【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于聲處理，具體涉及一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器及使用方法。
技術(shù)介紹
1、聽覺系統(tǒng)是人類與外部環(huán)境互動的關(guān)鍵界面，是表達人類智力的主要渠道。除了其基本的物理功能，如信號感知和頻率識別，聽覺系統(tǒng)還包括復(fù)雜的心理聲學(xué)現(xiàn)象，如響度效應(yīng)和掩蔽效應(yīng)。雖然傳統(tǒng)方法通過信號處理和仿生設(shè)計有效地捕獲了聽覺功能的物理方面，但這些方法在解決聲質(zhì)識別和聲學(xué)診斷等任務(wù)的高階心理聲學(xué)功能方面存在不足。
2、在傳統(tǒng)的基于聲學(xué)的損傷診斷任務(wù)中，識別細微特征的能力至關(guān)重要，但在很大程度上依賴于工程經(jīng)驗和人類聽覺系統(tǒng)的心理聲學(xué)功能。隨著信息和智能技術(shù)的進步，提高傳統(tǒng)上依賴于人類專業(yè)知識的工程和技術(shù)應(yīng)用的效率越來越迫切。毛細胞、基底膜和聽覺神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜的機電過程是聽覺系統(tǒng)這些心理聽覺功能的基礎(chǔ)，這些功能還沒有被現(xiàn)有技術(shù)準確復(fù)制。因此，迫切需要開發(fā)出能夠忠實地再現(xiàn)和增強聽覺系統(tǒng)中這些復(fù)雜的信息處理功能的新技術(shù)。隨著仿生聽力系統(tǒng)的發(fā)展繼續(xù)落后于生物聽力系統(tǒng)，從生物結(jié)構(gòu)中仍有很多信息需要收集。毛細胞，特別是外毛細胞（ohcs），是人類耳蝸的重要組成部分，負責(zé)復(fù)雜的功能，如頻率選擇、放大調(diào)制和聲電轉(zhuǎn)換。ohcs位于耳蝸基底膜上，通過其獨特的機械和運動功能來調(diào)節(jié)耳蝸行波的狀態(tài)。受外離子梯度的影響，通過內(nèi)部壓力運動蛋白改變耳蝸段的形狀和機械狀態(tài)來調(diào)節(jié)耳蝸段的物理性質(zhì)，從而調(diào)節(jié)基底膜的振動響應(yīng)。這種能力允許ohcs貢獻能量來放大行波的振動振幅，抵消淋巴液的耗散效應(yīng)。成千上萬的離散ohcs分布在基底膜的不同區(qū)域，作為復(fù)雜的機械調(diào)制和多通道采集的例子，這
3、由于ohcs具有復(fù)雜的生物組成和工作環(huán)境，直接復(fù)制其結(jié)構(gòu)來構(gòu)建聲學(xué)處理裝置是不現(xiàn)實的。近年來，聲學(xué)超結(jié)構(gòu)因其優(yōu)異的聲波控制能力而受到越來越多的關(guān)注。人工亞波長結(jié)構(gòu)材料可以實現(xiàn)超越自然的非凡物理性質(zhì)，如吸聲、隔聲、波調(diào)制和聲學(xué)成像。超結(jié)構(gòu)理論提供了一種方法，使用簡單和規(guī)則的機械結(jié)構(gòu)來模擬聽覺功能。聽覺仿生器件一般采用膜、光束、諧振器等諧振結(jié)構(gòu)。膜諧振結(jié)構(gòu)的寬度參數(shù)不斷變化，使其不同的位置對應(yīng)于不同的頻率。將微電極傳感器放置在不同的膜位置，可以同時測量多個頻率點上的振動。然而，膜結(jié)構(gòu)的振動放大效應(yīng)不是一個單色參數(shù)，因此在噪聲環(huán)境中很難提取目標聲音。光束結(jié)構(gòu)和亥姆霍茲諧振結(jié)構(gòu)是由不同長度的分級諧振單元組成的。將離散單元的多通道測量結(jié)果相結(jié)合，可以實現(xiàn)對寬帶域內(nèi)多個點的同時采集，而一些電子控制設(shè)備的加入也可以實現(xiàn)對信號的主動控制。與膜結(jié)構(gòu)相比，諧振器陣列具有優(yōu)越的放大性能，提高了系統(tǒng)在噪聲環(huán)境下的聲學(xué)能力。
4、受ohcs的啟發(fā)，機械結(jié)構(gòu)是聲處理系統(tǒng)的主要調(diào)制部分。然而，以往的仿生器件只利用超結(jié)構(gòu)作為濾波組件，并沒有完全整合其波調(diào)制功能來獲得具有特定所需波形的信號，且并未考慮對心理聲學(xué)的模擬，而這在復(fù)現(xiàn)人類或其他動物的聽覺響應(yīng)方面尤為重要。因此，需要發(fā)展超結(jié)構(gòu)的被動調(diào)制功能，以實現(xiàn)對寬頻聲波的定制化調(diào)諧，從而構(gòu)建具有復(fù)雜聲功能的仿生集成超處理器。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有基于超結(jié)構(gòu)的聲處理裝置的不足，提供了一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器及使用方法，用于實現(xiàn)在復(fù)雜聲環(huán)境中對聲波的帶通濾波、彩虹捕獲和幅值調(diào)諧，同時實現(xiàn)物理和心理聲學(xué)功能，并且可以根據(jù)實際應(yīng)用場景定制化調(diào)節(jié)響應(yīng)。
