Đôi tai của bạn là một cơ quan tuyệt vời. Chúng ghi nhận lại tất cả những âm thanh xung quanh bạn và chuyển hóa các thông tin này thành một dạng mà bộ não có thể hiểu được một cáh hoàn toàn tự động. Khứu giác, vị giác, thị giác đều cần đến các phản ứng sinh hóa, trong khi thính giác chỉ cần duy nhất các chuyển động vật lý mà thôi. Trong bài này chúng ta sẽ nghiên cứu về cách đôi tai cảm nhận hướng âm thanh và truyền đến bộ não bằng sự kết hợp nhịp nhàng giữa các thành phần cấu tạo của tai.
Thế thì âm thanh là gì ?
Đôi tai bạn là một cơ quan cảm giác chi tiết và tinh tế.
Một vật sẽ tạo ra âm thanh khi nó rung động trong một môi trường vật chất nào đó. Đó có thể là dạng rắn (như đất), dạng lỏng (như nước) hay dạng khí (như không khí)…Hầu hết âm thanh chúng ta nghe đều được truyền qua môi trường không khí. Khi một thứ gì đó chuyển động trong môi trường, nó làm di chuyển các phân tử khí xung quanh nó. Các phân tử khí này lại làm di chuyển các phân tử khí xung quanh chúng, điều này giúp truyền tải âm thanh qua không khí.
Ví dụ khi ta rung một chiếc chuông, phần kim loại rung động làm di chuyển các phân tử khí xung quanh nó, các phân tử khí này tiếp tục va chạm với các phân tử khí xung quanh chúng, tiếp tục lan truyền ra xa hơn. Đây được gọi là độ nén (compression).
Khi chiếc chuông rung, nó còn kéo các phân tử khí xung quanh di chuyển theo làm giảm áp lực, gây ra hiện tượng các phân tử khí bị kéo theo ngày càng nhiều và lan truyền mỗi lúc một rộng hơn. Đây gọi là hiện tượng loãng khí (rarefaction).Bằng cách này, một vật thể rung động có khả năng truyền một làn sóng biến động áp lực trong môi trường. Mỗi vật thể tạo ra một loại âm thanh khác nhau do có các biến đổi trong tần số sóng âm. Tần số sóng âm càng cao có nghĩa là áp lực biến động khí xung quanh vật thể di chuyển càng nhanh và ngược lại. Áp lực khí trong mỗi biến động càng cao thì âm lượng của âm thanh cũng càng lớn.
Nhận biết âm thanh
Để nghe được âm thanh, tai của bạn cần làm ba việc cơ bản:
- Hướng sóng âm vào phần tai nghe được.
- Cảm nhận biến động trong áp lực khí.
- Chuyển hóa các biến động này thành một tín hiệu điện mà bộ não hiểu được.
Tai ngoài hay còn gọi là vành tai (pinna) là một bộ phận có chức năng “bắt” âm thanh. Phần tai này hướng về phía trước với cấu tạo nhiều đường cong khác nhau. Cấu tạo này giúp ta xác định hướng âm thanh phát ra. Mỗi hướng âm thanh phát ra khi đi đến vành tai sẽ phản âm và tạo ra các mẫu âm khác nhau và truyền đến não. Bộ não sẽ sử dụng các mẫu âm này để nhận biết được hướng âm thanh truyền đến.
Quảng cáo
Sơ đồ cấu tạo tai
Vì vành tai hướng về phía trước, ta sẽ cảm nhận các âm thanh đến từ phía trước tốt hơn các âm thanh đến từ phía sau. Vành tai của con người không có khả năng điều hướng và di chuyển như các động vật có tai to như chó hay mèo, khả năng tập trung âm thanh là khá thấp. Khi ta ốp hai bàn tay lên sau hai vành tai, bề mặt tiếp âm trên tai được mở rộng hơn cho ta khả năng tập trung âm thanh tốt hơn.
