การได้ยินเสียง และองค์ประกอบของหู

การได้ยินเสียง นอกจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ ตัวกลาง ก็ต้องมีหูถึงจะเกิดสิ่งที่เรียกว่า “การได้ยิน” การศึกษาโครงสร้างทางกายภาพของหู เป็นการศึกษาทางด้านสรีรวิทยา คลื่นเสียงที่กระทบหู จะทำให้เกิดการเคลื่อนไหวภายในหู ส่งผลให้มีการปล่อยกระแสไฟฟ้าไปยังสมอง สมองรับรู้และตีความ ทำให้เกิดความรู้สึกที่เรียกว่าเสียง ซึ่งกระบวนการมีความซับซ้อนเป็นอย่างมาก

แม้เวลาจะผ่านมาหลายทศวรรษ องค์ความรู้เรื่องการได้ยินของมนุษย์ก็ยังไม่สมบูรณ์ ยกตัวอย่างเช่น การฟังวงดนตรีซิมโฟนีออร์เคสตรา โดยที่สามารถฟัง และแยกเครื่องดนตรีต่าง ๆ ออกจากกัน ไม่ว่าจะเป็น ไวโอลิน เชลโล ดับเบิลเบส ความสามารถของหู และสมองจึงเป็นสิ่งที่ซับซ้อนที่สุด ในด้านวิศวกรรมเสียง

กายวิภาคของหู (Ear Anatomy)

หูมนุษย์จะได้ยินความถี่เสียง ตั้งแต่ 20 Hz – 20 kHz ซึ่งหูมี 3 ส่วนหลัก ของการได้ยินของมนุษย์ คือ หูชั้นนอก หูชั้นกลาง และหูชั้นใน หูชั้นนอกประกอบด้วย ใบหู และช่องหู ช่องหูจะสิ้นสุดที่แก้วหู หูชั้นกลางจะเป็นโพรงอากาศที่เต็มไปด้วยกระดูกเล็ก ๆ สามชิ้นที่เรียกรวมกันว่า Ossicles ประกอบด้วย Malleus, Incus และ Stapes หรืออาจเรียกว่า ค้อน ทั่ง และ โกลน ซึ่ง Malleus จะติดอยู่กับแก้วหู ต่อด้วย Incus และ Stapes ที่เชื่อมติดกับหน้าต่างรูปไข่ (Oval window) ที่หูชั้นใน

กระดูกทั้งสามรวมกัน เป็นการเชื่อมต่อแบบคันโยก ระหว่างแก้วหูที่ทำหน้าที่อัดลม และ Cochlea ที่ทำหน้าที่เกี่ยวกับการได้ยิน ซึ่งเต็มไปด้วยของเหลว หูชั้นในจะสิ้นสุดที่เส้นประสาทหู ซึ่งส่งแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าไปยังสมอง

ใบหู (Pinna)

ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์สำหรับรวบรวมเสียงเข้าไปในช่องหู ในความถี่เสียงพูด (2,000 Hz – 3000 Hz) จะเพิ่มขึ้นประมาณ 5 dB การวางมือไว้หลังใบหู จะยิ่งทำให้การรับเสียง มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ซึ่งสัตว์บางชนิด สามารถขยับหูชี้ไปที่แหล่งกำเนิดเสียงได้ เพื่อเป็นการช่วยขยายเสียง แต่มนุษย์ยังขาดความสามารถเหล่านี้ แต่ก็ยังสามารถขยับศีรษะเล็กน้อย เพื่อให้ได้ยินเสียงที่ดีขึ้น และระบุตำแหน่งของเสียง

ใบหูยังทำหน้าที่สำคัญ คือ สามารถบอกทิศทางของแหล่งกำเนิดเสียงได้ ใบหูจะทำให้เกิดความแตกต่างของเสียงจากด้านหน้า เมื่อเปรียบเทียบเสียงจากด้านหลัง ต่อมายังทำให้รู้สึกถึงความแตกต่างของเสียง จากรอบตัวผู้ฟัง การรับรู้ถึงขนาดของพื่นที่ ทดสอบได้โดยหลับตาแล้วให้ชี้ไปยังแหล่งกำเนิดเสียง

