Un oído analógico o cóclea analógica es un modelo del oído o de la cóclea (en el oído interno ) basado en un análogo eléctrico, electrónico o mecánico . Un oído analógico se describe comúnmente como una interconexión de elementos eléctricos como resistencias , condensadores e inductores ; a veces se incluyen transformadores y amplificadores activos .
Fondo de oreja
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/d/d2/Anatomy_of_the_Human_Ear.svg/300px-Anatomy_of_the_Human_Ear.svg.png)
La oreja del mamífero típico consta de tres partes. El oído externo recoge los sonidos como un cuerno y los guía hacia el tímpano . Las vibraciones del tambor se transmiten al oído interno a través de un sistema de huesos llamados huesecillos . Estos apalancan los movimientos más grandes del tímpano a las vibraciones más pequeñas de la ventana oval . Esta ventana se conecta a la cóclea, que es una disposición larga de dos canales que consta de dos canales separados por la membrana basilar . La estructura, de unos 36 mm de longitud, está enrollada para ahorrar espacio. La ventana ovalada introduce sonidos en el canal superior. El canal inferior tiene una ventana redonda, pero esta no es impulsada por los huesos del oído medio. El extremo más alejado de la estructura tiene un agujero entre los dos canales llamado helicotrema que iguala las presiones que varían lentamente en los dos canales. Una serie de células ciliadas sensoriales a lo largo de la membrana basilar responden para enviar pulsos neuronales hacia el cerebro.
Modelado de orejas
Se han creado modelos para el oído de un tipo directo, sobre todo por el premio Nobel Georg von Békésy . Usó portaobjetos de vidrio, hojas de afeitar y una membrana elástica para representar el helicotrema . Podía medir las vibraciones a lo largo de la membrana basilar en respuesta a diferentes frecuencias de excitación. Encontró que el patrón de desplazamientos para la onda sinusoidal de frecuencia dada a lo largo de la membrana basilar se elevaba algo gradualmente hasta un pico y luego descendía. Las frecuencias altas favorecieron distancias más cortas desde la ventana ovalada que las más bajas. Los valores de frecuencia se aproximan a una distribución logarítmica con la distancia. [a]
Análogos mecánicos y eléctricos
Los primeros oídos analógicos mecánicos y eléctricos se relataron en el libro de 1954 Métodos analógicos en computación y simulación : [3]
... Barton y Browning [4] también simularon las características de la audición en el rango de una octava haciendo uso de 13 resonadores de péndulo. Se ha propuesto una teoría moderna de la dinámica de la cóclea, que da cuenta de la hidrodinámica de los conductos cocleares y la dinámica de la membrana basilar, [5] y se ha desarrollado una analogía eléctrica [6] para comprobar la teoría. El "oído analógico" es una línea de transmisión formada por 175 secciones, cada sección consta de 2 inductancias (para representar la masa de una rebanada de fluido y la del conducto) y 4 condensadores (para representar la rigidez del conducto).
- Walter W. Soroka
Un modelo directo (mecánico) utiliza las variables de presión de aire y agua, velocidad y viscosidad del fluido y desplazamiento. Un modelo eléctrico analógico utiliza un conjunto diferente de variables, a saber, voltaje y corriente. Las partes externa y media del oído se pueden representar con una colección de bobinas, condensadores y un transformador ideal para representar el efecto de palanca de los huesecillos . Este circuito termina con un condensador que representa la ventana ovalada . A partir de ahí, los dos canales se representan con una secuencia de inductores y resistencias para el flujo de fluido dentro de cada canal con los dos canales unidos con una secuencia de circuitos RLC resonantes en serie. Los voltajes a través de las capacitancias representan los desplazamientos de la membrana basilar . Los valores de los elementos a lo largo de la cóclea se reducen gradualmente de forma logarítmica para representar respuestas de frecuencia descendente con la distancia.
El patrón de voltajes a lo largo de la membrana basilar se puede ver en un osciloscopio. Los valores promedio pueden obtenerse con rectificación y mostrarse como patrones utilizando un conmutador de alta velocidad. El oído analógico muestra patrones que siguen de cerca los observados por Georg von Békésy en su modelo más directo.
