アナログの耳

アナログ耳またはアナログ蝸牛は、電気的、電子的、または機械的なアナログに基づいた耳または蝸牛（内耳）のモデルです。アナログ耳は、一般的に抵抗器、コンデンサ、インダクタなどの電気要素の相互接続として説明されますが、変圧器やアクティブアンプが含まれる場合もあります。

一般的な哺乳類の耳は 3 つの部分から構成されています。外耳はホルンのように音を集め、鼓膜に導きます。鼓膜の振動は耳小骨と呼ばれる骨のシステムを介して内耳に伝えられます。耳小骨は鼓膜の大きな動きを卵円窓の小さな振動に反映させます。この窓は蝸牛につながっています。蝸牛は長いデュアル チャネル構成で、基底膜で区切られた 2 つのチャネルで構成されています。長さ約 36 mm の構造は、スペースを節約するためにコイル状になっています。卵円窓は音を上部のチャネルに導きます。下部のチャネルには丸い窓がありますが、これは中耳の骨によって駆動されるものではありません。構造の遠端には 2 つのチャネルの間にヘリコトレマと呼ばれる穴があり、2 つのチャネルでゆっくりと変化する圧力を均等にします。基底膜に沿った一連の感覚有毛細胞が反応して、神経パルスを脳に送ります。

直接的な種類の耳のモデルは、最も有名なノーベル賞受賞者のゲオルク・フォン・ベケシーによって作成されました。彼はガラススライド、カミソリの刃、弾性膜を使用してヘリコトレマを表現しました。彼は、さまざまな励起周波数に対する基底膜の振動を測定することができました。彼は、基底膜に沿った特定の周波数の正弦波の変位パターンが、ピークまで徐々に上昇し、その後下降することを発見しました。高周波数は、低周波数よりも楕円窓からの距離が短いことを好みました。周波数値は、距離とともに対数分布に近づきます。^[a]

初期の機械式および電気式のアナログ耳については、1954年の書籍「計算とシミュレーションにおけるアナログ手法」で詳しく述べられています。^[3]

...Barton と Browning ^[4]も、13 個の振り子共振器を使用して、1 オクターブの範囲で聴覚の特性をシミュレートしました。蝸牛管の流体力学と基底膜の力学を考慮した蝸牛の力学に関する最新の理論が提案され^[5]、その理論を確認するために電気的な類似性が開発されました^[6]。「アナログ耳」は 175 セクションで構成される伝送線路で、各セクションは 2 つのインダクタンス (流体のスライスの質量と管の質量を表す) と 4 つのコンデンサ (管の剛性を表す) で構成されています。

— ウォルター・W・ソロカ

直接（機械）モデルでは、空気圧と水圧、流体の速度と粘度、変位という変数を使用します。電気アナログ モデルでは、電圧と電流という別の変数セットを使用します。耳の外側と中央部分は、コイル、コンデンサ、および理想変圧器の集合で表し、耳小骨のてこ作用を表します。この回路は、楕円窓を表すコンデンサで終了します。そこから、2 つのチャネルは、各チャネル内の流体の流れを表す一連のインダクタと抵抗器で表され、2 つのチャネルは一連の直列共振 RLC 回路で結合されます。静電容量間の電圧は、基底膜の変位を表します。蝸牛に沿った要素の値は、距離とともに低下する周波数応答を表すために、対数的に漸減します。

基底膜に沿った電圧のパターンは、オシロスコープで見ることができます。平均値は整流によ​​って得られ、高速整流子を使用してパターンとして表示されます。アナログ耳は、Georg von Békésyがより直接的なモデルで観察したものに非常によく似たパターンを示します。

最初の比較的完成度の高いモデルは、1960年代初頭にアリゾナ大学で、2人の大学院生と指導教員によって、新たに設立された空軍バイオニクスプログラムの支援を受けて構築されました。この研究は、最初にレポート「耳の電子アナログ」にまとめられました。技術文書レポート番号AMRL - TDR -1963-60、1963年6月、生物物理学研究所、6570航空宇宙医学研究所、航空宇宙医学部門、空軍システム司令部、E. Glaesser、WF Caldwell、JL Stewart 著。^[7]このレポートには、膨大な参考文献のリストが含まれています。この研究は、バイオニクスシンポジウムでも報告されました。

