Cochlear Mechanics - Analysis and Analog VLSI - Watts

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Text of Cochlear Mechanics - Analysis and Analog VLSI - Watts

  • 8/3/2019 Cochlear Mechanics - Analysis and Analog VLSI - Watts

    1/173

    C o c h l e a r M e c h a n i c s :

    A n a l y s i s a n d A n a l o g V L S I

    T h e s i s b y

    L l o y d W a t t s

    I n P a r t i a l F u l l l m e n t o f t h e R e q u i r e m e n t s

    f o r t h e D e g r e e o f

    D o c t o r o f P h i l o s o p h y

    C a l i f o r n i a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

    P a s a d e n a , C a l i f o r n i a

    1 9 9 3

    ( D e f e n d e d 7 O c t o b e r 1 9 9 2 )

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    i i

    c

    1 9 9 3

    L l o y d W a t t s

    A l l r i g h t s r e s e r v e d

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    i i i

    A c k n o w l e d g m e n t s

    I a m i n d e b t e d t o C a r v e r M e a d f o r w e l c o m i n g m e a s h i s s t u d e n t , f o r s h a r i n g h i s k n o w l e d g e

    a n d w i s d o m , a n d f o r g i v i n g m e t h e o p p o r t u n i t y t o s t u d y i n a n i n t e l l e c t u a l l y r i c h e n v i -

    r o n m e n t . R i c h a r d L y o n s h a r e d h i s d e e p a n d b r o a d k n o w l e d g e o f h e a r i n g , a n d p r o v i d e d

    i n s i g h t f u l s u g g e s t i o n s t h r o u g h o u t m y s t u d i e s a t C a l t e c h . A l l a n C r a w f o r d h a s p r o v i d e d -

    n a n c i a l s u p p o r t f o r m y g r a d u a t e s t u d i e s , a n d g u i d a n c e a n d e n c o u r a g e m e n t f o r m y c a r e e r

    d e v e l o p m e n t s i n c e 1 9 8 4 .

    I w o u l d l i k e t o t h a n k t h e m e m b e r s o f m y e x a m i n i n g c o m m i t t e e , A l a n B a r r , G e r a l d

    W h i t h a m , a n d M a s a k a z u K o n i s h i , f o r t h e i r c o m m e n t s , f o r t h e i r e n c o u r a g e m e n t , a n d f o r

    t h e i r i n t e r e s t i n m y s t u d i e s .

    I h a v e b e e n v e r y f o r t u n a t e t o h a v e t h e o p p o r t u n i t y t o w o r k w i t h , a n d t o l e a r n f r o m ,

    X a v i e r A r r e g u i t ( a n d h i s f a m i l y ) , R o n B e n s o n , K w a b e n a \ B u s t e r " B o a h e n , T o b i D e l b r u c k ,

    S t e v e D e W e e r t h , K u r t F l e i s c h e r , B h u s a n G u p t a , J o h n H a r r i s , D a v i d K e w l e y , J o h n L a z z a r o ,

    J o h n L e M o n c h e c k , B r a d M i n c h , M a r c u s M i t c h e l l , A n d y M o o r e , M a r k O ' D e l l , S y l v i e R y c k e -

    b u s c h , F a t h i S a l a m , R a h u l S a r p e s h k a r , M a s s i m o S i v i l o t t i , J o h n T a n n e r , a n d G r a c e T s a n g .

    I a m e s p e c i a l l y g r a t e f u l t o D o u g K e r n s ( a n d h i s f a m i l y ) , t o M i s h a M a h o w a l d , a n d t o D a v e

    K i r k . G e r a l d W h i t h a m , E l l e n R a n d a l l , a n d J o h n C o r t e s e m a d e v a l u a b l e s u g g e s t i o n s o n

    t h e w o r k i n C h a p t e r 3 . I t h a n k J i m C a m p b e l l , C a l v i n J a c k s o n , D o n n a F o x , a n d e s p e c i a l l y

    H e l e n D e r e v a n , f o r t h e i r s u p p o r t t h r o u g h o u t m y s t u d i e s a t C a l t e c h . I a m g r a t e f u l t o L y n

    D u p r e f o r a c t i n g a s e d i t o r o f m y d i s s e r t a t i o n .

    I w o u l d l i k e t o t h a n k m y p a r e n t s , D o n a l d a n d V a l e r y W a t t s , a n d m y p a r e n t s - i n - l a w ,

    R o b e r t a n d I s a b e l B a i l l y , f o r t h e i r c o n t i n u i n g s u p p o r t a n d e n c o u r a g e m e n t . F i n a l l y , I a m

    g r a t e f u l t o m y l o v e l y w i f e A n n , f o r h e r u n w a v e r i n g l o v e a n d s u p p o r t t h r o u g h o u t o u r y e a r s

    a t C a l t e c h .

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    F o r A n n , S t e p h a n i e , a n d M i c h e l l e

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    A b s t r a c t

    T h e c o c h l e a s e p a r a t e s s o u n d s b a s e d o n t h e i r f r e q u e n c y c o n t e n t a n d o n t h e i r n e t i m e s t r u c -

    t u r e , u s i n g a n a c t i v e a n d n o n l i n e a r u i d - m e c h a n i c a l t r a v e l i n g - w a v e m e c h a n i s m . T h i s d i s -

    s e r t a t i o n d e s c r i b e s a s i m p l i e d m o d e l o f t h e c o c h l e a r m e c h a n i c s p r o b l e m , a n d t e c h n i q u e s

    f o r s o l v i n g t h e p r o b l e m .

