[논문 리뷰] A biomimetic basis for auditory processing and the perception of natural sounds

Habib Ammari, Bryn Davies|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 26.

Acoustic Wave Phenomena Research참고 문헌 54인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 생체 모방 기반 청각 처리를 위한 접근법을 제안하며, 하위파장 척도에서 고막의 생물역학적 특성을 재현하는 음향 메타물질을 모델링하고, 인간 청각 인지에 영감을 받은 다단계 신호 처리 알고리즘과 통합하여 자연 음향의 전반적인 특징을 인식한다. 주요 기여는 생체 모방 听각 시스템을 위한 수학적으로 탄탄하고 확장 가능한 프레임워크이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 고막 기계적 특성의 설계 원리를 인공 청각 장치로 이행하기 위한 수학적 기반을 확립하기 위해.
• 인간 고막의 생물역학적 반응을 재현하는 하위파장 음향 메타물질을 개발하기 위해.
• 인간 청각 시스템이 자연 음향의 전반적 특징을 추출하는 능력을 모방하는 생체 모방 신호 처리 파이프라인을 설계하기 위해.
• 물리적 메타물질 구조와 신경 기반 신호 처리 간 격차를 메우기 위해.

제안 방법

• 하위파장 음향 메타물질의 점근적 분석을 수행하여 고막 기계적 특성과 일치하는 효과적 매개변수를 유도하기 위해.
• 메타물질의 기하학적 및 물리적 매개변수를 조정하여 고막의 주파수 의존성 기저막 반응을 재현하기 위해.
• 메타물질의 출력을 인간의 톤토픽 조직을 모방하는 생체 모방 필터링 단계의 입력으로 사용하기 위해.
• 청각 신경 및 중심 청각 경로의 역학을 영감으로 삼아 추가 처리 단계를 구현하여 자연 음향의 전반적 특성 추출하기 위해.
• 인간 청각 인지와 유사한 계층적 신호 처리 아키텍처에 전체 시스템을 통합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하위파장 음향 메타물질을 어떻게 수학적으로 조정하여 인간 고막의 생물역학적 거동을 재현할 수 있는가?
• RQ2 자연 음향의 전반적 특징을 인지하는 데 있어 인간 청각 시스템의 능력을 가장 잘 모방하는 신호 처리 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 물리적 메타물질 설계와 알고리즘 처리를 어떻게 결합하여 생체 모방 음향 인식을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 효과적인 생체 모방 청각 처리를 위해 필요한 최소한의 물리적 및 알고리즘 구성 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 점근적 분석을 통해 하위파장 척도에서 고막의 주파수 선택적 반응을 재현하는 데 성공적으로 효과적 매개변수를 도출하였다.
• 메타물질 구조가 톤토픽 조직과 기계적 반응을 정확히 재현하였다.
• 생체 모방 신호 처리 파이프라인은 메타물질의 출력에서 자연 음향의 전반적 인지적 특징을 성공적으로 추출하였다.
• 통합된 시스템은 물리적 음향 필터링에서 인지적으로 관련 있는 신호 표현에 이르는 확장 가능한, 물리 법칙에 기반한 경로를 보여주었다.