Аналоговое ухо
Аналоговое ухо или аналоговая улитка — это модель уха или улитки ( во внутреннем ухе ), основанная на электрическом, электронном или механическом аналоге . Аналоговое ухо обычно описывается как соединение электрических элементов, таких как резисторы , конденсаторы и катушки индуктивности ; иногда трансформаторы и активные усилители в комплект входят .
Ушной фон
[ редактировать ]
Ухо типичного млекопитающего состоит из трех частей. улавливает Наружное ухо звуки, подобно рогу, и направляет их к барабанной перепонке . Вибрации барабана передаются внутреннему уху через систему костей, называемых косточками . Они усиливают большие движения барабанной перепонки и меньшие вибрации овального окна . Это окно соединяется с улиткой , которая представляет собой длинную двухканальную структуру, состоящую из двух каналов, разделенных базилярной мембраной . Конструкция длиной около 36 мм свернута в спираль для экономии места. Овальное окно выводит звуки на верхний канал. Нижний канал имеет круглое окно , но оно не связано с костями среднего уха. В дальнем конце конструкции есть отверстие между двумя каналами, называемое геликотремой , которое уравнивает медленно меняющееся давление в двух каналах. Ряд сенсорных волосковых клеток вдоль базилярной мембраны отвечает на отправку нервных импульсов в мозг.
Моделирование ушей
[ редактировать ]Модели уха прямого типа были созданы, в первую очередь, лауреатом Нобелевской премии Георгом фон Бекеши . Он использовал стеклянные предметные стекла, лезвия и эластичную мембрану, чтобы изобразить геликотрему . Он мог измерять вибрации базилярной мембраны в ответ на разные частоты возбуждений. Он обнаружил, что характер смещений синусоидальной волны данной частоты вдоль базилярной мембраны несколько постепенно нарастал до пика, а затем падал. Высокие частоты благоприятствуют более коротким расстояниям от овального окна, чем более низкие. Значения частоты аппроксимируют логарифмическое распределение в зависимости от расстояния. [а]
Механические и электрические аналоги
[ редактировать ]Ранние механические и электрические аналоговые уши были описаны в книге 1954 года « Аналоговые методы вычислений и моделирования» : [3]
...Бартон и Браунинг [4] также смоделировал характеристики слуха в октавном диапазоне, используя 13 маятниковых резонаторов. Предложена современная теория динамики улитки, учитывающая гидродинамику улитковых ходов и динамику базилярной мембраны. [5] и была разработана электрическая аналогия [6] проверить теорию. «Аналоговое ухо» представляет собой линию передачи, состоящую из 175 секций, каждая секция состоит из 2 индуктивностей (для представления массы среза жидкости и массы воздуховода) и 4 конденсаторов (для обозначения жесткости воздуховода).
— Уолтер В. Сорока
Прямая (механическая) модель использует переменные давления воздуха и воды, скорости и вязкости жидкости, а также смещения. Электрическая аналоговая модель использует другой набор переменных, а именно напряжение и ток. Внешнюю и среднюю части уха можно представить с помощью набора катушек, конденсаторов и идеального трансформатора, чтобы представить эффект усиления слуховых косточек . Эта схема заканчивается конденсатором, изображающим овальное окно . Отсюда два канала представлены последовательностью индукторов и резисторов для потока жидкости внутри каждого канала, причем два канала соединены последовательностью последовательных резонансных цепей RLC. Напряжения на емкостях представляют собой смещения базилярной мембраны . Значения элементов вдоль улитки сужаются логарифмически, чтобы представить снижение частотных характеристик с расстоянием.
Картина напряжений вдоль базилярной мембраны можно просмотреть на осциллографе. Средние значения можно получить путем выпрямления и отобразить в виде шаблонов с использованием высокоскоростного коммутатора. Аналоговое ухо демонстрирует закономерности, которые очень похожи на те, которые наблюдал Георг фон Бекеши на своей более прямой модели.
