一种新的声音定位模型

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弗吉尼亚理工大学机械工程教授罗尔夫·穆勒(Rolf Mueller)受到蝙蝠耳朵工作原理的启发,发明了一种仿生技术,可以确定声音来源的位置。与以前的方法相比,Mueller的开发工作基于一个更简单、更准确的声音定位模型,而以前的方法传统上都是根据人的耳朵建模的,该研究结果发表在《自然机器智能》(Nature Machine Intelligence)杂志上。

Mueller说:“长期以来,我一直钦佩蝙蝠凭借超声波在复杂的自然环境中导航的不可思议的能力,并怀疑这种动物耳朵不寻常的灵活性可能与此有关。”

蝙蝠在飞行中使用回声定位来导航,通过不断发出声音和倾听回声来确定一个物体离它们有多近。超声波从蝙蝠的嘴或鼻子发出,在周围环境中反射,然后以回声的形式返回。它们还能从周围的声音中获得信息。通过比较声音来确定它们的起源被称为多普勒效应。

多普勒效应在人耳中的作用是不同的。1907年的一项研究表明,人类可以通过有两只耳朵来定位,耳朵是将声音数据传递给大脑进行处理的接收器。在两个或两个以上的接收器上操作,可以辨别只包含一种频率的声音的方向。1967年的一项发现表明,当接收器的数量减少到一个时,如果遇到不同频率的声音,单只人的耳朵就能找到声音的位置。

一种新的声音定位模型

他们发明了一种柔软的合成耳,将其连接在一根绳子和一个简单的马达上,使耳朵在接收到传入声音的同时颤动。

该团队将耳朵放在麦克风上方,创造了一种类似于蝙蝠的机制。颤振耳廓的快速运动产生了多普勒频移特征,这些特征与声源的方向明显相关,但由于模式的复杂性,不易解释。为了解决这个问题,他们使用了一种深度神经网络:一种模仿大脑中多层处理的机器学习方法。他们在计算机上实现了一个网络,并训练它为每个接收到的回声提供源方向。

为了测试由耳朵和机器学习组成的系统的性能,他们将耳朵安装在一个旋转装置上,该装置还包括一个激光指示器。然后,声音从与耳朵相对的不同方向放置的扬声器中发出。一旦确定了声音的方向,控制计算机就会旋转设备,让激光指示器击中附着在扬声器上的目标,定位在半度以内。人类的听觉通常可以在9度范围内确定位置,而最好的技术可以在7.5度范围内确定位置。

Mueller表示:“我们希望给复杂的室外环境带来可靠的自动化应用,包括精准农业和林业;环境监测,如生物多样性监测,以及国防和安全相关的应用程序。”

信息源于:eurekalert

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