一連のアクティブ フィルターに基づくモデルやデジタル方程式で表現されるモデルとは異なり、アナログの耳には、感覚細胞の非対称な動きによって基底膜の非線形動作が生じることがあり、その結果、基底膜の非線形動作を表す非線形性が組み込まれます。人間で観察されるような差周波数が生成される場合があります。蝸牛で発生する差周波数の一部は、外耳で観察できます。

基底膜の動きに反応する神経信号は、整流の場合のように一方向の反応を示します。低周波数を除くすべての周波数では、神経測定は複数サイクルにわたって平均化され、整流に続いて平均化（ローパスフィルタリング）と同等になります。蝸牛全体にわたって、応答は、適用された周波数よりもゆっくりと変化しますが、適用された信号のエンベロープに従います。各細胞グループは、脳内のニューロンによって分析できる半周期の波を生成できます。したがって、音から生じる全体のパターンは、1 つの軸が基底膜に沿った距離であり、もう 1 つの軸がニューロンのシーケンスに沿った距離である、時間の 2 次元パターンと考えることができます。これらのパターンは、低いオーディオ周波数よりも遅い速度で変化し、視覚のパターンのように識別できる形状を持っています。蝸牛パターンの拡張としての「神経分析装置」の概念は、 1968 年 6 月 4 日の米国特許 3,387,093、「音声帯域幅圧縮システム」(1964 年出願) で説明されています。

非対称の重なり合う帯域を持つアナログの耳は、従来の周波数スペクトルよりも音声を識別するのに信頼性が高いことがわかった。第 2フォルマントは最も重要な単一の尺度である。対象となる音声には、ささやき声や切り取られた音声が含まれる。^[b]

適切な耳のモデルを持つ動物や昆虫への応用も行われた。^[9]アナログの耳を使った別の研究は、ジョン・L・スチュワートとジェームズ・M・カッソンによる「動物のエコーレンジングのメカニズムのシミュレーション」である。^[10]

ここに挙げた報告書に引用されている研究に続いて、多くの報告書、記事、特許が発表されました。最後の完全な報告書では、タイムシェアリングBASICで書かれたコンピュータ プログラムの比較的初期のバージョンが使用されました。^[c]

スチュワートはサンタ・リタ・テクノロジー、後にコボックスという名で事業を展開し、 1964年の『The Analog Ear Story』と『The Analog Ear–brain System』、1979年の『The Bionic Ear』など、数冊の本を自費出版した。 ^[12]

アナログの耳の研究から生まれた研究は、鳥やその他の害獣を追い払うために使用する特別な音の作成に役立ちました。音は自然な鳥の鳴き声に追随するように合成されましたが、切り替え式でした。この概念は、他人の通信を妨害するために人間の声の雑音を使用するのと似ています。「Av-Alarm」が主な製品でした。また、「Transonic」と呼ばれるデバイスによって遷音速および超音波領域にも適応されました。

この研究は、8 ビット コンピュータで動作する初期の音声単語認識装置の開発にもつながり、その後は 16 ビット プロセッサをベースにしたコンピュータでも動作しました。この製品ラインは、Covox 社によって「Speech Thing」および「Voice Master」という製品名で開発されました。

スチュワートのアナログ耳に関連するテーマで、多数の米国（および外国）特許が付与されました。1962 年からの出願日順に、番号は、米国特許 3,294,909、米国特許 3,325,597、米国特許 3,387,093、米国特許3,432,618、米国特許 3,378,700、米国特許 3,483,325、米国特許 3,459,034、米国特許 3,543,138、および米国特許 3,510,588です。

過去数十年間にいくつかのグループがアナログVLSI聴覚チップを開発してきました。^[13]