant la protection auditive individuelle la seule solution efficace à court terme. Celle-ci demeure la plus utilisée par les travailleurs pour des raisons de faibles coûts et de facilité d’implantation. Elle existe principalement sous deux formes : les casques anti-bruit ou coquilles (reliées entre elles par un arceau) et les protections auditives intra-auriculaires (plus communément appelé «bouchons d’oreille»). En pratique, les bouchons d’oreilles ne sont pas toujours aussi efficaces et/ou adaptés que souhaités (Voix, 2006) et sont associés à des problématiques spécifiques exposées dans la section 0.3.

Les têtes artificielles instrumentées

Pour une mesure en laboratoire, une tête artificielle instrumentée (ATF pour acoustical test fixture) peut être utilisée. L’ATF présente le grand avantage de permettre de mesurer une atténuation sans avoir recours à un sujet humain. Elle consiste en une tête rigide acoustiquement parfois muni d’un torse (également rigide acoustiquement) et est équipée de conduits auditifs synthétiques cylindriques recouverts (dans les plus récents développements) d’une couche de silicone supposée reproduire le comportement de la peau dans le conduit auditif. Ces conduits auditifs synthétiques sont terminés par des coupleurs (standard IEC 60711 (2010)) qui reproduisent l’effet du tympan et d’une portion du conduit auditif. Le niveau de pression acoustique peut être mesuré grâce à ces coupleurs. La mesure d’atténuation, dans ce cas correspond à des pertes par insertion (IL pour insertion loss), c’està- dire que le niveau de pression acoustique est mesuré en oreille ouverte et occluse, la différence entre les deux niveaux de pression étant le IL (ANSI/ASA, 2010). Plusieurs études (Schroeter et Posselt (1986); Giguere et Kunov (1989); Berger et al. (2012)) ont mis en avant les différences importantes sur la mesure d’atténuation qui pouvaient être obtenues avec un tel système de mesures en comparaisons avec des mesures standardisées sur sujets humains.

Il a été établi que l’accord (bon ou mauvais) entre mesures sur sujets humains et ATF dépend fortement du type de bouchon considéré et du type d’ATF utilisé. Il a également été souligné par Giguere et Kunov (1989) que l’ajout de la peau artificielle avait un effet très important sur la mesure d’atténuation et qu’elle permettait d’en améliorer la qualité vis-à-vis de mesures sur sujets humains, même si des écarts existent encore. L’ajout d’une peau artificielle fait maintenant partie du standard fixant les exigences requises pour un ATF (ANSI/ASA, 2010). Cependant, si l’ATF reste le meilleur moyen de mesurer une atténuation sans impliquer des sujets humains et que son utilisation est documenté dans de nombreuses références, les mécanismes de transmission du son à travers ce système et le rôle de la peau artificielle sont encore mal connus. Une meilleure connaissance de ces mécanismes pourrait aider à expliquer la source des écarts cités ci-dessus. Un élément d’explication pourrait venir des propriétés dynamiques de la peau artificielle et un outil de modélisation dédié à cette configuration pourrait permettre de tester l’influence de ces propriétés.

La mesure sur sujets humains

Des études (Berger et al. (1996); Berger, (2000)) ont montré que l’atténuation affichée d’un protecteur par un manufacturier (issue d’une mesure en laboratoire) est significativement supérieure par rapport à une mesure effective en milieu de travail, correspondant à l’atténuation réelle du protecteur. Des travaux de recherche récents (Voix (2006); Nélisse et al. (2010)) ont souligné qu’un des facteurs pouvant expliquer ces écarts provient de la méthode de mesure la plus utilisée pour caractériser l’efficacité d’un protecteur. Cette méthode, dite REAT (Real Ear Attenuation at Threshold), est basée sur une mesure subjective réalisée en laboratoire. Elle consiste à mesurer la différence du seuil d’audition d’un sujet avec et sans protecteur en bandes d’octave (entre 125 et 8000 Hz). Cette méthode n’est pas objective car elle requiert l’évaluation subjective du seuil d’audition d’un individu et ne peut être mise en oeuvre dans un environnement de travail réel. Ainsi, des méthodes de mesures terrains objectives et mieux adaptées sont nécessaires pour caractériser l’efficacité réelle d’un protecteur.

La méthode de mesure F-MIRE (Field- microphone in the real ear), développée par des membres de l’équipe «mesure» du projet ETSPA2 (Voix (2006); Voix et Laville (2009)) permet de déterminer l’efficacité d’un protecteur auditif in situ. Le niveau d’atténuation est obtenu de manière objective en mesurant la différence de niveaux sonores à l’extérieur et à l’intérieur du conduit auditif grâce à un doublet microphonique situé de part et d’autre du protecteur. Cette méthode est le pendant terrain de la méthode MIRE qui consiste en la même mesure, mais en laboratoire. Dans ce cas, l’indicateur d’atténuation est appelé NR (pour noise reduction). Une autre méthode de mesure, en laboratoire cette fois-ci, consiste en la mesure d’un IL, à l’instar de ce qui est fait sur tête artificielle (voir section ci-dessus). Une part importante de la recherche sur les protecteurs auditifs est consacrée à établir des liens entre les différents indicateurs, REAT, NR et IL. Des questions relatives à la variation du niveau de pression acoustique dans le conduit occlus par rapport à la position du microphone interne (dans les cas F-MIRE et IL) sont posées par ces méthode et pourrait être étudiées avec un outil de calcul prévisionnel du niveau de pression dans le conduit auditif.