El primer modelo relativamente completo fue construido a principios de la década de 1960 en la Universidad de Arizona por dos estudiantes graduados y su mentor de la facultad con el apoyo del programa Air Force Bionics recientemente establecido . Este trabajo se resumió por primera vez en un informe: "Un análogo electrónico del oído", Informe documental técnico No. AMRL - TDR -1963-60, junio de 1963, Laboratorio de biofísica, Laboratorios de investigación médica aeroespacial 6570-th, División médica aeroespacial, Aire Force Systems Command, por E. Glaesser, WF Caldwell y JL Stewart. [7] El informe contiene una extensa lista de referencias. El trabajo también se informó en los simposios de Bionics .
John L. Stewart y Covox
A diferencia de los modelos basados en una serie de filtros activos o representados con ecuaciones digitales, un oído analógico puede incorporar no linealidades que representan acciones no lineales de la membrana basilar , quizás causadas por movimientos asimétricos de las células sensoriales que resultan en movimientos asimétricos de la membrana basilar. Se podrían generar frecuencias de diferencia como se observan en el ser humano. En el oído externo se pueden observar algunas frecuencias de diferencia que se originan en la cóclea .
Las señales neuronales que responden a los movimientos de la membrana basilar muestran respuestas en una dirección como en la rectificación. En todas las frecuencias, excepto en las bajas, la medida neural promedia durante varios ciclos para dar el equivalente de rectificación seguida de promediado ( filtrado de paso bajo ). En toda la cóclea, la respuesta se muestra como un patrón que varía más lentamente que la frecuencia aplicada, pero que sigue la envolvente de la señal aplicada. Cada grupo de células puede dar lugar a una onda semi-periódica que puede ser analizada por neuronas en el cerebro. Por tanto, el patrón total que surge de un sonido puede considerarse como un patrón bidimensional en el tiempo, siendo un eje la distancia a lo largo de la membrana basilar y el otro la distancia a lo largo de alguna secuencia de neuronas. Estos patrones, que varían a velocidades inferiores a las de las frecuencias de audio más bajas, tienen formas que se pueden identificar de manera muy similar a los patrones en la visión. El concepto de "analizador neural" como una extensión de los patrones cocleares se discute en la patente de EE.UU. 3.387.093 , "Speech Bandwidth Compression System", 4 de junio de 1968 (presentada en 1964).
Se encontró que el oído analógico con sus bandas asimétricas superpuestas era más confiable para identificar los sonidos del habla que un espectro de frecuencia convencional . El segundo formante es la medida individual más significativa. Los sonidos del habla de interés incluyen el habla susurrada y entrecortada . [B]
Se realizaron aplicaciones a animales e insectos con modelos de oreja apropiados. [9] Otro estudio que utilizó el oído analógico fue "Simulación de mecanismos en el eco de los animales", John L. Stewart y James M. Kasson. [10]
Muchos informes, artículos y patentes siguieron la investigación citada en los informes que se enumeran aquí. El último informe completo empleó una versión relativamente temprana de un programa de computadora escrito en BASIC de tiempo compartido . [C]
Stewart también publicó varios libros, haciendo negocios como Santa Rita Technology, y más tarde como Covox, incluyendo The Analog Ear Story y The Analog Ear-Brain System en 1964, y The Bionic Ear en 1979. [12]
La investigación resultante de estudios de oído analógico impulsó la creación de sonidos especiales para su uso en repeler aves y otras plagas. Los sonidos se sintetizaron para seguir los cantos naturales de los pájaros, pero eran de tipo conmutador. El concepto es similar al uso de un balbuceo de voces humanas para interferir en las comunicaciones de otra persona. El "Av-Alarm" fue el producto principal. También se adaptó a las regiones transónica y ultrasónica con un dispositivo llamado "Transonic".
La investigación también condujo al desarrollo de un reconocedor de palabras de voz temprano que funcionaba con computadoras de 8 bits y otras posteriores basadas en procesadores de 16 bits. La línea de productos fue desarrollada por Covox, Inc. con los nombres de productos "Speech Thing" y "Voice Master".
