Reconstruction of the Audio Environment with a Hearing Protection Device : Principle and Concepts of Solutions for an Acoustically “Transparent” Hearing Protection

par Lorenz Kroener

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique, génie civil. Mécanique

Sous la direction de Alexandre Garcia et de Véronique Zimpfer.

Soutenue le 06-10-2021

à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique des structures et des systèmes couplés (Paris) (laboratoire) et de Conservatoire national des arts et métiers (France) (établissement de préparation de la thèse) .

Le président du jury était François Alouges.

Le jury était composé de Guillaume Andeol, Rozenn Nicol, Christophe Langrenne, Udo Zoelzer.

Les rapporteurs étaient François Alouges, Joël Ducourneau.

  • Titre traduit

    Reconstruction de l’environnement sonore sous une protection auditive : principe et concept pour la protection auditive transparente acoustiquement


  • Résumé

    De nombreux professionnels sont exposés à des bruits impulsifs ou constants de très fort niveau. Pour se prémunir d'une perte auditive ils portent des protecteurs auditifs. Il s'ensuite la réduction de la localisation des sources sonores cependant, souvent les utilisateurs jugent la localisation plus importante que d'être protéger. L'objectif de cette étude est de concilier la protection auditive en gardant la connaissance situationnelle. Un environnement acoustique virtuel (EAV) de 16 haut-parleurs disposés circulairement et horizontalement est mis en place. La performance de localisation avec des protections acoustiques de types actives et passives, bouchons et casques, disponibles sur le marché, est évaluée avec 40 sujets. Ce test a montré que les bouchons sont à préférées aux casques. Ces résultats sont en corrélation avec l'étude sur les modifications des Head Related Transfer Functions (HRTFs) introduites par les protecteurs auditifs. Les bouchons conservent plus d'indices spectraux individuelles que les casques, qui enlèvent de nombreux d'indices individuelles. On compare 2 méthodes pour combiner une HRTF générique et pré-simulée avec la fonction de transfert individuelle relative à la coquer simulée. Un modèle analytique des HRTFs, contrôlé par l'angle d'azimut, est développé. Avec des contraintes imposées sur des systèmes embarqués en termes de ressources d'énergie et de puissance de calcul, 14 filtres sont définis. Un test d'écoute a permis d'évaluer ces filtres, concernant la discrimination des sons placés devant et derrière l'auditeur. Les filtres à l'ordre bas montrent des meilleurs résultats que ceux à un grand ordre. On propose 4 approches pour des protecteurs auditifs avancés de type casque, qui ont comme but d'améliorer la localisation des sons. Ces prototypes sont assemblés et évalués dans un test d'écoute avec 36 participants, qui montre qu'il est possible d'améliorer la performance de localisation d'un protecteur auditif du commerce.


  • Résumé

    Many professionals, e.g. mining and construction workers, ground crews or soldiers are exposed to impulsive or constant high level noise. In order to prevent hearing loss, they depend on hearing protections devices (HPDs). On the contrary, HPDs interfere with situational awareness and sound source localization. This contradiction makes users pondering between hearing loss and situational awareness. Often last mentioned dominates over first mentioned. This work aims to bring in line hearing protection and situational awareness. A virtual acoustic environment (VAE) with 16 circularly, horizontally arranged loudspeakers is set up. Localization performance with commercially available HPDs, including active and passive earplugs and earmuffs, is assessed in the VAE with 40 subjects. Earplugs with small geometries show better results than large-sized earmuffs. These results coincide with the study on modifications of the Head Related Transfer Function (HRTF) caused by HPDs. Earplugs preserve many individual spectral cues, while earmuffs cancel out most of these cues. We compare methods of combining a simulated, generic HRTF with the simulated, individual Pinna Related Transfer Function. An analytic model of HRTFs, controlled by the azimuth angle, is developed. Respecting the limitations of embedded systems, regarding energy supply and computational power, 14 digital filters are defined. A headphone based listening test is conducted to rate these filters regarding subjective front-back discrimination performance, resulting in better performance with low order filters than with high order filters. We present 4 designs of advanced HPDs which are aimed to improve the sound localization performance. Prototypes are manufactured and evaluated in a subjective listening test with 36 participants, showing that it is possible to improve sound localization of a commercially available active HPD.


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