아날로그 이어

Analog ear

아날로그 귀 또는 아날로그 코클레아는 전기, 전자 또는 기계적 아날로그를 기반으로 귀 또는 (내이) 코클레아의 모델이다. 아날로그 귀는 일반적으로 저항기, 캐패시터 및 인덕터와 같은 전기 요소의 상호연결로 설명되며, 때로는 변압기와 능동 증폭기가 포함된다.

귀 배경

사람의 귀의 해부. (청각관 길이는 보기 위해 과장되어 있다.)
브라운은 외귀다.
빨강은 중귀다.
보라색은 내이이다.

전형적인 포유류의 귀는 세 부분으로 구성되어 있다. 외귀는 뿔처럼 소리를 모아 고막으로 안내한다. 드럼의 진동은 오실체라 불리는 뼈의 체계를 통해 내이로 전달된다. 이것들은 고막의 더 큰 움직임을 타원형 창문의 더 작은 진동으로 활용한다. 이 창문은 기저막으로 분리된 두 개의 채널로 구성된 긴 이중 채널 배열인 콜레아에 연결된다. 길이 약 36mm의 이 구조물은 공간을 보존하기 위해 코일에 싸여 있다. 타원형 창문은 위쪽 채널에 소리를 소개한다. 아래 채널은 둥근 창을 가지고 있지만 이것은 중이의 뼈에 의해 구동되지 않는다. 구조의 맨 끝에는 헬리코트레마라고 불리는 두 채널 사이에 구멍이 있어 두 채널에서 천천히 변화하는 압력을 균등하게 한다. 염기성 막을 따라 일련의 감각적 머리카락 세포들이 뇌를 향해 신경 펄스를 보내기 위해 반응한다.

귀 모델링

노벨상 수상자인 게오르크 폰 베케시가 가장 두드러지게 직접 귀의 모델을 만들었다. 그는 헬리코트레마를 나타내기 위해 유리 미끄럼틀, 면도날, 탄성 막을 사용했다. 그는 다른 흥분 주파수에 반응하여 기저막의 진동을 측정할 수 있었다. 그는 기준 막대를 따라 주어진 주파수 사인파의 변위 패턴이 다소 점진적으로 피크까지 상승했다가 그 후에 하락하는 것을 발견했다. 높은 주파수는 낮은 주파수보다 타원형 창문에서 더 짧은 거리를 선호했다. 주파수 값은 거리에 따른 로그 분포에 가깝다.[a]

기계 및 전기 아날로그

초기 기계 및 전기 아날로그 귀는 1954년 책 "Analog Methods in Computing and Simulation:[3]

...바튼과 브라우닝은[4] 또한 13개의 진자 공명기를 이용하여 옥타브의 범위에 걸쳐 청각의 특성을 시뮬레이션했다. 달팽이관의 수역학 및 기저막의 역학을 설명하는 달팽이관 역학의 현대적 이론이 제안되었고[5], 이론을 점검하기 위한 전기적 유추가 개발되었다[6]. "아날로그 이어(Analog ear)"는 175개의 섹션으로 구성된 전송선으로, 각 섹션은 2개의 인덕턴스(유체 슬라이스 중량을 나타내며 덕트의 강성을 나타냄)와 4개의 콘덴서로 구성된다.

— Walter W. Soroka

직접(기계적) 모델은 공기와 수압, 유체 속도와 점성, 변위의 변수를 사용한다. 전기 아날로그 모델은 다른 변수, 즉 전압과 전류 세트를 사용한다. 귀의 바깥쪽과 가운데 부분은 코일, 캐패시터, 그리고 오시클의 활용 효과를 나타내는 이상적인 변압기의 집합으로 나타낼 수 있다. 이 회로는 타원형 창을 나타내는 콘덴서로 종단된다. 거기서부터, 두 채널은 직렬 공명 RLC 회로의 순서와 결합된 두 채널과 함께 각 채널 내의 유체 흐름을 위한 인덕터와 저항기의 순서로 표시된다. 캐패시턴스에 걸친 전압은 기준 막의 변위를 나타낸다. 코클레아에 따른 요소 값은 로그 방식으로 테이퍼되어 거리에 따른 주파수 응답을 낮춘다는 것을 나타낸다.

기준 막대를 따라 흐르는 전압 패턴은 오실로스코프에서 볼 수 있다. 평균값은 수리를 통해 얻을 수 있으며 고속 정류기를 사용하여 패턴으로 나타낼 수 있다. 아날로그 귀는 Georg von Békésy가 그의 보다 직접적인 모델에서 관찰한 것과 밀접하게 따르는 패턴을 보여준다.