Se concedieron varias patentes estadounidenses (y extranjeras) sobre temas relacionados con el oído analógico de Stewart. En el orden de presentación de fechas de comienzo en 1962, los números son la Patente de EE.UU. 3.294.909 , Patente de Estados Unidos 3.325.597 , Patente de Estados Unidos 3.387.093 , Patente de Estados Unidos 3.432.618 , Patente de Estados Unidos 3.378.700 , Patente de Estados Unidos 3.483.325 , Patente de Estados Unidos 3.459.034 , Patente de Estados Unidos 3.543.138 , y Patente de Estados Unidos 3.510.588 .
Modelos analógicos de cóclea VLSI
Varios grupos han construido chips auditivos VLSI analógicos en las últimas décadas. [13]
Notas
- ↑ Se encontrarán discusiones detalladas sobre los modelos directos de von Békésy en su libro, "Experiments in Hearing". [1] Vea también su artículo y otros en SS Stevens, "Handbook of Experimental Psychology". [2] Este manual se destaca como una fuente importante de información sobre el habla y la audición, el reconocimiento de palabras y otros temas, así como datos sobre el oído humano.
- ^ Ver "Procesamiento del habla con un análogo coclear-neural, John L. Stewart. [8] Un artículo publicado en la revista Behavioral Science estudió las limitaciones a la discriminación sensorial impuesta por dos tipos de ruido neuronal. Se reporta considerable información sobre los patrones y el reconocimiento del habla. por varios autores diferentes en el Handbook of Experimental Psychology [2] mencionado anteriormente.
- ^ Consulte "Una teoría y un modelo físico para la mecánica coclear", John L. Stewart. [11] Se muestran los parámetros del oído analógico y los patrones obtenidos con el programa informático. Los patrones y parámetros dados en este informe son suficientes para reproducir oídos analógicos.
Referencias
- ^ Von Békésy, Georg (1960). Experimentos en audición . McGraw-Hill.
- ^ a b Stevens, Stanley Smith (1951). Manual de psicología experimental . Wiley.
- ^ Karplus, Walter J .; Soroka, Walter W. (1959). Métodos analógicos: cálculo y simulación . McGraw-Hill.
- ^ Barton, EH; Browning, HM (1919). "XI. La teoría de la resonancia de la audición sometida a experimentos" . The London, Edinburgh y Dublin Philosophical Magazine y Journal of Science . 38 (223): 164-173. doi : 10.1080 / 14786440708635936 .
- ^ Peterson, LC; Bogert, BP (1950). "Una teoría dinámica de la cóclea". La Revista de la Sociedad Estadounidense de Acústica . 22 (1): 84. Bibcode : 1950ASAJ ... 22 ... 84P . doi : 10.1121 / 1.1917149 .
- ^ Bogert, BP (1950). "Una red para representar el oído interno" (PDF) . Registro de Bell Laboratories . 28 (11): 481–485. ISSN 0005-8564 .
- ^ Glaesser, E .; Caldwell, WF; Stewart, JL (1963). "Un análogo electrónico del oído (AMRL-TDR-63-60)" . doi : 10.1037 / e428572004-001 . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Stewart, JL (1966). "Procesamiento del habla con un análogo coclear-neural (AMRL-TR-66-229)". Amrl-Tr. Laboratorios de investigación médica aeroespacial (EE . UU . ) . Laboratorios de investigación médica aeroespacial (EE. UU.): 1–140. PMID 5298146 .
- ^ Lucas, Robert L; Stewart, John L. (1966). Simulación de sistemas auditivos para aves e insectos (AFAL-TR-66-12) . Laboratorio de Aviónica de la Fuerza Aérea, División de Investigación y Tecnología, Comando de Sistemas de la Fuerza Aérea. OCLC 39343194 .
- ^ Kasson, James M .; Stewart, John L. (1969). Simulación de mecanismos en el eco de los animales (AMRL-TR-1968-194) (Informe). Informe técnico del Laboratorio Blindado de Investigaciones Médicas . OCLC 831494678 .
- ^ Stewart, John L (1972). "Una teoría y modelo físico de la mecánica coclear". Acta Oto-Laryngologica . 73 (Supp294).
- ^ Stewart, John L (1979). El oído biónico . Covox.
- ^ "Análogo de la cóclea VLSI - Google Scholar" . Consultado el 5 de abril de 2014 .