Dẫn truyền âm thanh từ màng nhĩ đến ốc tai: phối hợp trở kháng bởi xương con

Màng nhĩ (thường gọi là eardrum) và các xương con, các xương này dẫn truyền âm thanh từ màng nhĩ qua tai giữa đến ốc tai (tai trong). Cán xương búa gắn vào màng nhĩ. Xương búa được nối với xương đe bởi một dây chằng rất nhỏ, vì vậy khi xương búa chuyển động thì xương đe cũng chuyển động theo. Mỏm của xương đe khớp nối với thân xương bàn đạp, và nền xương bàn đạp nằm đối diện với mê đạo màng của ốc tai trên đường vào của cửa sổ bầu dục.

Hình. Màng nhĩ, hệ thống xương con của tai giữa và tai trong.

Đầu của cán xương búa được gắn vào rốn nhĩ, và điểm này luôn được kéo bởi cơ căng màng nhĩ - cơ này giữ cho màng nhĩ luôn được căng. Điều này cho phép những rung động âm thanh trên bất cứ phần nào của màng nhĩ cũng được truyền tới các xương con, điều này không xảy ra nếu màng nhĩ trùng.

Các xương con của tai giữa được treo bởi các dây chằng trong đó xương búa và xương đe kết hợp để hoạt động như một đòn bẩy, điểm tựa của nó ở ranh giới của màng nhĩ.

Khớp nối giữa xương đe và xương bàn đạp khiến xương bàn đạp (1) đẩy về phía trước trên cửa sổ bầu dục và dịch trong ốc tai ở trong cửa sổ mỗi khi màng nhĩ di chuyển vào trong và (2) kéo ngược lại khi xương búa di chuyển ra phía ngoài.

Sự phối hợp trở kháng bởi hệ thống xương con

Biên độ vận động của nền xương bàn đạp với mỗi rung động âm thanh chỉ bằng ba phần tư biên độ của cán xương búa. Do đó hệ thống đòn bẩy xương con không làm tăng khoảng vận động của xương búa như trước đây vẫn nghĩ. Thay vào đó, hệ thống này làm giảm khoảng cách nhưng làm tăng lực lên 1.3 lần. Thêm nữa diện tích màng nhĩ vào khoảng 55 mm2, trong khi diện tích của xương bàn đạp trung bình là 3.2 mm2. Sự khác biệt 17 lần về diện tích và 1.3 lần về lực của hệ thống đòn bẩy làm tổng lực tác dụng lên dịch của ốc tai gấp 22 lần so với tổng lực mà sóng âm tác dụng lên màng nhĩ. Bởi vì dịch trong ốc tai có quán tính lớn hơn nhiều so với không khí nên việc tăng lực tác động là cần thiết để có thể tạo được sự chuyển động của dịch. Vì vậy, màng nhĩ và hệ thống xương con mang lại sự phối hợp trở kháng (impedance matching) giữa sóng âm trong không khí và rung động âm thanh trong dịch của ốc tai. Thật vậy, sự phối hợp trở kháng vào khoảng 50 - 75% cho âm thanh có tần số từ 300 đến 3000 chu kì/giây, điều này cho phép sử dụng được gần như toàn bộ năng lượng của sóng âm truyền tới.

Trong trường hợp không có hệ thống xương con và màng nhĩ, sóng âm vẫn có thể đi qua trực tiếp qua không khí của tai giữa và đi vào ốc tai tại cửa sổ bầu dục. Tuy nhiên độ nhạy của thính giác sẽ giảm 15-20% so với việc truyền âm qua xương con - tương đương với việc giảm từ mức trung bình đến mức gần như không cảm nhận được.

Sự giảm âm bởi sự co cơ căng màng nhĩ và cơ bàn đạp

Khi âm thanh lớn được truyền qua hệ thống xương con và từ đó truyền vào hệ thần kinh trung ương, một phản xạ xảy ra sau một thời gian tiềm ẩn chỉ có 40-80 ms để gây co cơ bàn đạp và cơ căng màng nhĩ ở một mức độ thấp hơn. Cơ căng màng nhĩ kéo cán xương bùa vào trong trong khi cơ bàn đạp kéo xương bàn đạp ra ngoài. Hai lực này đối kháng nhau và nhờ đó làm cho toàn bộ hệ thống xương con trở nên tăng độ cứng, vì vậy làm giảm đáng kể sự dẫn truyền qua xương con của các âm thanh tần số thấp, chủ yếu là tần số dưới 1000 chu kì/ giây.

Phản xạ giảm âm (attenuation reflex) có thể làm giảm cường độ của âm thanh dẫn truyền có tần số thấp hơn từ 30 đến 40 decibel, điều này làm nên sự khác biệt tương tự như giữa một giọng nói to và một lời thì thầm. Cơ chế này được tin rằng có 2 chức năng: bảo vệ ốc tai khỏi những rung động gây hại bởi những âm thanh quá lớn và lọc những âm thanh tần số thấp trong môi trường ồn ào. Việc lọc âm giúp loại bỏ đa số những âm thanh ồn ào từ môi trường giúp con người có thể tập trung vào những âm thanh trên 1000 chu kì/giây, đó là dải tần chứa hầu hết các thông tin thích hợp khi giao tiếp.

Một chức năng khác của cơ căng màng nhĩ và cơ bàn đạp là giảm sự nhạy cảm thính giác với chính giọng nói của mình. Tác dụng này chịu sự chi phối của tín hiệu thần kinh thứ hai được truyền tới các cơ này cùng lúc với não kích hoạt cơ chế giọng nói.

Sự truyền âm qua xương

Bởi vì tai trong, hay ốc tai, nằm trong một khoang của xương thái dương, gọi là mê đạo xương, nên khi hộp sọ rung có thể làm chuyển động các dịch trong ốc tai. Vì vậy, trong điều kiện thích hợp, một âm thoa hay một máy điện rung được đặt vào bất cứ ụ nhô nào của xương sọ, mà đặc biệt là mỏm chũm ở gần tai, ta đều nghe được âm thanh. Tuy nhiên, năng lượng có sẵn thậm chí ở âm thanh lớn trong không khí cũng không đủ để nghe thấy qua sự dẫn truyền qua xương, trừ khi có một thiết bị khuyếch đại âm thanh được đặt trong xương.