Màng nhĩ ( Eardrum )
Khi âm thanh đi vào trong ống tai, nó sẽ làm rung động màng nhĩ. Màng nhĩ là một mảnh da mỏng hình nón rộng khoảng 10mm. Màng nhĩ nằm giữa ống tai và tai giữa (middle ear). Tai giữa được thông với cổ qua ống eustachian. Vì không khí truyền vào trong cả hai tai và trong miệng chúng ta, cấu tạo này giúp áp lực không khí bên trong hai tai luôn cân bằng. Sự cân bằng áp lực khí này giúp màng nhĩ di chuyển để tiếp nhận âm thanh một cách chính xác và nhạy cảm nhất. Màng nhĩ còn được nối với cơ tympani trong tai thật căng để có thể dễ dàng tiếp nhận sóng âm dù âm thanh được truyền đến từ bất cứ vị trí nào trên màng nhĩ.
Quảng cáo
Màng nhĩ có hoạt động giống như màng diaphragm của micro thu. Độ nén khí và loãng khí của sóng âm làm rung màng micro, màng rung càng nhanh thì âm càng cao, màng rung càng xa thì âm lượng âm thanh càng lớn.
Màng nhĩ còn có chức năng bảo vệ tai trong (inner ear) trước các tiếng ồn lớn và các tiếng ồn tần số thấp. Khi bộ não cảm nhận được các âm thanh trên, nó truyền một phản xạ đến các bộ phận của tai làm cho màng nhĩ và các xương xung quanh bị kéo giãn ra. Lúc này màng nhĩ sẽ rất cứng và tiếp nhận rất ít các tiếng ồn, làm cho tiếng ồn bị giảm đi đáng kể.
Phản xạ điều âm này làm cho tai có khả năng bỏ qua phần nào các tiếng ồn và tập trung vào các âm thanh có pitch cao. Phản xạ này còn tự động kích hoạt khi nói giúp chúng ta tránh làm át đi các âm thanh xung quanh bằng chính giọng nói của mình.
Khuếch đại âm
Tuy các biến động trong áp lực khí là rất nhỏ, nhưng vì màng nhĩ vô cùng mẫn cảm nó có thể nhận biết được các biến động này một cách dễ dàng vì chính xác. Phần xoắn ốc của tai trong ghi nhận âm thanh bằng một dịch lỏng thay vì bằng khí. Dịch lỏng này có độ đặc cao hơn không khí nên khó dao động hơn, vì thế sóng âm cảm nhận được ở màng nhĩ khó có khả năng được cảm nhận qua dịch lỏng này. Do đó tổng áp lực âm trước khi đến tai trong phải được khuếch đại.
Việc này được các xương nhỏ của tai giữa đảm nhận. Các xương này là các xương nhỏ nhất trong cơ thể người bao gồm:
- Xương malleus, thường gọi là xương búa.
- Xương incus, thường gọi là xương đe.
- Xương stapes, hay còn gọi là xương bàn đạp.
1. Sóng âm làm dao động màng nhĩ, di chuyển các xương malleus, incus và stapes.
2. Xương malleus được nối với phần giữa phía bên trong màng nhĩ. Khi màng nhĩ dao động, nó di chuyển xương malleus qua lại như một cần gạt. Đầu kia của xương malleus được nối với xương incus đi kém cùng xương stapes. Phần còn lại của xương stapes là bề mặt xương nằm đối diện ốc tai qua một khoảng trống hình oval.
3. Khi áp lực khí đẩy hay kéo màng nhĩ, các xương nhỏ cũng di chuyển theo khiến cho bề mặt xương stapes cũng có tác động tương tự đối với dịch lỏng trong ốc tai. Xương stapes hoạt động như một piston giúp lan truyền các áp lực không khí thành các sóng động của dịch ốc tai (cochlear fluids).
4. Các xương nhỏ khuếch đại lực từ màng nhĩ theo hai cách. Khuếch đại chính có được từ sừ chênh lệch kích thước giữa màng nhĩ và xương bàn đạp. Màng nhĩ có chu vi khoảng 55 mm²trong khi chu vi tiếp xúc của xương stapes chỉ vào khoảng 3.2 mm². Với áp lực khí truyền tải từ một bề mặt lớn sang một bề mặt nhỏ hơn, lực truyền tải dĩ nhiên sẽ được khuếch đại mạnh hơn.
