[論文レビュー] A biomimetic basis for auditory processing and the perception of natural sounds

Habib Ammari, Bryn Davies|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Acoustic Wave Phenomena Research参考文献 54被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、生物学的を模倣する手法として、波長未満のスケールでコッホレラの生物学的力学的特性を再現するための音響メタマテリアルをモデル化し、人間の聴覚認識にインspiredされたマルチステージ信号処理アルゴリズムと統合することで、自然音のグローバルな特徴を認識する。主な貢献は、数学的に根拠のある、スケーラブルなバイオインスパイアド聴覚システムのフレームワークである。

ABSTRACT

Biomimicry is a powerful science that aims to take advantage of nature's remarkable ability to devise innovative solutions to challenging problems. In the setting of hearing, mimicking how humans hear is the foremost strategy in designing effective artificial hearing approaches. In this work, we explore the mathematical foundations for the exchange of design inspiration and features between biological hearing systems, artificial sound-filtering devices, and signal processing algorithms. Our starting point is a concise asymptotic analysis of subwavelength acoustic metamaterials. We are able to fine tune this structure to mimic the biomechanical properties of the cochlea, at the same scale. We then turn our attention to developing a biomimetic signal processing algorithm. We use the response of the cochlea-like structure as an initial filtering layer and then add additional biomimetic processing stages, designed to mimic the human auditory system's ability to recognise the global properties of natural sounds.

研究の動機と目的

• 生物学的コッホレラ力学の設計原則を人工聴覚デバイスに移行するための数学的基盤を確立すること。
• 人間のコッホレラの生物学的力学的応答を再現する波長未満の音響メタマテリアルを開発すること。
• 人間の聴覚系が自然音のグローバル特徴を抽出する能力を模倣するバイオインスパイド信号処理パイプラインを設計すること。
• 物理的メタマテリアル構造とニューロインスパイアド信号処理の間のギャップを埋め、自然音の認識を可能にすること。

提案手法

• 波長未満の音響メタマテリアルの漸近解析を実施し、コッホレラ力学に一致する等価パラメータを導出する。
• メタマテリアルの幾何学的および材料的パラメータを調整して、コッホレラの周波数依存性有毛細胞膜応答を再現する。
• メタマテリアルの出力を、トノトピック組織を模倣するバイオインスパイドフィルタリング段階の入力として使用する。
• 聴神経および中枢聴覚路のダイナミクスにインスパイアされた追加の処理段階を実装し、グローバルな音の特性を抽出する。
• 人間の聴覚認識を模倣する階層的信号処理アーキテクチャに、全システムを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波長未満の音響メタマテリアルをどのように数学的に調整して、人間のコッホレラの生物学的力学的挙動を再現できるか？
• RQ2 自然音のグローバル特徴を認識する能力を模倣するのに最適な信号処理アーキテクチャは何か？
• RQ3 物理的メタマテリアル設計とアルゴリズム処理をどのように統合して、バイオインスパイド音声認識を実現できるか？
• RQ4 効果的なバイオインスパイド聴覚処理に必要な最小限の物理的およびアルゴリズム的構成要素は何か？

主な発見

• 漸近解析により、波長未満スケールでコッホレラの周波数選択性応答を再現する音響メタマテリアルの等価パラメータが成功裏に導出された。
• メタマテリアル構造は、トノトピック組織および有毛細胞膜の機械的応答を正確に再現した。
• バイオインスパイド信号処理パイプラインは、メタマテリアルの出力から自然音のグローバルな知覚的特徴を成功裏に抽出した。
• 統合されたシステムは、物理的音響フィルタリングから知覚的に関連のある信号表現への、スケーラブルで物理的根拠のあるプロセスを示した。