หูเทียมหรือหูชั้นในเทียมคือแบบจำลองของหูหรือหูชั้น ใน ( โคเคลีย) ที่สร้างขึ้นจาก หลักการทางไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ หรือกลไกโดยทั่วไปแล้ว หูเทียมจะถูกอธิบายว่าเป็นวงจรเชื่อมต่อขององค์ประกอบทางไฟฟ้าเช่นตัวต้านทานตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำบางครั้งอาจรวมถึง หม้อแปลงและเครื่องขยายเสียง แบบแอคทีฟด้วย

หูของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมโดยทั่วไปประกอบด้วยสามส่วนหูชั้นนอกทำหน้าที่รวบรวมเสียงเหมือนแตรและนำเสียงไปยังเยื่อแก้วหูการสั่นสะเทือนของเยื่อแก้วหูจะถูกส่งต่อไปยังหูชั้นในผ่านระบบกระดูกที่เรียกว่ากระดูกหู กระดูกหู เหล่านี้จะแปลงการเคลื่อนไหวที่ใหญ่กว่าของเยื่อ แก้วหู ให้เป็นการสั่นสะเทือนที่เล็กกว่าของช่องรูปไข่ ช่องรูปไข่ นี้เชื่อมต่อกับโคเคลียซึ่งเป็นโครงสร้างสองช่องยาวที่ประกอบด้วยสองช่องที่คั่นด้วยเยื่อฐานโครงสร้างนี้มีความยาวประมาณ 36 มิลลิเมตร และขดตัวเพื่อประหยัดพื้นที่ช่องรูปไข่จะนำเสียงเข้าสู่ช่องด้านบน ช่องด้านล่างมีช่องกลมแต่ช่องนี้ไม่ได้ถูกขับเคลื่อนโดยกระดูกของหูชั้นกลาง ปลายสุดของโครงสร้างมีรูอยู่ระหว่างสองช่องเรียกว่าเฮลิโคเทรมา ซึ่งทำหน้าที่ปรับสมดุลความดันที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ในสองช่อง เซลล์ขนรับความรู้สึกจำนวนหนึ่งตามแนวเยื่อฐานจะตอบสนองเพื่อส่งสัญญาณประสาทไปยังสมอง

มีการสร้างแบบจำลองหูโดยตรงหลายแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยGeorg von Békésy ผู้ได้รับรางวัลโนเบ ล เขาใช้แผ่นกระจก ใบมีดโกน และเยื่อหุ้มยืดหยุ่นเพื่อจำลองhelicotremaเขาสามารถวัดการสั่นสะเทือนตามเยื่อฐาน (basilar membrane ) เพื่อตอบสนองต่อความถี่การกระตุ้นที่แตกต่างกัน เขาพบว่ารูปแบบของการกระจัดสำหรับคลื่นไซน์ที่มีความถี่ที่กำหนดตามเยื่อฐานจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจนถึงจุดสูงสุดแล้วจึงลดลง ความถี่สูงจะทำให้ระยะทางจากช่องรูปไข่ (oval window) สั้นกว่า ความถี่ต่ำ ค่าความถี่จะใกล้เคียงกับการกระจายแบบลอการิทึมตามระยะทาง^{[ a ]}

หูอนาล็อกเชิงกลและไฟฟ้าในยุคแรกได้รับการกล่าวถึงในหนังสือAnalog Methods in Computation and Simulation ปี 1954 : ^{[ 3 ]}

...Barton และ Browning ^{[ 4 ]}ยังจำลองลักษณะการได้ยินในช่วงหนึ่งอ็อกเทฟโดยใช้ตัวเรโซเนเตอร์แบบลูกตุ้ม 13 ตัว ทฤษฎีสมัยใหม่เกี่ยวกับพลศาสตร์ของหูชั้นใน ซึ่งคำนึงถึงอุทกพลศาสตร์ของท่อหูชั้นในและพลศาสตร์ของเยื่อฐาน ได้รับการเสนอ^{[ 5 ]}และมีการพัฒนาการเปรียบเทียบทางไฟฟ้า^{[ 6 ]}เพื่อตรวจสอบทฤษฎี "หูอะนาล็อก" เป็นสายส่งที่ประกอบด้วยส่วน 175 ส่วน แต่ละส่วนประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ 2 ตัว (เพื่อแสดงมวลของของเหลวส่วนหนึ่งและของท่อ) และตัวเก็บประจุ 4 ตัว (เพื่อแสดงความแข็งของท่อ)