2、為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：
3、一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，包括多個仿生毛細胞離散諧振單元和一個連接各個仿生毛細胞離散諧振單元的蝸狀聲通道；每個仿生毛細胞離散諧振單元由頸管和背腔組成，且頸管內(nèi)縮于背腔中以縮小結(jié)構(gòu)體積占用。
4、本專利技術(shù)進一步的改進在于，各個仿生毛細胞離散諧振單元用于模擬毛細胞的結(jié)構(gòu)功能特性，通過調(diào)節(jié)頸管和背腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)各個仿生毛細胞離散諧振單元工作頻帶和聲波調(diào)諧幅值的定制設(shè)計，以滿足不同的聲處理需求。
5、本專利技術(shù)進一步的改進在于，當(dāng)聲波由聲通道進入處理器時，其上排列的各個仿生毛細胞離散諧振單元分別對各自設(shè)計頻段內(nèi)的聲波完成共振捕獲并進行幅值調(diào)制，在各個仿生毛細胞離散諧振單元腔體產(chǎn)生設(shè)定頻段內(nèi)的響應(yīng)聲壓，通過各個仿生毛細胞離散諧振單元的離散集合組成完整響應(yīng)。
6、本專利技術(shù)進一步的改進在于，蝸狀聲通道滿足方程：，其中a、b、n是常數(shù)，控制著渦狀線的大小、形狀和數(shù)量。
7、本專利技術(shù)進一步的改進在于，各仿生毛細胞離散諧振單元尺寸設(shè)計滿足參數(shù)化方程；
8、其中和分別為目標響應(yīng)幅值和中心頻率，為諧振體積流速度，為諧振阻抗，和分別為系統(tǒng)等效聲質(zhì)量和等效聲容。
9、本專利技術(shù)進一步的改進在于，根據(jù)設(shè)計增益和頻段目標調(diào)節(jié)頸管和背腔的參數(shù)。
10、本專利技術(shù)進一步的改進在于，在頻帶設(shè)計的基礎(chǔ)上，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜聲信號的多通道采集和彩虹捕獲。
11、本專利技術(shù)進一步的改進在于，各個仿生毛細胞離散諧振單元在各自頻帶能夠?qū)崿F(xiàn)基于諧振放大的帶通濾波功能。
12、本專利技術(shù)進一步的改進在于，各個仿生毛細胞離散諧振單元在各自頻帶能夠完成對聲波的定制增益，并且通過相互之間的耦合作用模擬了心理聲學(xué)的聽覺響度特性，實現(xiàn)了基于超結(jié)構(gòu)的被動調(diào)制功能。
13、一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器的使用方法，包括：
14、1）根據(jù)目標頻段和通道數(shù)量，確定仿生毛細胞離散諧振單元的數(shù)量和蝸狀聲通道的外形和尺寸；
15、2）根據(jù)所需波形的頻率范圍和目標波形，將頻帶劃分為多個子帶，聯(lián)合調(diào)節(jié)各仿生毛細胞離散諧振單元中的頸管和背腔的尺寸參數(shù)以及其在蝸狀聲通道上的排列順序和排列距離，迭代設(shè)計使得超結(jié)構(gòu)處理器的響應(yīng)幅值和頻率特性與預(yù)期響應(yīng)子帶內(nèi)的響應(yīng)相對應(yīng)；
16、3）分別測量各仿生毛細胞離散諧振單元中背腔內(nèi)部的聲壓信息，多通道測量結(jié)果的組合得到預(yù)期響應(yīng)結(jié)果。
17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)至少具有以下有益的技術(shù)效果：
18、1、當(dāng)聲波由聲通道進入處理器時，其上排列的各單元分別對各自設(shè)計頻段內(nèi)的聲波完成共振捕獲并進行幅值調(diào)制，在各單元腔體產(chǎn)生設(shè)定頻段內(nèi)的響應(yīng)聲壓，通過各單元的離散集合組成完整響應(yīng)；
19、2、通過離散諧振單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)預(yù)期頻帶帶通濾波，由此獲得特定頻率范圍內(nèi)的目標信號，可廣泛應(yīng)用于多種環(huán)境的聲信號捕獲；
20、3、通過離散諧振單元諧振放大效應(yīng)，可以模擬心理聲學(xué)掩蔽效應(yīng)，由此帶來系統(tǒng)信噪比的提升，能應(yīng)用于噪聲環(huán)境；
21、4、通過對各離散諧振單元的響應(yīng)增益設(shè)計，可以實現(xiàn)各頻段內(nèi)聲波幅值增益的定制期望響應(yīng)，由此使得信號強度符合特定的工程需求；
22、5、通過多個離散諧振單元的組合，可以實現(xiàn)對寬頻信號的分段多通道采集，實現(xiàn)對復(fù)雜聲信號的彩虹捕獲，完成聲能量采集成像，同時各頻段幅值調(diào)制的頻域組合可以完成對寬頻信號的波幅調(diào)控處理，由此模擬如心理聲學(xué)響度特性類似的聲處理調(diào)制；