    T h e L i o u v i l l e { G r e e n ( L G ) m e t h o d h a s b e e n u s e d t o o b t a i n a n a l y t i c a l s o l u t i o n s f o r t h e

    c o c h l e a r m e c h a n i c s p r o b l e m ; h o w e v e r , t h e f a i l u r e o f t h e m e t h o d t o a g r e e q u a n t i t a t i v e l y w i t h

    n u m e r i c a l m e t h o d s h a s l e f t d o u b t s a b o u t i t s v a l i d i t y . I n t h i s d i s s e r t a t i o n , i t i s s h o w n t h a t t h e

    L G m e t h o d f a i l s t o s o l v e t h e p r o b l e m , a n d t h a t a n a d d i t i o n a l d e g r e e o f f r e e d o m i s r e q u i r e d

    f o r a c o n s i s t e n t s o l u t i o n . T h e a d d i t i o n a l d e g r e e o f f r e e d o m c o r r e s p o n d s t o a s e c o n d w a v e

    m o d e , w h i c h h a s b e e n o b s e r v e d e x p e r i m e n t a l l y i n t h e c o c h l e a s o f l i v i n g a n i m a l s . T h e n e w

    m o d e - c o u p l i n g L G s o l u t i o n a g r e e s q u a n t i t a t i v e l y w i t h n u m e r i c a l s o l u t i o n s . T h i s p r o b l e m

    h a s b e e n o u t s t a n d i n g s i n c e 1 9 7 1 .

    I n a d d i t i o n t o a n a l y t i c a l t e c h n i q u e s , t h i s d i s s e r t a t i o n a l s o p r e s e n t s a n a l o g c i r c u i t t e c h -

    n i q u e s , s p e c i c a l l y f o r t h e m e d i u m o f a n a l o g v e r y - l a r g e - s c a l e - i n t e g r a t i o n ( V L S I ) c o m p l e -

    m e n t a r y m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ( C M O S ) t e c h n o l o g y . A s i l i c o n c o c h l e a t h a t m o d e l s t h e

    b e h a v i o r o f t h e p a s s i v e c o c h l e a h a s b e e n f a b r i c a t e d a n d t e s t e d . T h e s i l i c o n c o c h l e a o p e r a t e s

    i n r e a l t i m e w i t h 8 m W o f p o w e r d i s s i p a t i o n .

    T h e a c t i v e a n d n o n l i n e a r b e h a v i o r o f t h e c o c h l e a i s a s u b j e c t o f i n t e n s e r e s e a r c h i n t e r e s t

    a t t h e p r e s e n t t i m e , a n d m a n y i s s u e s a r e s t i l l u n r e s o l v e d . A p r e l i m i n a r y m o d e l o f a c t i v e

    e l e m e n t s i n t h e c o c h l e a i s d e s c r i b e d a n d c h a r a c t e r i z e d , a n d s h o w n t o b e c o n s i s t e n t w i t h t h e

    p r e v a i l i n g v i e w s o f a c t i v e c o c h l e a r f u n c t i o n .

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    i x

    C o n t e n t s

    1 I n t r o d u c t i o n 1

    1 . 1 R e v i e w o f P r e v i o u s W o r k : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2

    1 . 2 O v e r v i e w : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7

    1 . 3 O r i g i n a l C o n t r i b u t i o n s o f t h e P r e s e n t W o r k : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8

    2 T h e B i o l o g i c a l C o c h l e a 1 0

    2 . 1 A n a t o m y : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 0

    2 . 2 F u n c t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1 8

    2 . 3 M e a s u r e m e n t s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 3

    2 . 4 A b s t r a c t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2 7

    3 M a t h e m a t i c a l M o d e l s o f P a s s i v e C o c h l e a r M e c h a n i c s 3 1

    3 . 1 F o r m u l a t i o n o f t h e P a s s i v e T w o - D i m e n s i o n a l P r o b l e m : : : : : : : : : : : : 3 2

    3 . 1 . 1 H y d r o d y n a m i c s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 3

    3 . 1 . 2 B a s i l a r - M e m b r a n e B o u n d a r y C o n d i t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : 3 4

    3 . 2 R e v i e w o f E s t a b l i s h e d S o l u t i o n T e c h n i q u e s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 6

    3 . 2 . 1 N u m e r i c a l S o l u t i o n s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 6

    3 . 2 . 2 E x a c t S o l u t i o n f o r a U n i f o r m C o c h l e a : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 7

    3 . 2 . 3 A p p r o x i m a t e L G S o l u t i o n f o r a N o n u n i f o r m C o c h l e a : : : : : : : : : 4 6

    3 . 3 N e w S o l u t i o n T e c h n i q u e s : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 2

    3 . 3 . 1 H i g h e r - O r d e r C a l c u l a t i o n o f S t a p e s D i s p l a c e m e n t : : : : : : : : : : : 5 2

    3 . 3 . 2 T h e M o d e - C o u p l i n g L G S o l u t i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5 5

    3 . 4 D i s c u s s i o n : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7 3

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