แบบจำลองโดยตรง (เชิงกล) ใช้ตัวแปรของความดันอากาศและน้ำ ความเร็วและความหนืดของของเหลว และการกระจัด ส่วนแบบจำลองอนาล็อกทางไฟฟ้าใช้ชุดตัวแปรที่แตกต่างกัน คือ แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า ส่วนนอกและส่วนกลางของหูสามารถแทนด้วยชุดขดลวด ตัวเก็บประจุ และหม้อแปลงในอุดมคติเพื่อแสดงถึงผลกระทบของการงัดของกระดูกหูวงจรนี้สิ้นสุดด้วยตัวเก็บประจุที่แทนช่องรูปไข่จากนั้น ช่องทั้งสองจะถูกแทนด้วยลำดับของตัวเหนี่ยวนำและตัวต้านทานสำหรับการไหลของของเหลวภายในแต่ละช่อง โดยช่องทั้งสองเชื่อมต่อกันด้วยลำดับของวงจร RLC แบบอนุกรม แรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเก็บประจุแสดงถึง การกระจัดของ เยื่อฐานค่าขององค์ประกอบตามแนวโคเคลียจะค่อยๆ ลดลงในลักษณะลอการิทึมเพื่อแสดงถึงการตอบสนองความถี่ที่ลดลงตามระยะทาง

สามารถมองเห็น รูปแบบของแรงดันไฟฟ้าตามแนวเยื่อฐานได้บนออสซิลโลสโคป ค่าเฉลี่ยสามารถหาได้จากการแปลงเป็นกระแสตรงและแสดงเป็นรูปแบบโดยใช้ตัวสลับกระแสความเร็วสูง หูจำลองแสดงรูปแบบที่ใกล้เคียงกับที่Georg von Békésy สังเกตเห็น ในแบบจำลองโดยตรงของเขา

แบบจำลองที่ค่อนข้างสมบูรณ์ชิ้นแรกถูกสร้างขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ที่มหาวิทยาลัยแอริโซนาโดยนักศึกษาปริญญาโทสองคนและอาจารย์ที่ปรึกษาของพวกเขา โดยได้รับการสนับสนุนจาก โครงการ ไบโอนิกส์ ของกองทัพอากาศที่เพิ่งก่อตั้งขึ้น งานนี้ได้รับการสรุปครั้งแรกในรายงาน: "แบบจำลองอิเล็กทรอนิกส์ของหู" รายงานเอกสารทางเทคนิคหมายเลขAMRL - ​​TDR -1963-60 มิถุนายน 1963 ห้องปฏิบัติการชีวฟิสิกส์ ห้องปฏิบัติการวิจัยทางการแพทย์การบินและอวกาศที่ 6570 กองการแพทย์การบินและอวกาศ กองบัญชาการระบบกองทัพอากาศ โดย E. Glaesser, WF Caldwell และ JL Stewart ^{[ 7 ]}รายงานประกอบด้วยรายการอ้างอิงจำนวนมาก งานนี้ยังได้รับการรายงานในการประชุมสัมมนา ไบโอนิกส์ ด้วย

แตกต่างจากแบบจำลองที่ใช้ตัวกรองแบบแอคทีฟหลายตัวหรือแสดงด้วยสมการดิจิทัล หูแบบอนาล็อกสามารถรวมเอาความไม่เป็นเชิงเส้นที่แสดงถึงการทำงานที่ไม่เป็นเชิงเส้นของเยื่อฐานซึ่งอาจเกิดจากการเคลื่อนที่แบบไม่สมมาตรของเซลล์รับความรู้สึก ส่งผลให้เยื่อฐานเคลื่อนที่แบบไม่สมมาตร ความถี่ต่าง ๆ สามารถเกิดขึ้นได้ดังที่สังเกตได้ในมนุษย์ ความถี่ต่าง ๆ บางส่วนที่เกิดขึ้นในหูชั้น ใน สามารถสังเกตได้ใน หู ชั้น นอก

สัญญาณประสาทที่ตอบสนองต่อการเคลื่อนไหวของเยื่อฐานแสดงการตอบสนองในทิศทางเดียวเช่นเดียวกับการปรับแก้ ในความถี่ส่วนใหญ่ ยกเว้นความถี่ต่ำ การวัดทางประสาทจะเฉลี่ยในช่วงหลายรอบเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เทียบเท่ากับการปรับแก้แล้วตามด้วยการหาค่าเฉลี่ย ( การกรองความถี่ต่ำ ) ตลอดทั้งหูชั้นใน การตอบสนองจะแสดงเป็นรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงช้ากว่าความถี่ที่ใช้ แต่เป็นไปตามซองสัญญาณที่ใช้ กลุ่มเซลล์แต่ละกลุ่มสามารถสร้างคลื่นกึ่งคาบที่สามารถวิเคราะห์ได้โดยเซลล์ประสาทในสมอง ดังนั้น รูปแบบทั้งหมดที่เกิดขึ้นจากเสียงจึงสามารถคิดได้ว่าเป็นรูปแบบสองมิติในเวลา โดยแกนหนึ่งคือระยะทางตามเยื่อฐาน และอีกแกนหนึ่งคือระยะทางตามลำดับของเซลล์ประสาท รูปแบบเหล่านี้ซึ่งเปลี่ยนแปลงในอัตราที่น้อยกว่าความถี่เสียงต่ำ มีรูปร่างที่สามารถระบุได้คล้ายกับรูปแบบในการมองเห็น แนวคิดของ "เครื่องวิเคราะห์ประสาท" ซึ่งเป็นส่วนขยายของรูปแบบโคเคลีย ได้รับการกล่าวถึงในสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาหมายเลข 3,387,093 "ระบบบีบอัดแบนด์วิดท์เสียงพูด" ลงวันที่ 4 มิถุนายน 1968 (ยื่นขอในปี 1964)

