Oído analógico

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.

El oído de un mamífero típico consta de tres partes. El oído externo recoge los sonidos como un cuerno y los guía hasta el tímpano . Las vibraciones del tímpano se transmiten al oído interno a través de un sistema de huesos llamados huesecillos . Estos aprovechan los movimientos más grandes del tímpano para las vibraciones más pequeñas de la ventana oval . Esta ventana se conecta a la cóclea , que es una disposición de canal doble larga que consta de dos canales separados por la membrana basilar . La estructura, de unos 36 mm de longitud, está enrollada para conservar el espacio. La ventana oval introduce los sonidos en el canal superior. El canal inferior tiene una ventana redonda , pero esta no está impulsada por los huesos del oído medio. El extremo más alejado de la estructura tiene un orificio 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.

Se han creado modelos de tipo directo para el oído, el más notable fue el del premio Nobel Georg von Békésy . Utilizó portaobjetos de vidrio, hojas de afeitar y una membrana elástica para representar el helicotrema . Pudo medir las vibraciones a lo largo de la membrana basilar en respuesta a diferentes frecuencias de excitación. Descubrió que el patrón de desplazamientos para una onda sinusoidal de frecuencia dada a lo largo de la membrana basilar aumentaba de forma gradual hasta un pico y luego caía. Las frecuencias altas favorecían distancias más cortas desde la ventana oval que las bajas. Los valores de frecuencia se aproximan a una distribución logarítmica con la distancia. ^[a]

Los primeros oídos analógicos mecánicos y eléctricos fueron relatados en el libro Métodos analógicos en computación y simulación de 1954 : ^[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 tiene en cuenta 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 una de las cuales consta de 2 inductancias (para representar la masa de una porción 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 analógico eléctrico 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, capacitores y un transformador ideal para representar el efecto de palanca de los huesecillos . Este circuito termina con un capacitor que representa la ventana oval . A partir de allí, 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 desplazamientos de la membrana basilar . Los valores de los elementos a lo largo de la cóclea se reducen de manera logarítmica para representar respuestas de frecuencia decrecientes con la distancia.

El patrón de voltajes a lo largo de la membrana basilar se puede observar en un osciloscopio. Se pueden obtener valores promedio con rectificación y mostrarlos 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 los años 60 en la Universidad de Arizona por dos estudiantes de posgrado y su profesor mentor con el apoyo del recién creado programa de Biónica de la Fuerza Aérea . Este trabajo fue resumido por primera vez en un informe: "Un análogo electrónico del oído", Informe documental técnico n.º AMRL - ​​TDR -1963-60, junio de 1963, Laboratorio de biofísica, 6570-th Aerospace Medical Research Laboratories, División médica aeroespacial, Comando de sistemas de la Fuerza Aérea, por E. Glaesser, WF Caldwell y JL Stewart. ^[7] El informe contiene una extensa lista de referencias. El trabajo también se presentó en simposios de Biónica .

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 las que se observan en el ser humano. Algunas frecuencias de diferencia que se originan en la cóclea se pueden observar en el oído externo .

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 las bajas, la medida neuronal promedia a lo largo de varios ciclos para dar el equivalente de la rectificación seguida de un promedio ( 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 semiperiódica que puede ser analizada por las neuronas del cerebro. El patrón total que surge de un sonido puede considerarse, por tanto, como un patrón bidimensional en el tiempo, en el que un eje es la distancia a lo largo de la membrana basilar y el otro es la distancia a lo largo de alguna secuencia de neuronas. Estos patrones, que varían a tasas inferiores a las frecuencias de audio más bajas, tienen formas que pueden identificarse de forma muy similar a los patrones en la visión. El concepto de "analizador neuronal" como una extensión de los patrones cocleares se analiza en la patente estadounidense 3.387.093 , "Sistema de compresión de ancho de banda de voz", 4 de junio de 1968 (presentada en 1964).

Se descubrió que el oído analógico con sus bandas superpuestas asimétricas era más confiable para identificar 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 en animales e insectos con modelos de oído adecuados. ^[9] Otro estudio que utilizó el oído analógico fue "Simulación de mecanismos en la ecometría animal", de John L. Stewart y James M. Kasson. ^[10]

A la investigación que se cita en los informes que se enumeran aquí le siguieron numerosos informes, artículos y patentes. El último informe completo empleó una versión relativamente temprana de un programa informático escrito en BASIC de tiempo compartido . ^[c]

Stewart también autopublicó varios libros, bajo el nombre comercial de Santa Rita Technology y más tarde como Covox , incluidos The Analog Ear Story y The Analog Ear–brain System en 1964, y The Bionic Ear en 1979. ^[12]

Las investigaciones derivadas de los estudios sobre el oído analógico impulsaron la creación de sonidos especiales para su uso en el ahuyentamiento de aves y otras plagas. Los sonidos se sintetizaron para que imitaran los cantos naturales de los pájaros, pero eran de tipo conmutado. El concepto es similar al uso de un parloteo de voces humanas para interferir en las comunicaciones de otra persona. El "Av-Alarm" fue el producto principal. También se adaptó a las regiones transónicas y ultrasónicas con un dispositivo llamado "Transonic".

La investigación también condujo al desarrollo de un primer reconocedor de palabras del habla que funcionaba con ordenadores de 8 bits, así como con otros posteriores basados ​​en procesadores de 16 bits. La línea de productos fue desarrollada por Covox, Inc. con los nombres de "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 fecha de presentación a partir de 1962, los números son patente estadounidense 3.294.909 , patente estadounidense 3.325.597 , patente estadounidense 3.387.093 , patente estadounidense 3.432.618 , patente estadounidense 3.378.700 , patente estadounidense 3.483.325 , patente estadounidense 3.459.034 , patente estadounidense 3.543.138 y patente estadounidense 3.510.588 .

Varios grupos han construido chips auditivos VLSI analógicos en las últimas décadas. ^[13]