Аналоговое ухо - Analog ear - Wikipedia

An аналоговое ухо или же аналоговая улитка это модель ухо или из улитка (в внутреннее ухо ) на основе электрических, электронных или механических аналог. Аналоговое ухо обычно описывается как соединение электрические элементы Такие как резисторы, конденсаторы, и индукторы; иногда трансформаторы и активный усилители включены.

Фон уха

Анатомия человеческого уха. (Длина слухового прохода увеличена для просмотра.)

Браун наружное ухо.

Красный среднее ухо.

Фиолетовый внутреннее ухо.

Ухо типичного млекопитающего состоит из трех частей. В наружное ухо собирает звуки, как рог, и направляет их к барабанная перепонка. Вибрации барабана передаются внутреннее ухо через систему костей, называемую косточки. Они используют более крупные движения барабанная перепонка к меньшим колебаниям овальное окно. Это окно подключается к улитка который представляет собой длинную двухканальную систему, состоящую из двух каналов, разделенных базилярная мембрана. Конструкция длиной около 36 мм свернута для экономии места. В овальное окно вводит звуки в верхний канал. Нижний канал имеет круглое окно но это происходит не от костей среднего уха. В дальнем конце конструкции есть отверстие между двумя каналами, которое называется геликотрема который уравнивает медленно меняющиеся давления в двух каналах. Серия сенсорных волосковые клетки вдоль базилярная мембрана отвечать на посылку нервных импульсов в мозг.

Моделирование ушей

Были созданы модели для ушей прямого типа, в первую очередь Нобелевским лауреатом. Георг фон Бекеси. Он использовал стеклянные предметные стекла, лезвия для бритвы и эластичную мембрану, чтобы представить геликотрема. Он мог измерять вибрации по базилярная мембрана в ответ на разные частоты возбуждения. Он обнаружил, что характер смещения синусоидальной волны заданной частоты вдоль базилярная мембрана несколько постепенно поднялся до пика, а затем упал. Высокие частоты способствовали меньшему расстоянию от овальное окно чем нижние. Значения частоты аппроксимируют логарифмическое распределение с расстоянием.^[а]

Механические и электрические аналоги

Ранние механические и электрические аналоговые уши были описаны в книге 1954 года. Аналоговые методы в вычислениях и моделировании:^[3]

... Бартон и Браунинг^[4] также моделировали характеристики слуха в диапазоне октавы, используя 13 маятниковых резонаторов. Предложена современная теория динамики улитки, учитывающая гидродинамику протоков улитки и динамику базилярной мембраны.^[5] и электрическая аналогия развита^[6] проверить теорию. «Аналоговое ухо» - это линия передачи, состоящая из 175 секций, каждая из которых состоит из 2 индуктивностей (для представления массы среза жидкости и массы канала) и 4 конденсаторов (для представления жесткости канала).
— Вальтер В. Сорока

В прямой (механической) модели используются такие переменные, как давление воздуха и воды, скорость и вязкость жидкости, а также смещение. В электрической аналоговой модели используется другой набор переменных, а именно напряжение и ток. Наружную и среднюю части уха можно представить с помощью набора катушек, конденсаторов и идеального трансформатора, чтобы представить усиливающий эффект косточки. Эта схема заканчивается конденсатором, представляющим овальное окно. Отсюда два канала представлены последовательностью индукторов и резисторов для потока жидкости в каждом канале, причем два канала соединены последовательностью последовательных резонансных цепей RLC. Напряжения на емкостях представляют базилярная мембрана смещения. Значения элементов вдоль улитки сужаются логарифмически, чтобы представить снижение частотных характеристик с расстоянием.

Диаграмма напряжений вдоль базилярная мембрана можно просмотреть на осциллографе. Средние значения могут быть получены с помощью выпрямления и показаны в виде шаблонов с использованием высокоскоростного коммутатора. Аналоговое ухо показывает модели, которые очень похожи на наблюдаемые Георг фон Бекеси на его более прямую модель.

Первая относительно полная модель была построена в начале 1960-х годов в Университете Аризоны двумя аспирантами и их преподавателем при поддержке недавно созданных ВВС США. Бионика программа. Впервые эта работа была резюмирована в отчете: «Электронный аналог уха», Технический документальный отчет No. AMRL -TDR -1963-60, июнь 1963, Лаборатория биофизики, 6570-е Лаборатории аэрокосмических медицинских исследований, Аэрокосмическое медицинское подразделение, Командование систем ВВС, Э. Глессер, У. Ф. Колдуэлл и Дж. Л. Стюарт.^[7] Отчет содержит обширный список литературы. О работе также сообщили на Бионика симпозиумы.

