研究人员使用蝙蝠风格的设计来开发声音定位的新方法

受到蝙蝠耳原理的启发，弗吉尼亚理工大学机械工程学教授罗尔夫·穆勒(Rolf Mueller)创建了受生物启发的技术，该技术可以确定声音起源的位置。Mueller的开发工作是通过比以前的方法(传统上是根据人耳建模的方法)更简单，更准确的声音位置模型来进行的。他的工作标志着50年来首次确定声音位置的新见解。

这些发现发表在Mueller和前博士学位的Nature Machine Intelligence中。学生，主要作者尹小燕。

穆勒说：“我一直很敬佩蝙蝠，它们具有超强的能力，可以根据超声波在复杂的自然环境中航行，并怀疑动物耳朵异常的移动性可能与此有关。”

声音定位的新模型

蝙蝠通过使用回声定位在飞行过程中导航，通过不断发出声音并听回声来确定物体的接近程度。超声波的声音从蝙蝠的嘴或鼻子发出，从其周围的环境中弹起，并作为回声返回。他们还从环境声音中获取信息。比较声音以确定其来源称为多普勒效应。

多普勒效应在人耳中的作用不同。1907年的一项发现表明，人类可以通过拥有两只耳朵的接收器找到位置，接收器将声音数据中继到大脑进行处理。通过在两个或多个接收器上进行操作，可以分辨仅包含一个频率的声音的方向，并且对于任何听到汽车喇叭声音的人来说都是熟悉的。号角是一种频率，耳朵与大脑一起工作以绘制汽车行驶方向的地图。

1967年的一项发现随后表明，当接收器的数量减少到一个时，如果遇到不同的频率，单个人耳就可以找到声音的位置。对于过往的汽车，这可能是汽车喇叭和汽车发动机的轰鸣声配对。

根据Mueller的说法，人耳的工作启发了过去精确定位声音位置的方法，该方法使用了压力接收器(例如麦克风)，并具有收集多个频率或使用多个接收器的能力。在从事蝙蝠的研究事业的基础上，穆勒知道它们的耳朵比人的耳朵具有更多的通用声音接收器。这促使他的团队追求单一频率和单一接收器而不是多个接收器或频率的目标。

创造耳朵

当他们使用单接收器，单频率模型工作时，Mueller的团队试图复制蝙蝠移动耳朵的能力。

他们创造了一种柔软的合成耳朵，其灵感来自马蹄铁和旧世界的叶鼻蝙蝠，并将其连接到弦线和简单的马达上，定时使耳朵在收到呼入声音的同时颤动。这些特殊的蝙蝠的耳朵能够实现复杂的声波转换，因此自然的现成设计是合理的选择。这种转换从称为耳廓的外耳的形状开始，耳廓在接收声音时利用耳朵的运动来创建多个接收形状，从而将声音引导到耳道中。

Yin和Mueller面对其单接收机，单频率模型面临的最大挑战是解释输入信号。您如何将传入的声波转换为可读和可解释的数据?

研究小组将耳朵放在麦克风上方，创建了一种类似于蝙蝠的机制。振颤的耳廓的快速运动产生了与源的方向明显相关的多普勒频移信号，但由于模式的复杂性而难以解释。为了解决这个问题，Yin和Mueller引入了一个深层神经网络：一种机器学习方法，模仿了大脑中发现的许多层次的处理过程。他们在计算机上实现了这样的网络，并对其进行了培训，以提供与每个接收到的回波相关联的源方向。

为了测试由耳朵和机器学习组成的系统的性能，他们将耳朵安装在旋转台架上，该台架还包括激光指示器。然后从相对于耳朵以不同方向放置的扬声器发出声音。

一旦确定了声音的方向，控制计算机就会旋转设备，使激光指示器击中连接到扬声器的目标，将位置精确定位在半度内。通常，人类的两只耳朵可以在9度以内确定位置，而最好的技术是在7.5度以内实现位置。

Mueller说：“这些功能完全超出了当前技术所能达到的范围，而用更少的精力就可以实现所有这些功能。” “我们的希望是为复杂的室外环境(包括精确的农业和林业)，环境监测(例如生物多样性监测)以及与国防和安全相关的应用带来可靠而有能力的自主权。”

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