최초의 비교적 완전한 모델은 1960년대 초 아리조나 대학교에서 신설된 공군 바이오닉스 프로그램의 지원을 받아 두 명의 대학원생과 그들의 교수 멘토에 의해 건설되었다. This work was first summarized in a report: "An Electronic Analog of the Ear", Technical Documentary Report No. AMRL-TDR-1963-60, June 1963, Biophysics Laboratory, 6570-th Aerospace Medical Research Laboratories, Aerospace Medical Division, Air Force Systems Command, by E. Glaesser, W. F. Caldwell, and J. L. Stewart.[7] 그 보고서에는 광범위한 참고자료가 수록되어 있다. 이 작품은 바이오닉스 심포비아에서도 보고되었다.

존 L. 스튜어트와 코복스

일련의 활성 필터를 기반으로 하거나 디지털 방정식으로 표현된 모델과는 달리 아날로그 귀는 기준 막의 비선형 작용을 나타내는 비선형성을 통합할 수 있으며, 기준 막의 비대칭적인 움직임으로 인해 감각 세포의 비대칭적인 움직임이 발생할 수 있다. 인간에서 관찰된 바와 같이 차이 주파수가 발생할 수 있다. 콜레아에서 발생하는 일부 차이 주파수는 외이에서 관찰할 수 있다.

기저막의 움직임에 반응하는 신경 신호는 정류와 같이 한 방향으로 반응을 나타낸다. 저주파를 제외한 모든 주파수에서 신경 측정은 수정에 상응하는 수정에 대한 평균을 제공하고 평균화(저역 통과 필터링)를 한다. 전체 콜레아에서, 반응은 적용된 주파수에 비해 더 느리게 변화하지만 적용된 신호의 엔벨롭을 따르는 패턴으로 나타난다. 세포의 각 그룹은 뇌의 뉴런에 의해 분석될 수 있는 반주기적 파동을 일으킬 수 있다. 따라서 소리에서 발생하는 총 패턴은 한 축은 기저막의 거리를 따라가고 다른 축은 뉴런의 순서를 따라 거리를 두는 2차원 패턴이라고 생각할 수 있다. 낮은 오디오 주파수보다 낮은 속도로 변화하는 이러한 패턴은 시각에서 패턴과 유사한 형태를 식별할 수 있다. 달팽이관 패턴의 확장으로서 "신경분석기"의 개념은 1968년 6월 4일 (1964년 fame) 미국 특허 3,387,093 "스피치 대역폭 압축 시스템"에서 논의된다.

비대칭 중첩 밴드를 가진 아날로그 귀는 기존 주파수 스펙트럼보다 음성 소리를 식별하는 데 더 신뢰성이 높은 것으로 나타났다. 두 번째 공식은 가장 중요한 단일 척도다. 관심있는 말소리는 속삭이고 잘린 말소리다.[b]

적절한 귀 모델을 가진 동물과 곤충에게 응용이 이루어졌다.[9] 아날로그 귀를 이용한 또 다른 연구는 "동물 에초랑깅에서의 시뮬레이션 메커니즘," 존 L. 스튜어트와 제임스 M. 캐슨.[10]

여기에 열거된 보고서에 인용된 것처럼 많은 보고서, 기사, 특허가 연구를 따랐다. 마지막 전체 보고서는 시간 공유 BASIC으로 작성된 비교적 초기 버전의 컴퓨터 프로그램을 채택했다.[c]

스튜어트는 또한 산타 리타 테크놀로지로 사업을 하였고, 이후 1964년 <아날로그 이어 스토리>와 <아날로그 이어-브레인 시스템>, 1979년 <바이오닉 이어> 등 여러 권의 책을 스스로 출판했다.[12]

아날로그 귀 연구에서 나온 연구는 새와 다른 해충을 퇴치하는 데 사용할 수 있는 특별한 소리를 만들어냈다. 소리는 자연적인 새 울음소리를 따르도록 합성되었지만 전환의 종류였다. 이 개념은 다른 사람의 의사소통을 방해하기 위해 인간의 목소리를 사용하는 것과 비슷하다. "Av-Alarm"이 주요 제품이었다. 또한 '트랜소닉'이라는 장치로 트랜소닉과 초음파 영역에도 적응했다.