Джон Л. Стюарт и Ковокс

В отличие от моделей, основанных на серии активных фильтров или представленных цифровыми уравнениями, аналоговое ухо может включать нелинейности, которые представляют нелинейные действия базилярная мембрана, возможно, вызванные асимметричными движениями сенсорных клеток, приводящими к асимметричным движениям базилярной мембраны. Могут возникать различия частот, как это наблюдается у человека. Некоторые разностные частоты, возникающие в улитка можно наблюдать в наружное ухо.

Нейронные сигналы, реагирующие на движения базилярной мембраны, показывают ответы в одном направлении, как при выпрямлении. На всех частотах, кроме низких, нейронные измерения усредняют за несколько циклов, чтобы получить эквивалент выпрямления с последующим усреднением (фильтрация нижних частот ). По всей улитке ответ проявляется в виде паттерна, который изменяется медленнее, чем применяемая частота, но который следует за огибающей приложенного сигнала. Каждая группа клеток может вызывать полупериодическую волну, которую могут анализировать нейроны мозга. Таким образом, общий образец, возникающий из звука, можно представить как двумерный образец во времени, где одна ось представляет собой расстояние вдоль базилярной мембраны, а другая - расстояние вдоль некоторой последовательности нейронов. Эти паттерны, изменяющиеся с меньшей скоростью, чем более низкие звуковые частоты, имеют формы, которые можно идентифицировать так же, как узоры в зрении. Концепция «нейронного анализатора» как расширения кохлеарных паттернов обсуждается в Патент США 3387093, «Система сжатия пропускной способности речи», 4 июня 1968 г. (подана в 1964 г.).

Было обнаружено, что аналоговое ухо с его асимметричными перекрывающимися полосами более надежно распознает звуки речи, чем обычное ухо. частотный спектр. Второй формант это наиболее значимая мера. Звуки речи, представляющие интерес, включают прошептал и вырезанная речь.^[b]

Применяли к животным и насекомым с соответствующими моделями ушей.^[9] Другое исследование с использованием аналогового уха было «Моделирование механизмов эхолокации животных», проведенное Джоном Л. Стюартом и Джеймсом М. Кассоном.^[10]

Многие отчеты, статьи и патенты сопровождались исследованиями, цитируемыми в перечисленных здесь отчетах. В последнем полном отчете использовалась относительно ранняя версия компьютерной программы, написанная в режиме разделения времени. БАЗОВЫЙ.^[c]

Стюарт также самостоятельно опубликовал несколько книг, ведя бизнес как Santa Rita Technology, а затем как Covox, в том числе История аналогового уха и Аналоговая система "ухо-мозг" в 1964 г. и Бионическое ухо в 1979 г.^[12]

Исследования, проведенные в результате аналоговых исследований ушей, привели к созданию специальных звуков для отпугивания птиц и других вредителей. Звуки были синтезированы, чтобы следовать естественным крикам птиц, но были переключаемыми. Эта концепция аналогична использованию бормотания человеческих голосов для подавления сообщений другого человека. «Ав-Аларм» был основным продуктом. Он также был адаптирован к околозвуковой и ультразвуковой областях с помощью устройства под названием "Transonic".

Исследование также привело к разработке распознавателя слов для ранней речи, который работал как с 8-битными компьютерами, так и с более поздними, основанными на 16-битных процессорах. Линия продуктов была разработана Covox, Inc. под названиями «Speech Thing» и «Voice Master».

Был выдан ряд патентов США (и зарубежных) по вопросам, связанным с аналоговым ухом Стюарта. В порядке дат подачи заявок, начиная с 1962 года, номера указаны ниже. Патент США 3294909, Патент США 3,325,597, Патент США 3387093, Патент США 3432618, Патент США 3,378,700, Патент США 3483325, Патент США 3,459,034, Патент США 3543138, и Патент США 3,510,588.

Аналоговые модели улитки СБИС

В последние десятилетия несколько групп создали аналоговые слуховые микросхемы VLSI.^[13]

Примечания

^ Подробное обсуждение прямых моделей фон Бекеси можно найти в его книге «Эксперименты со слухом».^[1] Также см. Его и другие статьи в S. S. Stevens, "Handbook of Experimental Psychology".^[2] Это руководство выделено как основной источник информации по речи и слуху, распознаванию слов и другим темам, а также данных о человеческом ухе.
^ См. «Обработка речи с помощью кохлеарно-нейронного аналога», Джон Л. Стюарт.^[8] Статья опубликована в журнале Поведенческая наука изучал ограничения на сенсорную дискриминацию, налагаемые двумя видами нейронного шума. Значительный объем информации о речевых образцах и распознавании представлен рядом разных авторов в Справочник экспериментальной психологии^[2] упомянутый выше.
^ См. «Теория и физическая модель механики улитки», Джон Л. Стюарт.^[11] Показаны параметры аналогового уха и паттерны, полученные с помощью компьютерной программы. Шаблоны и параметры, приведенные в этом отчете, достаточны для воспроизведения аналоговых ушей.