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Ultrasonic cyborg hearing

Wagenbach, Maximilian

This thesis explores the feasibility of a useable cybernetic expansion of the human auditory system into the ultrasonic range. As part of this thesis a fully functional prototype was built and tested successfully. The hardware, software and algorithm used in the process of realizing the prototype as well as their technical verification are documented here. A detailed analysis of the history and current developments in cybernetic implants, with a particular focus on do-it-yourself cyborgs are also provided. Research on the state of the art is presented for both digital signal processing techniques for pitch shifting and ultrasonic hearing devices. Several natural and technical ultrasound sources are listed as well. Additionally a personal account of the perceptive experience of wearing the prototype is discussed together with possible future implications of cybernetic implant technology as a whole. The prototype built for this thesis shows that it is possible to extend the capabilities of a cochlear implant to enable the perception of ultrasound. This allows the redefinition of the cochlear implant, from a utility mitigating a “disability” into an extendable sense broadening the human perception. The algorithm implemented to perform the pitch shifting was designed specifically to preserve the harmonic overtone structure of the ultrasonic signal after the transposition. Therefore the prototype’s real-time implementation is particularly suitable for the use as a sensory extension, in comparison to other ultrasonic hearing devices that do not have these properties. Possible other ideas for future uses of the prototype without a cochlear implant or as a tool for research are also discussed.
Die vorliegende Masterarbeit untersucht die Umsetzbarkeit einer praktischen, kybernetischen Erweiterung des menschlichen Hörsinns in den Ultraschallbereich. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein voll funktionsfähiger Prototype gebaut und erfolgreich getestet. Die Hardware, Software und der Algorithmus, die zur Realisierung des Prototyps verwendet wurden, sowie deren technische Verifikation werden hier dokumentiert. Die bisherigen und aktuellen Entwicklungen im Bereich der kybernetischen Implantate, mit einem speziellen Fokus auf die do-it-yourself Cyborgs, werden detailiert analysiert. Außerdem wird die Forschung zum Stand der Technik von Signalverarbeitungstechniken zur Tonhöhenverschiebung und Geräten zum hörbar Machen von Ultraschall vorgestellt. Eine Reihe von technische sowie natürliche Ultraschallquellen werden ebenfalls aufgelistet. Ein persönlicher Bericht über die Wahrnehmungserfahrung beim Tragen des Prototypen wird zusammen mit einer Diskussion über die mögliche Zukunft von kybernetischer Implantattechnologie besprochen. Der Prototype, welcher als Teil dieser Masterarbeit gebaut wurde, zeigt, dass es möglich ist die Eigenschaften eines Cochlea Implants zu erweitern, um die Wahrnehmung von Ultraschall möglich zu machen. Dies erlaubt eine Neudefinition des Cochlea Implants von einem Hilfsmittel zur Linderung einer “Behinderung” in einen erweiterbaren Sinn zum Ausbauen der menschlichen Wahrnehmung. Der Algorithmus, der für die Tonhöhenverschiebung implementiert wurde, wurde mit besonderem Augenmerk darauf entwickelt die Verteilung der harmonischen Obertöne auch nach der Transposition zu bewahren. Daher eignet sich die Echtzeitimplementierung des Prototyps, im Vergleich zu anderen Geräten zum hörbar Machen von Ultraschall, welche diese Eigenschaft nicht aufweisen, besonders gut als Sinneserweiterung. Weitere Ideen für zukünftige Einsatzmöglichkeiten des Prototyps ohne ein Cochlea Implantat oder als Forschungswerkzeug werden ebenfalls aufgeführt.