[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出一种仿生听觉处理方法，通过建模声学超材料以在亚波长尺度上复刻耳蜗的生物力学特性，随后结合一种受人类听觉感知启发的多阶段信号处理算法，识别自然声音的全局特征。其主要贡献在于提出了一套数学基础扎实、可扩展的仿生听觉系统框架。

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.

研究动机与目标

• 建立生物耳蜗力学设计原理向人工听觉设备迁移的数学基础。
• 开发一种可复刻人类耳蜗生物力学响应的亚波长声学超材料。
• 设计一种仿生信号处理流程，以模拟人类听觉系统提取自然声音全局特征的能力。
• 弥合物理超材料结构与神经启发信号处理之间的鸿沟，实现自然声音的感知。

提出的方法

• 对亚波长声学超材料进行渐近分析，推导出与耳蜗力学匹配的有效参数。
• 调节超材料的几何与材料参数，以再现耳蜗基底膜的频率依赖性响应。
• 将超材料的输出作为仿生滤波级的输入，以模拟 tonotopic 组织结构。
• 实施额外的处理阶段，受听觉神经与中枢听觉通路动力学启发，以提取自然声音的全局特性。
• 将整个系统整合到一种分层信号处理架构中，以模拟人类听觉感知。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过数学方法调节亚波长声学超材料，以复刻人类耳蜗的生物力学行为？
• RQ2 何种信号处理架构最能模拟人类听觉系统感知自然声音全局特征的能力？
• RQ3 如何将物理超材料设计与算法处理相结合，以实现仿生声音识别？
• RQ4 实现有效仿生听觉处理所需的最小物理与算法组件是什么？

主要发现

• 渐近分析成功推导出可在亚波长尺度上复刻耳蜗频率选择性响应的声学超材料有效参数。
• 超材料结构准确再现了基底膜的 tonotopic 组织结构与机械响应。
• 仿生信号处理流程成功从超材料输出中提取了自然声音的全局感知特征。
• 集成系统展示了从物理声音滤波到感知相关信号表征的可扩展、物理信息驱动的路径。