Oreille analogique - Analog ear
Une oreille analogique ou cochlée analogique est un modèle de l' oreille ou de la cochlée (dans l' oreille interne ) basé sur un analogue électrique, électronique ou mécanique . Une oreille analogique est généralement décrite comme une interconnexion d' éléments électriques tels que des résistances , des condensateurs et des inductances ; parfois des transformateurs et des amplificateurs actifs sont inclus.
Fond d'oreille
L'oreille du mammifère typique se compose de trois parties. L' oreille externe capte les sons comme une corne et les guide vers le tympan . Les vibrations du tambour sont transmises à l' oreille interne via un système d'os appelés osselets . Celles-ci tirent parti des mouvements plus importants du tympan pour les vibrations plus petites de la fenêtre ovale . Cette fenêtre se connecte à la cochlée qui est un long agencement à deux canaux composé de deux canaux séparés par la membrane basilaire . La structure, d'environ 36 mm de longueur, est enroulée pour conserver de l'espace. La fenêtre ovale introduit les sons dans le canal supérieur. Le canal inférieur a une fenêtre ronde mais celle-ci n'est pas entraînée par les os de l'oreille moyenne. L'extrémité la plus éloignée de la structure a un trou entre les deux canaux appelé hélicotrème qui égalise les pressions variant lentement dans les deux canaux. Une série de cellules ciliées sensorielles le long de la membrane basilaire répondent pour envoyer des impulsions neurales vers le cerveau.
Modélisation de l'oreille
Des modèles pour l'oreille de type direct ont été créés, notamment par le lauréat du prix Nobel Georg von Békésy . Il a utilisé des lames de verre, des lames de rasoir et une membrane élastique pour représenter l' hélicotrème . Il pouvait mesurer les vibrations le long de la membrane basilaire en réponse à différentes fréquences d'excitations. Il a constaté que le schéma des déplacements pour une onde sinusoïdale de fréquence donnée le long de la membrane basilaire a augmenté quelque peu progressivement jusqu'à un pic et a ensuite diminué. Les fréquences élevées favorisaient des distances plus courtes de la fenêtre ovale que les plus basses. Les valeurs de fréquence se rapprochent d'une distribution logarithmique avec la distance.
Analogues mécaniques et électriques
Les premières oreilles analogiques mécaniques et électriques ont été racontées dans le livre de 1954 Analog Methods in Computation and Simulation :
... Barton et Browning ont également simulé les caractéristiques de l'audition sur la plage d'une octave en utilisant 13 résonateurs pendulaires. Une théorie moderne de la dynamique de la cochlée, tenant compte de l'hydrodynamique des canaux cochléaires et de la dynamique de la membrane basilaire, a été proposée et une analogie électrique développée pour vérifier la théorie. L '«oreille analogique» est une ligne de transmission composée de 175 sections, chaque section étant constituée de 2 inductances (pour représenter la masse d'une tranche de fluide et celle du conduit) et de 4 condenseurs (pour représenter la rigidité du conduit).
- Walter W. Soroka
Un modèle direct (mécanique) utilise les variables de la pression de l'air et de l'eau, la vitesse et la viscosité du fluide et le déplacement. Un modèle analogique électrique utilise un ensemble différent de variables, à savoir la tension et le courant. Les parties externe et moyenne de l'oreille peuvent être représentées avec une collection de bobines, de condensateurs et d'un transformateur idéal pour représenter l'effet de levier des osselets . Ce circuit se termine par un condensateur représentant la fenêtre ovale . À partir de là, les deux canaux sont représentés avec une séquence d'inducteurs et de résistances pour l'écoulement de fluide dans chaque canal avec les deux canaux joints avec une séquence de circuits RLC résonnants en série. Les tensions entre les capacités représentent les déplacements de la membrane basilaire . Les valeurs des éléments le long de la cochlée sont effilées de manière logarithmique pour représenter les réponses en fréquence abaissant avec la distance.
Le schéma des tensions le long de la membrane basilaire peut être visualisé sur un oscilloscope. Les valeurs moyennes peuvent être obtenues avec une rectification et présentées sous forme de modèles à l'aide d'un commutateur à grande vitesse. L'oreille analogique montre des schémas qui suivent de près ceux observés par Georg von Békésy sur son modèle plus direct.