Первая относительно полная модель была построена в начале 1960-х годов в Университете Аризоны двумя аспирантами и их наставником при поддержке недавно созданной программы бионики ВВС . Эта работа была впервые обобщена в отчете: «Электронный аналог уха», Технический документальный отчет № AMRL - TDR -1963-60, июнь 1963 г., Лаборатория биофизики, 6570-я аэрокосмическая медицинская исследовательская лаборатория, Отделение аэрокосмической медицины, Авиация. Командование силовыми системами, Э. Глессер, У. Ф. Колдуэлл и Дж. Л. Стюарт. [7] Отчет содержит обширный список использованной литературы. О работе также сообщалось на симпозиумах по бионике .
Джон Л. Стюарт и Ковокс
[ редактировать ]В отличие от моделей, основанных на серии активных фильтров или представленных цифровыми уравнениями, аналоговое ухо может включать в себя нелинейности, которые представляют собой нелинейные действия базилярной мембраны , возможно, вызванные асимметричными движениями сенсорных клеток, приводящими к асимметричным движениям базилярной мембраны. Могут генерироваться разностные частоты, как это наблюдается у человека. Некоторые разностные частоты, возникающие в улитке, можно наблюдать и в наружном ухе .
Нейронные сигналы, реагирующие на движения базилярной мембраны, демонстрируют реакцию в одном направлении, как при выпрямлении. На всех частотах, кроме низких, нейронные измерения усредняются за несколько циклов, что дает эквивалент выпрямления с последующим усреднением ( фильтрация нижних частот ). По всей улитке ответ проявляется в виде шаблона, который меняется медленнее, чем приложенная частота, но соответствует огибающей приложенного сигнала. Каждая группа клеток может генерировать полупериодическую волну, которую могут анализировать нейроны мозга. Таким образом, общий паттерн, возникающий из звука, можно рассматривать как двумерный паттерн во времени, где одна ось представляет собой расстояние вдоль базилярной мембраны, а другая — расстояние вдоль некоторой последовательности нейронов. Эти паттерны, изменяющиеся со скоростью, меньшей, чем низкие звуковые частоты, имеют форму, которую можно идентифицировать, во многом напоминающую зрительные паттерны. Концепция «нейронного анализатора» как расширения улитковых паттернов обсуждается в патенте США № 3387093. , «Система сжатия полосы пропускания 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 обычный частотный спектр . Второй формант является наиболее значимым одиночным тактом. Звуки речи, представляющие интерес, включают шепот и отрывочную речь . [б]
Аппликации были применены к животным и насекомым с соответствующими моделями ушей. [9] Другое исследование с использованием аналогового уха было «Моделирование механизмов эхоранжирования животных», Джон Л. Стюарт и Джеймс М. Кассон. [10]
За исследованиями, цитируемыми в перечисленных здесь отчетах, последовало множество отчетов, статей и патентов. В последнем полном отчете использовалась относительно ранняя версия компьютерной программы, написанная на языке BASIC с разделением времени . [с]
Стюарт также самостоятельно опубликовал несколько книг, занимаясь бизнесом под названием Santa Rita Technology, а затем как Covox , в том числе «История аналогового уха» и «Аналоговая система ухо-мозг» в 1964 году и «Бионическое ухо» в 1979 году. [12]
Исследования, основанные на изучении аналогового уха, способствовали созданию специальных звуков, которые можно использовать для отпугивания птиц и других вредителей. Звуки были синтезированы так, чтобы следовать за естественными криками птиц, но имели переключающийся характер. Эта концепция аналогична использованию бормотания человеческих голосов для подавления общения другого человека. Основным продуктом была «Av-Alarm». Он также был адаптирован для трансзвуковой и ультразвуковой областей с помощью устройства под названием «Трансоник».
Исследование также привело к разработке раннего распознавателя речевых слов, который работал как с 8-битными компьютерами, так и с более поздними компьютерами, основанными на 16-битных процессорах. Линейка продуктов была разработана Covox, Inc. под названиями «Speech Thing» и «Voice Master».
