Fiziologie cantitativă · Mecanică senzorială

Zece picometri în timpan

Dacă undele sonore ar lovi direct lichidul cohlear, 99,89% din energie ar sări înapoi ca dintr-un zid rigid. Pentru a traversa această barieră, urechea medie folosește o pârghie mecanică de trei oscioare care amplifică presiunea de peste 22 de ori — permițând membranei timpanice să perceapă vibrații de numai 10 picometri, de zece ori mai mici decât lățimea unui atom de hidrogen.

99,89%
din energia acustică este reflectată la contactul direct dintre aer și apă (-29,6 dB pierdere fără ureche medie).
22,5×
câștigul de presiune oferit de suprafața timpanului (17,2×) și pârghia oscioarelor (1,31×).
10 pm
amplitudinea vibrației timpanului la pragul de 0 dB SPL — o zecime din diametrul atomului de hidrogen.
~0,3 nm
deplasarea mănunchiului de stereocili la prag, după amplificarea din cohlee (Hudspeth, 1989).

Zidul de apă: bariera acustică de 3.600 la 1

De ce avem nevoie de o cavitate pneumatică și trei oase articulate în cutia craniană?

Sunetul se propagă ca o undă de presiune mecanică. Rezistența pe care un mediu o opune la punerea în mișcare a particulelor sale se numește impedanță acustică specifică, definită ca produsul dintre densitatea mediului și viteza sunetului (Z = ρ × c).

În aerul atmosferic la 20°C, impedanța acustică este de aproximativ 413 Pa·s/m. În schimb, lichidul perilimfatic din cohleea umană are proprietățile apei, cu o impedanță de 1.500.000 Pa·s/m — de peste 3.630 de ori mai densă acustic.

Când o undă trece brusc între două medii cu impedanțe atât de disproporționate, coeficientul de reflexie a energiei este guvernat de ecuația:

R = [(Zapă - Zaer) / (Zapă + Zaer)]2 = [(1.500.000 - 413) / (1.500.000 + 413)]2 ≈ 0,9989 (99,89%)

Doar 0,11% din puterea sonoră ar pătrunde în lichidul cohlear. Acest fenomen echivalează cu o pierdere instantanee de 29,6 decibeli. O conversație purtată normal la 60 dB ar fi redusă la nivelul unei șoapte abia perceptibile, iar sunetele ambientale fine ar fi complet șterse.

Transformatorul mecanic cu trei pârghii

Experimentează transmisia de forță și compară auzul adaptat cu contactul direct aer-lichid.

Presete sonore:
Nivel de presiune acustică (SPL) 60 dB SPL
0 dB (Prag) 60 dB 120 dB (Durere)
Frecvență sonoră 1000 Hz
250 Hz (Grav) 1000 Hz 4000 Hz (Acut)
Generator acustic Web Audio API
Ascultă tonul generat și dezactivează comutatorul de sus pentru a simula atenuarea de 29,6 dB suferită fără ureche medie.
60 dB SPL | 10.00 nm | Adaptare activă (+27 dB)
Presiune pe timpan (Aer)
20,00 mPa
Forță: 1,10 µN
Vibrație timpan (Deplasare)
7,71 nm
Viteza particulei de aer: 0,05 mm/s
Presiune pe fereastra ovală
449,50 mPa
Multiplicator: 22,48× presiune
Eficiență transmisie energie
~100% (Adaptat)
Compensează pierderea aer-apă

Cum funcționează cele trei pârghii

Anatomia transformatorului acustic: arie, braț de pârghie și boltă catenară.

Sistemul auditiv uman compensează saltul de impedanță prin trei mecanisme fizice distincte:

1. Raportul hidraulic de arie (17,2 la 1): Suprafața vibrantă efectivă a membranei timpanice este de aproximativ 55 de mm² (din suprafața anatomică totală de 85 de mm²), în timp ce talpa scăriței măsoară doar 3,2 mm². Deoarece presiunea este forța împărțită la arie (P = F / A), concentrarea aceleiași forțe pe o suprafață de 17,2 ori mai mică multiplică presiunea cu 17,2×.

