Cấu tạo của tai và chức năng của tai con người

Chức năng của tai đôi khi giống như một microphone, vì cả hai, tai và micro đều chuyển đổi các sóng âm thanh thành tín hiệu điện. Nếu điều này là đúng, tai là một microphone tuyệt vời nhất. Nó có tác dụng như một bộ phân tích tần số, phá bỏ các dạng sóng phức tạp tạo ra bởi các thành phần sóng sine, và gửi các xung điện này đến não những gì tiêu biểu cho các tần số của các âm thanh mà nó nhận được. Nó cũng có khả năng nghe ở mức độ lớn hơn nghìn tỷ lần những âm thanh nhỏ nhẹ nhất. Nó có giải năng động (dynamic range) lớn hơn hàng ngàn lần so với những hệ thống âm thanh chuyên nghiệp tốt nhất hiện nay. Tuy nhiên, tai cũng có đặc thù và giới hạn riêng của nó, và nếu ta hiểu biết của chúng tường tận, có thể có nhiều hướng giải quyết những khó khăn thường gặp trong việc thiết kế và sử dụng hệ thống âm thanh.

Trước tiên, mô tả ngắn gọn về cách hoạt động của tai (xem hình 3.1): Âm thanh vào tai ngoài, đều phải đi qua các ống tai, làm rung động màng nhĩ, là màng da rất mỏng bịt kín ở cuối ống. Màng nhĩ được gắn vào, bởi một đòn bẩy là ba xương rất tinh vi, chuyển các rung động sang lỗ mở khác nhỏ hơn nhiều (các cửa sổ hình bầu dục – oval window), dẫn vào tai trong. Chúng ta đã nghe tất cả điều này trước đây rồi. Nhưng những gì xảy ra ngoài cửa sổ bầu dục chắc chắn làm cho tai trong là một trong những tuyệt tác kỳ lạ của thiên nhiên.

Tai trong được bọc trong một vỏ xương rất nhỏ (ốc tai) cuộn lại thành hình gần giống như con ốc sên. Bên trong vỏ, ngâm trong dịch lỏng, có nhiều tế bào nhỏ bé như tóc nằm trên một màng (màng nền – basilar membrane) chạy dọc theo đường xoắn ốc vào bên trong của vỏ. Tóc giống như các tế bào, có nhiệm vụ chuyển đổi những rung động sinh ra trong dịch lỏng thành các xung điện.

Mỗi thành phần sóng sine (tần số) của một âm thanh gây ra sự đáp ứng tối đa tại một vị trí đặc biệt dọc theo chiều dài của màng nền, nó sẽ gây ra xung lực để gửi đến bộ não từ vị trí đặc biệt này. Bằng cách này, bộ não sẽ nhận được một loạt xung riêng biệt tiêu biểu của các tần số liên quan đến các âm thanh chúng ta đã nghe, sắp xếp, phân loại từ các dạng sóng phức tạp nhận được ở tai ngoài. Trong thực tế, nếu được đào tạo đầy đủ, một số người có tai nghe sắc sảo, nhậy bén có thể nhận ra cao độ chính xác các bội âm khác nhau của một nốt nhạc được chơi trên nhạc cụ. (Hầu hết chúng ta đều đơn giản, chỉ tích hợp nó vào những gì chúng ta gọi là chất lượng âm sắc (tonal quality) ).

Tần số thấp nhất của phổ âm thanh (phổ âm) tạo ra sự đáp ứng tối đa ở một đầu của màng nền, trong khi tần số cao nhất lại tạo ra đáp ứng tối đa ở đầu kia. Cách thức mà các màng tế bào đáp ứng với các tần số giữa hai cực giải thích lý do tại sao chúng ta nghe thấy tần số trong âm nhạc, hay nhận thức được tỉ lệ tương xứng giữa nó với nhau.

Lưu ý một điều thú vị về hoạt động của tai. Hình 3.2 cho thấy một đồ thị mô tả về màng nền của tai vẽ trải ra theo chiều dài thật sự của nó. Dọc theo chiều dài của ốc tai, như trên đồ thị, mỗi lần tăng gấp đôi tần số (tăng 1 bát độ-octave) cũng là bao gồm một khoảng cách theo thang chia độ (scale), bất kể trị số của nó. Điều này được gọi là một mối quan hệ logarithmic, theo đó tỉ lệ bất kỳ cũng có thể được biểu diễn trên tỷ lệ tuyến tính đặc biệt để xử lý dễ dànghơn. (Nói cách khác, tai là chất được hình thành để làm việc theo logarithmically). Mối quan hệ logarithmic rất có ích không những chỉ trong các phép đo so sánh về tần số, mà còn trong các phép đo so sánh về cường độ.