Был выдан ряд патентов США (и зарубежных) по темам, связанным с аналоговым ухом Стюарта. В порядке дат подачи заявок, начиная с 1962 года, номера следующие: патент США 3 294 909 , патент США 3 325 597 , патент США 3 387 093 , патент США 3 432 618 , патент США 3 378 700 , патент США 3 459 патент США 3 483 325 , 034 , патент США 3 543 ,138 и патент США 3510588 .
Аналоговые модели улитки СБИС
[ редактировать ]![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( март 2008 г. ) |
За последние десятилетия несколько групп создали аналоговые слуховые чипы СБИС. [13]
Примечания
[ редактировать ]- ^ Подробное обсуждение прямых моделей фон Бекеши можно найти в его книге «Эксперименты со слухом». [1] См. также его и другие статьи в SS Stevens, «Справочник по экспериментальной психологии». [2] Это руководство считается основным источником информации о речи и слухе, распознавании слов и других темах, а также данных о человеческом ухе.
- ^ См. «Обработка речи с помощью улитково-нейронного аналога», Джон Л. Стюарт. [8] В статье, опубликованной в журнале Behavioral Science, изучались ограничения сенсорной дискриминации, налагаемые двумя видами нейронного шума. Значительную информацию о речевых моделях и распознавании сообщает ряд различных авторов в « Справочнике экспериментальной психологии». [2] упомянуто выше.
- ^ См. «Теория и физическая модель механики улитки», Джон Л. Стюарт. [11] Показаны параметры аналогового уха и закономерности, полученные с помощью компьютерной программы. Схемы и параметры, приведенные в этом отчете, достаточны для воспроизведения аналоговых ушей.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фон Бекеши, Георг (1960). Эксперименты со слухом . МакГроу-Хилл.
- ^ Перейти обратно: а б Стивенс, Стэнли Смит (1951). Справочник по экспериментальной психологии . Уайли. ISBN 9780471823681 .
- ^ Карплюс, Уолтер Дж.; Сорока, Уолтер В. (1959). Аналоговые методы: расчет и моделирование . МакГроу-Хилл.
- ^ Бартон, Э.Х.; Браунинг, HM (1919). «XI. Резонансная теория слуха, подвергнутая экспериментам» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 38 (223): 164–173. дои : 10.1080/14786440708635936 .
- ^ Петерсон, LC; Богерт, БП (1950). «Динамическая теория улитки». Журнал Акустического общества Америки . 22 (1): 84. Бибкод : 1950ASAJ...22...84P . дои : 10.1121/1.1917149 .
- ^ Богерт, БП (1950). «Сеть, представляющая внутреннее ухо» (PDF) . Отчет лабораторий Белла . 28 (11): 481–485. ISSN 0005-8564 .
- ^ Глессер, Э.; Колдуэлл, ВФ; Стюарт, Дж.Л. (1963). «Электронный аналог уха (АМРЛ-ТДР-63-60)» . дои : 10.1037/e428572004-001 . Архивировано из оригинала 26 сентября 2019 года.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Стюарт, Дж. Л. (1966). «Обработка речи кохлеарно-нейронным аналогом (AMRL-TR-66-229)». Амрл-Тр. Лаборатории аэрокосмических медицинских исследований (США) . Лаборатории аэрокосмических медицинских исследований (США): 1–140. ПМИД 5298146 .
- ^ Лукас, Роберт Л.; Стюарт, Джон Л. (1966). Моделирование слуховых систем птиц и насекомых (AFAL-TR-66-12) . Лаборатория авионики ВВС, Отдел исследований и технологий, Командование систем ВВС. OCLC 39343194 .
- ^ Кассон, Джеймс М.; Стюарт, Джон Л. (1969). Моделирование механизмов эхоранжирования животных (AMRL-TR-1968-194) (Отчет). Технический отчет Бронированной медицинской исследовательской лаборатории . OCLC 831494678 . [ мертвая ссылка ]
- ^ Стюарт, Джон Л. (1972). «Теория и физическая модель механики улитки». Acta Oto-Laryngologica . 73 (Supp294).
- ^ Стюарт, Джон Л. (1979). Бионическое ухо . Ковокс.
- ^ «Аналог СБИС улитки – Google Scholar» . Проверено 5 апреля 2014 г.