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Table des matières

INTRODUCTION
0.1 Contexte
0.1.1 Le bruit au travail et la législation
0.1.2 L’utilisation des bouchons d’oreilles par les travailleurs : un incontournable du milieu industriel
0.1.3 L’intégration de ce travail de doctorat dans le projet ETSPA2
0.2 Problématique
0.2.1 Les bouchons d’oreilles, un produit qui pourrait être amélioré
0.2.2 Problématique associées à la mesure de l’atténuation des bouchons d’oreilles
0.2.2.1 Les têtes artificielles instrumentées
0.2.2.2 La mesure sur sujets humains
0.2.3 La nature complexe des chemins de transmission acoustique mis en jeux dans l’oreille externe
0.2.4 La variabilité des modèles de bouchons d’oreilles disponibles sur le marché
0.3 Objectifs de la thèse
0.3.1 Objectif principal
0.3.2 Objectifs spécifiques
0.4 Démarche de travail et organisation du document
0.4.1 Méthodologie et structure de la thèse
0.4.1.1 Chapitre 1 – État de l’art sur la modélisation du conduit auditif ouvert ou occlus par un bouchon d’oreille
0.4.1.2 Chapitre 2 – Article no 1 : Modélisation éléments finis 2D axisymétrique versus 3D pour la prédiction de l’atténuation des bouchons dans des conduits auditifs rigides.
0.4.1.3 Chapitre 3 – Article n°2 : Un modèle élément fini pour prédire l’atténuation d’un bouchon d’oreille dans une tête artificielle
0.4.1.4 Chapitre 4 – Article n°3 : Étude par modélisation éléments finis de la variabilité de l’atténuation des bouchons d’oreilles
0.4.1.5 Chapitre 5 : Prise en compte des tissus constitutifs du conduit auditif via des conditions aux limites d’impédances mécaniques
0.4.1.6 Chapitre 6 : Synthèse, retombées et perspectives
0.4.2 Hypothèses simplificatrices utilisées pour l’ensemble des modèles développés
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE SUR LA MODELISATION DU CONDUIT AUDITIF OUVERT OU OCCLUS PAR UN BOUCHON D’OREILLE
1.1 Modélisation du conduit auditif ouvert
1.1.1 Modèles analytiques du conduit auditif ouvert
1.1.2 Modèles numériques du conduit auditif ouvert
1.2 Modélisation du conduit auditif occlus par un bouchon
1.2.1 Modèles analytiques du conduit auditif occlus par un bouchon
1.2.2 Modèles numériques du canal auditif occlus
1.3 Modélisation du couplage entre le conduit auditif et le bouchon
1.4 Synthèse de l’état de l’art et originalités du travail de recherche proposé
CHAPITRE 2 AXISYMMETRIC VERSUS THREE-DIMENSIONAL FINITE ELEMENT MODEL FOR PREDICTING THE ATTENUATION OF EARPLUGS IN RIGID WALLED EAR CANALS
2.1 Abstract
2.2 Introduction
2.3 Finite element models of the open and the occluded ear
2.3.1 Open ear 3D and 2D axisymmetric FE models
2.3.2 Occluded ear 3D and 2D-axisymmetric finite element models
2.3.3 Acoustic impedance model for the tympanic membrane
2.4 Geometry specifications of the ear plug-canal system
2.4.1 Reconstruction of the realistic ear canal geometries
2.4.2 2D axisymmetric occluded ear canal geometry reconstruction
2.4.3 2D axisymmetric open ear canal geometry reconstruction
2.5 Experimental validation of the 2D axisymmetric open and occluded ear canal models
2.6 Results and discussion
2.6.1 Predicted IL for the 15 individual 3D ear plug-canal system
2.6.2 Comparison of individual 2D axisymmetric and 3D insertion losses
2.6.3 Comparison of averaged 2D axisymmetric and 3D insertion losses
2.7 Conclusion
2.8 Acknowledgements
CHAPITRE 3 A FINITE ELEMENT MODEL TO PREDICT THE SOUND ATTENUATION OF EARPLUGS IN AN ACOUSTICAL TEST FIXTURE
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Finite element models of the open and occluded external ear canals
3.3.1 Hypotheses, boundary conditions and loads
3.3.2 Insertion loss calculation
3.3.3 Material properties
3.3.4 Calculation of power balances
3.3.5 Sensitivity analysis to the artificial skin and the earplug parameters
3.4 Experimental validation of the model
3.5 Results and discussion
3.5.1 Power balances in the system
3.5.1.1 Power balances in the whole ear canal-plug system
