Estudo da orelha média humana como um sistema vibroacústico incerto

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lobato, Lucas Costa
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/242633
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.
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spelling Universidade Federal de Santa CatarinaLobato, Lucas CostaCordioli, Júlio ApolinárioPaul, Stephan2022-12-13T11:51:51Z2022-12-13T11:51:51Z2022379272https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/242633Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2022.A orelha média é parte do sistema periférico da audição e, em mamíferos, é primariamente composta por uma membrana fibrosa e uma cadeia de três ossículos. Sua função é transduzir as ondas sonoras provenientes da orelha externa em vibração estrutural, transmitindo-as à orelha interna. Portanto, entende-se a orelha média como um sistema vibroacústico. Devido ao interesse de entender sua fisiologia, estudar a mecânica de patologias, projetar dispositivos auditivos e etc, diversos modelos matemáticos do comportamento vibroacústico da orelha média foram propostos nos últimos 70 anos. Apesar dos diferentes métodos matemáticos utilizados, as incertezas associadas à orelha média são tipicamente ignoradas. Portanto, o objetivo principal desta tese é estudar a orelha média humana como um sistema vibroacústico incerto, tendo como fio condutor o desenvolvimento de um modelo estocástico da orelha média humana capaz de representar não apenas uma amostra, como modelos determinísticos, mas uma população de orelhas médias. Para isso, no Capítulo 2 foi realizada uma compilação de diferentes dados acerca das propriedades mecânicas e comportamentos dinâmicos da orelha média. Os dados foram reinterpretados e analisados estatisticamente. Estes dados foram utilizados para o desenvolvimento e validação dos modelos determinísticos apresentados no Capítulo 3 e modelos estocásticos apresentados no Capítulo 4. Dois modelos determinísticos foram desenvolvidos, um de parâmetros concentrados e outro baseado no método dos elementos finitos. Esses serviram de base para o desenvolvimento dos modelos estocásticos que, por sua vez, foram construídos por meio de abordagens probabilísticas não-paramétricas. Os resultados mostraram que o modelo estocástico de parâmetros concentrados consegue representar bem a média e coeficiente de variação do comportamento vibroacústico da orelha média para toda faixa de frequência. Por outro lado, o modelo baseado no método dos elementos finitos ficou limitado a uma boa representação até, aproximadamente, 4 [kHz]. Ao final, no Capítulo 5, os modelos estocásticos desenvolvidos foram utilizados para representar a orelha média sob diferentes condições patológicas. Inesperadamente, o modelo estocástico de parâmetros concentrados mostrou resultados mais factíveis do que o modelo estocástico de elementos finitos, quando ambos foram comparados às evidências experimentais observadas na literatura. Esses resultados reforçam não apenas a robustez do modelo estocástico de parâmetros concentrados, por mais que o mesmo tenha diversas simplificações, mas também as limitações do modelo estocástico de elementos finitos, que necessita de maiores investigações no que tange seu ajuste e validação. Além disso, os resultados gerados com o modelo estocástico de parâmetros concentrados foram utilizados para a geração de um algoritmo de classificação automatizada da condição de orelhas médias. O objetivo não foi criar um modelo de classificação definitivo, mas explorar como modelos estocásticos podem contribuir não apenas no entendimento do funcionamento da orelha média mas também no desenvolvimento de ferramentas práticas. Apesar de não ser um modelo definitivo, o modelo obtido apresentou uma acurácia de 92% frente aos dados teóricos e uma boa assertividade frente a dados experimentais.Abstract: The middle ear is part of the peripheral auditory system of mammals being primarily composes by a Abrous membrane and an ossicular chain. The middle ear?s function is to transduce the acoustic wave coming from the outer ear into structural vibrations to be transmitted to the inner ear. Wherefore, the middle ear can be seen as a vibroacoustical system. Due to the interest of understanding its physiology behavior, studying the pathologies mechanics, designing hearing devices, etc, several mathematical models of the middle ear vibroacoustical behavior have been proposed in past 70 years. Despite the different mathematical methods used, the middle ear uncertainties are typically neglected. Thus, this work aims to present the theoretical basis and mathematical tools to the development of a probabilistic model which allows to represent the human middle ear as a vibroacoustical system taking account its uncertainties. Thus, a compilation of different experimental data on the mechanical properties and dynamical behavior of the middle ear was done in Chapter 2. The compiled data were statistically analyzed and reinterpreted. The data compiled in Chapter 2 were used to develop and validate the deterministic and stochastic models presented in Chapters 3 and 4, respectivelly. Two deterministic models were develop, being one using lumped parameters and the another using Anite element method. Both models were used and baseline in the development of the stochastic models. The stochastic models, in turn, were developed using probabilistic and non-parametric approaches. Results showed that the lumped parameter stochastic model can represent the mean and coefficient of variation of the middle ear dynamic behavior in whole frequency range analyzed. On the other hand, the Anite element stochastic model limited its accuracy up to 4 [kHz]. In Chapter 5 both stochastic models were used to model the middle ear under pathological conditions. Unexpectedly, the lumped parameter stochastic model presented moro feasible results the the Anite element stochastic model when both were compared to experimental data. These results showed the applicability of the lumped element model despite the simpliAcations assumed in its development. In addition these results showed the limitation of the Anite element model, which needs improvements in its Atting and validation. In the end, the theoretical results obtained for the middle ear under normal and pathological conditions were used to generate a classiAcation algorithm. The main goal was not to build a deAnitive algorithm, but to show how the stochastic models can help not only in the middle ear understanding but also in the development of practical tools. The obtained algorithm showed an accuracy of 92% when compared to theoretical data and a good assertiveness when compared to experimental data.185 p.| il.porEngenharia mecânicaOrelha médiaAcústicaAbsorção do somProbabilidadesEstudo da orelha média humana como um sistema vibroacústico incertoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALPEMC2264-T.pdfPEMC2264-T.pdfapplication/pdf52457476https://repositorio.ufsc.br/bitstream/123456789/242633/-1/PEMC2264-T.pdfa870f7803b6384feddd9c49312f76d2cMD5-1123456789/2426332022-12-13 08:51:52.153oai:repositorio.ufsc.br:123456789/242633Repositório de PublicaçõesPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732022-12-13T11:51:52Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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