พบว่าหูฟังแบบอนาล็อกที่มีแถบซ้อนทับแบบไม่สมมาตรมีความน่าเชื่อถือมากกว่าในการระบุเสียงพูดเมื่อเทียบกับสเปกตรัมความถี่แบบ ดั้งเดิม ฟอร์แมนต์ที่สองเป็นการวัดเดี่ยวที่สำคัญที่สุด เสียงพูดที่น่าสนใจ ได้แก่เสียงกระซิบและเสียงพูดที่สั้นกระชับ^{[ b ]}

มีการประยุกต์ใช้กับสัตว์และแมลงโดยใช้แบบจำลองหูที่เหมาะสม^{[ 9 ]}การศึกษาอีกชิ้นหนึ่งที่ใช้หูจำลองคือ "การจำลองกลไกในการหาระยะทางด้วยเสียงสะท้อนของสัตว์" โดย John L. Stewart และ James M. Kasson ^{[ 10 ]}

รายงาน บทความ และสิทธิบัตรจำนวนมากได้ตามมาหลังจากการวิจัยตามที่อ้างอิงไว้ในรายงานที่ระบุไว้ที่นี่ รายงานฉบับเต็มฉบับสุดท้ายใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์เวอร์ชันแรกๆ ที่เขียนด้วยภาษาBASIC แบบแบ่งเวลา ^{[ c ]}

นอกจากนี้ Stewart ยังตีพิมพ์หนังสือหลายเล่มด้วยตนเอง โดยดำเนินธุรกิจในชื่อ Santa Rita Technology และต่อมาในชื่อCovoxซึ่งรวมถึงThe Analog Ear StoryและThe Analog Ear–brain Systemในปี 1964 และThe Bionic Earในปี 1979 ^{[ 12 ]}

งานวิจัยที่ได้จากการศึกษาการฟังเสียงแบบอนาล็อกได้กระตุ้นให้เกิดการสร้างเสียงพิเศษเพื่อใช้ในการไล่นกและศัตรูพืชอื่นๆ เสียงเหล่านั้นถูกสังเคราะห์ขึ้นให้เลียนแบบเสียงร้องของนกตามธรรมชาติ แต่เป็นเสียงแบบสลับไปมา แนวคิดนี้คล้ายกับการใช้เสียงพูดคุยของมนุษย์เพื่อรบกวนการสื่อสารของผู้อื่น ผลิตภัณฑ์หลักคือ "Av-Alarm" และยังได้รับการดัดแปลงให้ใช้กับย่านความถี่ทรานโซนิกและอัลตราโซนิกด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า "Transonic"

งานวิจัยนี้ยังนำไปสู่การพัฒนาเครื่องรู้จำคำพูดรุ่นแรกๆ ที่ทำงานได้กับคอมพิวเตอร์ 8 บิต รวมถึงรุ่นต่อมาที่ใช้โปรเซสเซอร์ 16 บิต ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวได้รับการพัฒนาโดยบริษัท Covox, Inc. โดยใช้ชื่อผลิตภัณฑ์ว่า "Speech Thing" และ "Voice Master"

มีการจดสิทธิบัตรจำนวนมากทั้งในสหรัฐอเมริกาและต่างประเทศในหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับหูฟังแบบอนาล็อกของสจ๊วต โดยเรียงตามลำดับวันที่ยื่นขอจดสิทธิบัตร เริ่มตั้งแต่ปี 1962 ได้แก่สิทธิบัตร สหรัฐอเมริกา หมายเลข 3,294,909 , 3,325,597 , 3,387,093 , 3,432,618 , 3,378,700 , 3,483,325 , 3,459,034 , 3,543,138และ3,510,588

หลายกลุ่มได้สร้างชิปการได้ยิน VLSI แบบอนาล็อกในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา^{[ 13 ]}