3.5.1.2 Power exchanged at the interface between the earplug and the artificial skin
3.5.1.3 Power balance in the air cavity
3.5.2 Mechanical fluxes and acoustical intensity vector in the system
3.5.3 Sensitivity of the finite element model insertion loss prediction to the artificial skin and the earplug parameters
3.6 Conclusion
3.7 Acknowledgments
CHAPITRE 4 INVESTIGATION OF THE VARIABILITY IN EARPLUGSSOUND ATTENUATION MEASUREMENTS USING A FINITE ELEMENT MODEL
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Modeling strategies
4.3.1 Average 2D axisymmetric finite element model of the open and the occluded ear canal
4.3.1.1 Average geometry of the open and the occluded ear canal
4.3.1.2 Hypotheses, boundary conditions and loads
4.3.1.3 Insertion loss calculation
4.3.2 Earplugs insertion depth modeling
4.3.3 Leakages modeling
4.3.4 Ear canal geometrical variation modeling
4.3.5 Material parameters
4.3.5.1 Ear canal surrounding tissue materials
4.3.5.2 Earplugs material
4.3.5.3 Sensitivity analyses on the material parameters
4.4 Measurements on human subjects
4.5 Results and discussion
4.5.1 Earplug insertion depth
4.5.1.1 Validation of the model
4.5.1.2 Effect of the earplugs insertion depths on the attenuation
4.5.2 Presence of leakages
4.5.2.1 Validation of the model: comparisons of the mean predicted and measured insertion losses
4.5.2.2 Effect of the leakages on the attenuation
4.5.3 Inter-individual ear canal geometrical variability
4.5.3.1 Validation of the model: Comparison of the predicted and measured mean insertion losses
4.5.3.2 Effect of the inter-individual ear canal geometrical variations on the insertion loss
4.5.4 Material mechanical parameters
4.5.4.1 Effects of the ear canal tissues material parameters
4.5.4.2 Effect of the earplugs material parameters
4.5.5 Complementary results: factors that do not significantly affect the predicted insertion loss
4.6 Conclusion
4.7 Acknowledgments
CHAPITRE 5 PRISE EN COMPTE DES TISSUS CONSTITUTIFS DU CONDUIT AUDITIF VIA DES CONDITIONS AUX LIMITES D’IMPÉDANCES MÉCANIQUES
5.1 Mise en contexte
5.1.1 Idée générale
5.1.2 Scénarii de remplacement des tissus envisagés
5.2 Premier scénario : remplacement de tous les tissus du modèle «complet»
5.2.1 Calcul de la matrice d’impédance et application dans le modèle simplifié
5.2.2 Simplification de la matrice d’impédance
5.2.3 Résultats et limitations du premier scénario
5.3 Deuxième scénario : remplacement des tissus mou et de la partie osseuse
5.3.1 Calcul de la matrice d’impédance et application dans le modèle simplifié
5.3.2 Simplification de la matrice d’impédance mécanique
5.3.3 Résultats et limitations du deuxième scénario
5.4 Conclusion
CHAPITRE 6 SYNTHÈSE, RETOMBÉES ET PERSPECTIVES
6.1 Synthèse du travail doctoral accompli
6.1.1 Résumé des objectifs et de la problématique
6.1.2 Résumé de la méthodologie
6.1.3 Synthèse des contributions et limitations de la thèse
6.1.3.1 Chapitre 2 : Article #1, «Modélisation éléments finis 2D axisymétrique versus 3D pour la prédiction de l’atténuation des bouchons dans des conduits auditifs rigides»
6.1.3.2 Chapitre 3, Article #2 : Un modèle élément fini pour prédire l’atténuation d’un bouchon d’oreille dans une tête artificielle
6.1.3.3 Chapitre 4, Article #3 : Étude par modélisation éléments finis de la variabilité de l’atténuation des bouchons d’oreilles
6.1.3.4 Chapitre 5 : «Prise en compte des tissus constitutifs du conduit auditif via des conditions aux limites d’impédance mécanique»
6.2 Retombées
6.2.1 Retombées scientifiques
6.2.2 Retombées technologiques
6.2.3 Retombées santé et sécurité au travail
6.3 Perspectives du travail
ANNEXE I RÉSULTATS DÉTAILLÉS DE L’ANALYSE DE SENSIBILITÉ PRÉSENTÉE DANS LA SECTION 4.5.4 : PARTIE 1, BOUCHON SILICONE
ANNEXE II RÉSULTATS DÉTAILLÉS DE L’ANALYSE DE SENSIBILITÉ
PRÉSENTÉE DANS LA SECTION 4.5.4 : PARTIE 2, BOUCHON MOUSSE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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