이 연구는 또한 16비트 프로세서를 기반으로 한 8비트 컴퓨터뿐만 아니라 그 이후의 컴퓨터로도 작동되는 초기 음성 단어 인식기의 개발로 이어졌다. 이 제품 라인은 코복스 사가 '스피치 씽'과 '보이스 마스터'의 제품명으로 개발했다.

스튜어트의 아날로그 귀와 관련된 주제에 대한 다수의 미국(및 외국) 특허가 인정되었다. In the order of filing dates starting in 1962, numbers are U.S. Patent 3,294,909, U.S. Patent 3,325,597, U.S. Patent 3,387,093, U.S. Patent 3,432,618, U.S. Patent 3,378,700, U.S. Patent 3,483,325, U.S. Patent 3,459,034, U.S. Patent 3,543,138, and U.S. Patent 3,510,588.


아날로그 VLSI 콜레아 모델

최근 몇 십 년 동안 몇몇 그룹이 아날로그 VLSI 청력 칩을 만들었다.[13]

메모들

  1. ^ 폰 베케시의 직접 모델에 대한 자세한 논의는 그의 저서 "청각의 실험"에서 찾을 수 있을 것이다.[1] S. S. Stevens에 실린 그의 글과 다른 것들, "실험 심리학 핸드북"도 보라.[2] 이 핸드북은 사람의 귀에 대한 데이터뿐만 아니라 언어와 청력, 단어 인식 및 기타 주제에 대한 주요 정보 출처로 선정되었다.
  2. ^ "Cochlear-Neural Analog, John L을 사용한 음성 처리"를 참조하십시오. 스튜어트.[8] 행동과학 저널에 실린 한 기사는 두 종류의 신경소음에 의해 부과되는 감각차별의 제약을 연구했다. 음성 패턴과 인식에 대한 상당한 정보는 위에 언급된 실험[2] 심리학 핸드북의 여러 다른 저자들에 의해 보고된다.
  3. ^ John L, "달팽이관 역학을 위한 이론과 물리적 모델"을 참조하십시오. 스튜어트.[11] 아날로그 귀의 파라미터와 컴퓨터 프로그램을 통해 얻은 패턴이 표시된다. 이 보고서에 제시된 패턴과 파라미터는 아날로그 귀를 재현하기에 충분하다.

참조

  1. ^ Von Békésy, Georg (1960). Experiments in Hearing. McGraw-Hill.
  2. ^ a b Stevens, Stanley Smith (1951). Handbook of Experimental Psychology. Wiley.
  3. ^ Karplus, Walter J.; Soroka, Walter W. (1959). Analog methods: computation and simulation. McGraw-Hill.
  4. ^ Barton, E.H.; Browning, H.M. (1919). "XI. The resonance theory of audition subjected to experiments". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 38 (223): 164–173. doi:10.1080/14786440708635936.
  5. ^ Peterson, L. C.; Bogert, B. P. (1950). "A Dynamical Theory of the Cochlea". The Journal of the Acoustical Society of America. 22 (1): 84. Bibcode:1950ASAJ...22...84P. doi:10.1121/1.1917149.
  6. ^ Bogert, B. P. (1950). "A Network to Represent the Inner Ear" (PDF). Bell Laboratories Record. 28 (11): 481–485. ISSN 0005-8564.
  7. ^ Glaesser, E.; Caldwell, W. F.; Stewart, J. L. (1963). "An electronic analog of the ear (AMRL-TDR-63-60)". doi:10.1037/e428572004-001. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  8. ^ Stewart, JL (1966). "Speech processing with a cochlear-neural analog (AMRL-TR-66-229)". Amrl-Tr. Aerospace Medical Research Laboratories (U.s.). Aerospace Medical Research Laboratories (U.S.): 1–140. PMID 5298146.
  9. ^ Lucas, Robert L; Stewart, John L (1966). Aural systems simulation for birds and insects (AFAL-TR-66-12). Air Force Avionics Laboratory, Research and Technology Division, Air Force Systems Command. OCLC 39343194.
  10. ^ Kasson, James M.; Stewart, John L. (1969). Simulating Mechanisms in Animal Echoranging (AMRL-TR-1968-194) (Report). Armored Medical Research Laboratory Technical report. OCLC 831494678.
  11. ^ Stewart, John L (1972). "A Theory and Physical Model for Cochlear Mechanics". Acta Oto-Laryngologica. 73 (Supp294).
  12. ^ Stewart, John L (1979). The Bionic Ear. Covox.
  13. ^ "VLSI cochlea analog – Google Scholar". Retrieved 2014-04-05.