2. Pârghia anatomică a oscioarelor (1,31 la 1): Ciocanul (malleus, lungimea activă de 8,5 mm) și nicovala (incus, procesul lung de 6,5 mm) formează o pârghie oscilantă cu un ax de rotație comun. Raportul brațelor de pârghie oferă un avantaj mecanic suplimentar de 1,31×, mărind forța transmisă scăriței în detrimentul unei reduceri proporționale a cursei.

3. Curbura conică a timpanului (2,0 la 1): Membrana timpanică are o geometrie conică cu vârful orientat spre interior (la umbo). Această formă funcționează ca o pârghie de catenară, oferind o multiplicare adițională a forței către ciocan.

Înmulțite, aceste trei rapoarte ridică presiunea acustică exercitată asupra perilimfei din fereastra ovală de 22 până la 35 de ori (+27 la +30 dB), anulând exact pierderea de 29,6 dB calculată din diferența de impedanță.

Scara subatomică a vibrației la pragul auzului

Comparație dimensională pe 9 ordine de mărime: de la nucleul atomic la grosimea timpanului.

La pragul absolut de audibilitate la 1.000 Hz, presiunea minimă detectabilă este de 20 de micropascali (0 dB SPL) — o forță de numai 1,1 nanonewtoni distribuită pe întreg timpanul.

La această intensitate, deplasarea fizică a timpanului este, după calcul, de circa 10 picometri (0,01 nanometri). Estimarea clasică pornește de la mișcarea aerului la 1 kHz, pentru care calculul dă 7,7 pm; mișcarea timpanului se estimează de același ordin de mărime. Prin comparație, diametrul unui atom de hidrogen este de 106 picometri: timpanul se deplasează pe o distanță de zece ori mai mică decât un singur atom. Mai departe, cohleea amplifică mișcarea: la prag, mănunchiul de stereocili al unei celule ciliate se deplasează cu circa 0,3 nanometri, cam de trei ori diametrul unui atom de hidrogen (Hudspeth, 1989).

0,001 pm (1 fm)
Raza unui proton / nucleu atomic
10 pm (0,01 nm)
Vibrația timpanului la 0 dB SPL (Pragul auzului)
100 de pm (0,1 nm)
Diametrul unui atom de hidrogen (106 pm)
300 pm (0,3 nm)
Deplasarea stereocililor la prag, după amplificarea din cohlee
2.000 pm (2 nm)
Grosimea elicei duble de ADN
7.000 pm (7 nm)
Bistratul lipidic al membranei celulare / Timpan la 60 dB
500.000 pm (500 nm)
Lungimea de undă a luminii vizibile
10.000.000 pm (10 µm)
Vibrația timpanului la 120 dB SPL (Pragul durerii)

Aproape de zgomotul termic

Cât loc mai rămâne sub pragul auzului.

La prima vedere, un auz și mai sensibil ar părea un avantaj. Dar sub un anumit prag, urechea s-ar apropia de agitația moleculelor înseși.

La temperatura corpului de 37°C (310 K), energia termică caracteristică este kBT ≈ 4,28 × 10-21 Jouli. Moleculele de aer lovesc timpanul haotic și îl fac să tremure chiar și în lipsa oricărui sunet venit din afară. Hessel de Vries a comparat încă din 1948 energia minimă audibilă cu această mișcare browniană a timpanului.

Cât de aproape e pragul auzului de acest zgomot depinde de ce se socotește: aerul de lângă timpan, timpanul însuși sau partiția din cohlee, unde stau celulele ciliate. Estimările diferă. Ce rămâne sigur e că auzul lucrează aproape de limitele fizice, fără ca sursele citate aici să arate că le atinge exact.