2017 Fiscal Year Research-status Report
蝸牛の音識別原理に基づく新規人工聴覚器用周波数分析器の基礎研究
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16K06153
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
岩田 佳雄 金沢大学, 機械工学系, 教授 (90115212)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小松崎 俊彦 金沢大学, 機械工学系, 教授 (80293372)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 振動 / 固有モード / 粘弾性 / 基底膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
人間の音の識別は、耳から伝えられた音によって蝸牛管のリンパ液内の基底膜が振動し、その周波数に依存して変化する基底膜上の最大振幅点の位置を感知することによって行われている。本研究ではより簡単な構造でこの原理を再現、周波数分析器となるセンサーを開発し、その後、人工聴覚への発展の可能性を考察するものである。
昨年度の結果として、リンパ液の中で振動する基底膜の代替として基底膜の形をした周辺固定の板状粘弾性体を対象に研究を進めることとし、その固有モードの最大振幅点が固有振動数の上昇に従って一方向に移動することがシミュレーションによって確認できた。これを実際に実験で確認することを目的に、板状粘弾性体を加振するための音響箱を製作し、振動特性が既知である長方形板の振動実験を行って音響箱による加振実験の妥当性を示した。
本年度は板状粘弾性体の固有モード形状を測定するために２次元レーザー変位計を購入し、板状粘弾性体の長さ方向の振動形状を観察することを試みた。２次元レーザー変位計の測定領域とサンプリング周波数を確認して板状粘弾性体の材料と寸法を決定した。まずはこの板状粘弾性体の固有振動数を推定するため音響箱に設置してランダム加振し、その長さ方向の複数地点における周波数応答曲線を測定して共振振動数を推定した。つぎにこれらの各共振振動数で正弦波加振を行い、２次元レーザー変位計を使用して振動形状を測定し、各固有モードの形状を求めた。その結果、固有モードの次数が大きくなるにつれて固有モードの最大振幅点が粘弾性体幅の大きい方から小さい方向に順次移動することが確認され、シミュレーションと同じ結果になることを実証した。しかし全般的に音響加振では振動が小さくて明確な固有モード形状が特に高次において得られない場合があり、今後は加振機を使用して実験が行えるように実験装置の修正を行うことにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度の主要な目的は板状粘弾性体が実際に基底膜と同様の振動特性を呈するかどうか、実験によって確認することにある。本年度には板状粘弾性体の固有モード形状を測定するために２次元レーザー変位計を購入し、板状粘弾性体の長さ方向の振動形状の観察を試みた。２次元レーザー変位計の仕様を下に、長さ200mmのテーパー型板状粘弾性体についてその複数の固有振動数が200Hz以下になるように板状粘弾性体の幅と厚さの寸法、および粘弾性体の素材をシミュレーションによって決定した。その結果、粘弾性体の厚さを3mm、テーパーの大きい幅と小さい幅の寸法をそれぞれ60mm、12mmとし、粘弾性体素材の商品名としてパイパーゲルシートとゲルタックの２種類を使用することとした。まずはこの板状粘弾性体の固有振動数を推定するため音響箱に設置してランダム音響加振を行い、その長さ方向の複数地点における周波数応答曲線を測定、それらを重ね合わせることによって共振振動数を推定した。つぎに各共振振動数において正弦波音響加振を行い、２次元レーザー変位計を使用して微小時間毎の振動形状を測定した。この測定結果を処理して動画として再生することにより、板状粘弾性体全体の振動を観察することができた。また最大変位を示すときの変位形状と逆位相となる場合の変位形状の差を取ることによって重力による静たわみの影響のない振動形状を求めることができ、これを固有モードと判断して各モード形状を推定した。その結果、固有モードの次数が大きくなるにつれて固有モードの最大振幅点が粘弾性体幅の大きい方から小さい方向に順次移動することが確認され、シミュレーションの結果を実証することができた。しかし音響加振では全般的に振動が小さくて明瞭な固有モード形状が得られない場合が多く、今後は加振機を使用して実験が行えるように実験装置の修正を行うことにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
２次元レーザー変位計によって測定されるモード形状を明瞭に測定するため、前年度の音響加振ではなく、加振機を用いた加振方法に変更して振動応答を大きくすることを図る。このため加振機を設置できるように板状粘弾性体の設置方法を変更し、２次元レーザー変位計を用いて再度モード形状の測定実験を行う。そして固有モードの最大振幅点の位置をより正確に検出して固有振動数との関係を明らかにする。つぎに周波数分析器としての応用の可能性を調べるため、複数の正弦波が重なった加振力によって板状粘弾性体を加振し、その２次元レーザー変位計による振動状態の観察結果から加振力の周波数成分を推定することが可能であるか、確認する。
実験とシミュレーションの前年度の一致からシミュレーションの妥当性が示されたので、板状粘弾性体の小型化を目指し、まずは小型化された基底膜状の板状粘弾性体の振動シミュレーションを行い、既存の粘弾性体素材を使用した小型のものを試作する。これと並行し、高価な２次元レーザー変位計を使用するのではなく、簡単かつ安価なセンサーによって板状粘弾性体の振動形状を測定することを試みる。例の一つとして圧電フィルム片複数枚を板状粘弾性体に貼り付け、それらの出力から振動形状を推定して最大振幅点を見付けることが考えられるが、他の方法についても試し、効果的な方法を見出す。
以上、周波数分析の可能性と小型化について検証、および、振動形状の簡単かつ安価な測定方法を考案し、将来の人工聴覚への発展に向けた問題点について考察する。
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