Sự sắp xếp của các xương nhỏ cũng phần nào làm tăng thêm độ khuếch đại. Xương malleus dài hơn xương incus tạo nên một tư thế đòn bẩy hiệu quả. Xương malleus di chuyển với khoảng cách càng xa thì xương incus cũng di chuyển với lực đẩy càng lớn (năng lượng = lực x khoảng cách).
5. Lực khuếch đại lên dịch ốc tai có giá trị gấp gần 22 lần áp lực trên màng nhĩ. Với khuếch đại này, âm thanh được đưa vào tai trong một cách chính xác nhất và được hệ thần kinh chuyển hóa thành các tín hiệu mà bộ não có thể hiểu được.
Sóng âm trong dịch ốc
Ốc tai là bộ phần phức tạp nhất của tai. Nhiệm vụ của nó là sử dụng các dao động vật lý của sóng âm và chuyển hóa thành các tín hiệu mà bộ não hiểu được.
Cấu tạo ốc tai gồm ba ống đặt kề nhau ngăn cách bởi các màng mẫn cảm. Các ống này co lại thành hình xoắn như trôn ốc, trong đó hai ống scala vestibuli và scala media có màng mẫn cảm rất mỏng hầu như không gây ngăn trở gì trong việc truyền tải sóng âm.
Hoạt động piston của xương stapes làm di chuyển dịch lỏng trong ốc tai, tạo ra một sóng dao động đi đến các màng đáy.
Màng giữa hay còn gọi là màng đáy, là một bề mặt cứng dàn trải toàn bộ chiều dài của ốc tai. Khi xương stapes di chuyển sẽ tạo ra trên màng này một gợn sóng di chuyển đến đầu còn lại của ốc tai.
Màng đáy được cấu tạo bởi từ 20.000 đến 30.000 sợi sinh học dàn trải trên toàn bộ kích thước ốc tai. Gần khoảng trống oval các sợi này khá ngắn và cứng, càng bào rộng ra các sợi này càng dài và dẻo dai hơn.
Điều này mang lại cho những sợi này các tần số với mức cộng hưởng khác nhau. Một tần số sóng âm có sẽ cộng hưởng với các sợi này ở một điểm nào đó, làm chúng dao động liên tục. Khi đi qua màng các sóng âm không phát ra nhiều năng lượng tuy nhiên khi đi qua các sợi với cộng hưởng thích hợp, năng lượng của sóng âm sẽ được giải phóng. Các sóng với tần số cao sẽ làm dao động các sợi ở gần khoảng oval trong khi các sóng với tần số thấp sẽ làm dao động các sợi ở phần còn lại của màng.
Nang bào
Làm thế nào để bộ não nhận biết các dao động mà ta vừa đề cập ?
Đây là công việc của các cơ quan Corti. Cơ quan Corti bao gồm hàng nghìn nang bào nằm trên bề mặt màng đáy và trải dài suốt kích thước của ốc tai.
Khi một làn sóng chạm vào điểm cộng hưởng, màng đáy sẽ giải phóng năng lượng ở điểm tiếp xúc. Năng lượng này đủ sức làm di chuyển các nang bào của cơ quan Corti tại vị trí đó. Khi các nang bào này di chuyển, chúng gởi đi các xung điện đến các dây thần kinh ốc tai. Các xung này lại tiếp tục được gởi đến vỏ não và được não tiếp nhận. Bộ não sẽ phân biệt âm thanh với cách pitch khác nhau qua các vị trí khác nhau mà những xung này được gởi đến từ các nang bào. Âm thanh có âm lượng càng lớn sẽ giải tỏa nhiều năng lượng hơn và làm di chuyển nhiều nang bào hơn. Bộ não phân biệt được các âm thanh lớn nhờ vào số lượng các nang bào cùng được kích hoạt trong một vị trí nào đó.
Tuy nhiên ốc tai chỉ gởi đến não các dữ liệu thô – các mẫu xung điện phức tạp. Bộ não lúc này như một máy tính trung tâm xử lý các tín hiệu đó và đưa ra một lời giải hoàn chỉnh và chính xác nhất. Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu ngày đêm để có thể tìm hiểu kỹ hơn về chức năng tuyệt vời của một bộ phận với kích thước khá khiêm tốn trên cơ thể con người: ĐÔI TAI.