23、6、離散聲學(xué)單元的結(jié)構(gòu)簡單規(guī)則，整本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，包括多個仿生毛細胞離散諧振單元（1）和一個連接各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）的蝸狀聲通道（2）；每個仿生毛細胞離散諧振單元（1）由頸管（3）和背腔（4）組成，且頸管（3）內(nèi)縮于背腔（4）中以縮小結(jié)構(gòu)體積占用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）用于模擬毛細胞的結(jié)構(gòu)功能特性，通過調(diào)節(jié)頸管（3）和背腔（4）的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）工作頻帶和聲波調(diào)諧幅值的定制設(shè)計，以滿足不同的聲處理需求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，當(dāng)聲波由聲通道進入處理器時，其上排列的各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）分別對各自設(shè)計頻段內(nèi)的聲波完成共振捕獲并進行幅值調(diào)制，在各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）腔體產(chǎn)生設(shè)定頻段內(nèi)的響應(yīng)聲壓，通過各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）的離散集合組成完整響應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，蝸狀聲通道（2）滿足方程：，其中a、b
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，各仿生毛細胞離散諧振單元（1）尺寸設(shè)計滿足參數(shù)化方程；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，根據(jù)設(shè)計增益和頻段目標調(diào)節(jié)頸管（3）和背腔（4）的參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，在頻帶設(shè)計的基礎(chǔ)上，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜聲信號的多通道采集和彩虹捕獲。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）在各自頻帶能夠?qū)崿F(xiàn)基于諧振放大的帶通濾波功能。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）在各自頻帶能夠完成對聲波的定制增益，并且通過相互之間的耦合作用模擬了心理聲學(xué)的聽覺響度特性，實現(xiàn)了基于超結(jié)構(gòu)的被動調(diào)制功能。
10.權(quán)利要求1至9中任一項所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器的使用方法，其特征在于，包括：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，包括多個仿生毛細胞離散諧振單元（1）和一個連接各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）的蝸狀聲通道（2）；每個仿生毛細胞離散諧振單元（1）由頸管（3）和背腔（4）組成，且頸管（3）內(nèi)縮于背腔（4）中以縮小結(jié)構(gòu)體積占用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）用于模擬毛細胞的結(jié)構(gòu)功能特性，通過調(diào)節(jié)頸管（3）和背腔（4）的結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）工作頻帶和聲波調(diào)諧幅值的定制設(shè)計，以滿足不同的聲處理需求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，當(dāng)聲波由聲通道進入處理器時，其上排列的各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）分別對各自設(shè)計頻段內(nèi)的聲波完成共振捕獲并進行幅值調(diào)制，在各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）腔體產(chǎn)生設(shè)定頻段內(nèi)的響應(yīng)聲壓，通過各個仿生毛細胞離散諧振單元（1）的離散集合組成完整響應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生聲學(xué)功能集成超結(jié)構(gòu)處理器，其特征在于，蝸狀聲通道（2）滿足方程：，其中a、...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬富銀，劉一琪，劉宇澤，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。