Le premier modèle relativement complet a été construit au début des années 1960 à l'Université de l'Arizona par deux étudiants diplômés et leur mentor de la faculté avec le soutien du nouveau programme Air Force Bionics . Ce travail a d'abord été résumé dans un rapport: "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 Commandement des systèmes de force, par E. Glaesser, WF Caldwell et JL Stewart. Le rapport contient une longue liste de références. Les travaux ont également été rapportés lors des symposiums Bionics .
John L. Stewart et Covox
Contrairement aux modèles basés sur une série de filtres actifs ou représentés avec des équations numériques, une oreille analogique peut incorporer des non-linéarités qui représentent des actions non linéaires de la membrane basilaire , peut-être causées par des mouvements asymétriques des cellules sensorielles entraînant des mouvements asymétriques de la membrane basilaire. Des différences de fréquences pourraient être générées comme celles observées chez l'homme. Certaines différences de fréquences provenant de la cochlée peuvent être observées dans l' oreille externe .
Les signaux neuronaux répondant aux mouvements de la membrane basilaire montrent des réponses dans une direction comme dans la rectification. À tout sauf aux basses fréquences, la mesure neuronale fait la moyenne sur plusieurs cycles pour donner l'équivalent d'une rectification suivie d'un moyennage ( filtrage passe-bas ). Sur toute la cochlée, la réponse se présente sous la forme d'un motif qui varie plus lentement que la fréquence appliquée mais qui suit l'enveloppe du signal appliqué. Chaque groupe de cellules peut donner naissance à une onde semi-périodique qui peut être analysée par les neurones du cerveau. Le motif total qui résulte d'un son peut donc être considéré comme un motif bidimensionnel dans le temps, un axe étant la distance le long de la membrane basilaire et l'autre étant la distance le long d'une séquence de neurones. Ces modèles, variant à des taux inférieurs aux fréquences audio inférieures, ont des formes qui peuvent être identifiées comme des modèles de vision. Le concept de "l'analyseur neuronal" en tant qu'extension des motifs cochléaires est discuté dans le brevet US 3 387 093 , "Speech Bandwidth Compression System", 4 juin 1968 (déposé en 1964).
Il a été constaté que l'oreille analogique avec ses bandes asymétriques se chevauchant était plus fiable pour identifier les sons de la parole qu'un spectre de fréquences conventionnel . Le deuxième formant est la mesure unique la plus significative. Les sons de la parole intéressants comprennent la parole chuchotée et coupée .
Des applications ont été faites aux animaux et aux insectes avec des modèles d'oreilles appropriés. Une autre étude utilisant l'oreille analogique était "Simulating Mechanisms in Animal Echoranging", John L. Stewart et James M. Kasson.
De nombreux rapports, articles et brevets ont suivi les recherches citées dans les rapports énumérés ici. Le dernier rapport complet utilisait une version relativement ancienne d'un programme informatique écrit en BASIC à temps partagé .
Stewart a également publié lui-même plusieurs livres, faisant affaire sous le nom de Santa Rita Technology, puis sous le nom de Covox, notamment The Analog Ear Story et The Analog Ear – brain System en 1964, et The Bionic Ear en 1979.
Les recherches résultant d'études analogiques sur les oreilles ont alimenté la création de sons spéciaux à utiliser pour repousser les oiseaux et autres ravageurs. Les sons ont été synthétisés pour suivre les cris naturels des oiseaux, mais ils étaient de nature variable. Le concept est similaire à l'utilisation d'un babillage de voix humaines pour brouiller les communications d'une autre personne. Le "Av-Alarm" était le produit principal. Il a également été adapté aux régions transsoniques et ultrasonores avec un dispositif appelé "Transonic".
La recherche a également conduit au développement d'un premier outil de reconnaissance de mots vocaux qui fonctionnait avec des ordinateurs 8 bits ainsi que des ordinateurs plus récents basés sur des processeurs 16 bits. La gamme de produits a été développée par Covox, Inc. avec les noms de produits «Speech Thing» et «Voice Master».
Un certain nombre de brevets américains (et étrangers) sur des sujets liés à l'oreille analogique de Stewart ont été accordés. Dans l'ordre des dates de dépôt commençant en 1962, les numéros sont le brevet américain 3 294 909 , le brevet américain 3 325 597 , le brevet américain 3 387 093 , le brevet américain 3 432 618 , le brevet américain 3 378 700 , le brevet américain 3 483 325 , le brevet américain 3 459 034 , le brevet américain 3 543 138 et le brevet américain 3 510 588 .
Modèles de cochlée VLSI analogiques
Plusieurs groupes ont construit des puces auditives analogiques VLSI au cours des dernières décennies.