ช่องหู

ช่องหูสามารถเพิ่มความดันของเสียงได้ ซึ่งช่องหูมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 0.7 เซนติเมตร และยาวประมาณ 2.5 เซนติเมตร ที่ความยาวช่องหู จะมีผ่านศูนย์กลางที่สม่ำเสมอตลอดแนว นี่จึงเป็นเหตุผลให้ ช่องหูทำหน้าที่เหมือนท่อที่ด้านหนึ่งปลายเปิด อีกด้านหนึ่งปลายปิด

ซึ่งเมื่อท่อด้านหนึ่งปิด เอฟเฟกต์เสียงสะท้อนของช่องหู จะเพิ่มแรงดันเสียงเฉพาะบางความถี่ การเพิ่มขึ้นของแรงดันสูงสุดในท่อขนาดยาว 2.5 เซนติเมตร มีความยาวคลื่น 1 ใน 4 จะอยู่ที่ประมาณ 3,000 Hz หรือ 3 kHz คิดได้จาก

1/4 = λ
1/4 = 0.025
0.025 x 4 = 0.1 เมตร

ให้ความเร็วเสียงในอากาศ เท่ากับ 346 m/s จากสมการ

λ = v / f
0.1 = 346 / f
f = 346 / 0.1
f = 3,460 Hz

กราฟแสดงการเพิ่มขึ้นของความดันเสียงที่แก้วหู สังเกตุได้ว่าประมาณ 3000 Hz มีความดันเสียงที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเกิดจากเอฟเฟคการสะท้อนภายในท่อรูหู ซึ่งจะขยายแรงดันเสียงที่รูหูประมาณ 12 dB และเกิดการสะท้อนทุติยภูมิอีกใกล้ ๆ ความถี่ 9000 Hz

หูชั้นกลาง

หูชั้นกลางจะทำหน้าที่ ถ่ายโอนพลังงานที่สั่นจากไดอะแฟรมแก้วหู ไปยังของเหลวในหูชั้นในให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด เปรียบเสมือนส่งพลังงานเสียงจากตัวกลางที่เบาบาง อย่างเช่น อากาศ ไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูง เช่นน้ำ จึงเรียกได้ว่าเป็นกระบวนการที่ท้าทาย เพราะค่าความต้านทานอากาศ และน้ำจะมีความต่างกัน ถึง 4000:1 เปรียบเสมือนเรากำลังจะขับลำโพงขนาด 1 โอห์ม ด้วยเพาเวอร์แอมป์ขนาด 4000 โอห์ม ถ้าไม่มีหูชั้นกลาง ผลลัพธ์ที่ได้ต้องออกมาแย่อย่างไร้ที่ติ

ปัญหานี้แก้ได้ด้วยหูชั้นกลาง ด้วยกระดูกทั้ง 3 ชิ้น ทำให้เกิดการเชื่อมโยงทางกายภาพระหว่างแก้วหู กับช่องรูปไข่ที่สัมผัสกับของเหลวในหูชั้นใน

ซึ่งพื้นที่ของแก้วหูมีขนาดที่ 80 ตารางมิลลิเมตร แต่ช่องรูปไข่มีขนาด 3 ตารางมิลลิเมตร ดังนั้นแรงบนแก้วหูจะลดลงตามอัตราส่วน 80/3 หรือประมาณ 27 / 1

หูชั้นกลางเปรียบเสมือนลูกสูบสองลูกสูบ ที่มีอัตราส่วนต่อพื่นที่ 27:1 เชื่อมต่อด้วยก้านสูบแบบข้อต่อขนาด 1.3-3.1:1 เกิดแรงกลเพิ่มขึ้น 35 ถึง 80 เท่า

อัตราส่วนความต้านทางระหว่างอากาศกับน้ำที่มีอัตราส่วน 4000:1 อัตราส่วนแรงดันที่ต้องการเพื่อให้ตรงกับตัวกลางทั้ง 2 จาก Pa = √I . Z จะได้เป็น √4000 หรือ 63.2

ซึ่งจากกลไกลของหูชั้นกลางทำให้เกิดแรงดันเพิ่มขึ้น 35 ถึง 80 เท่า ซึ่งเพียงพอต่อประสิทธิภาพของการถ่ายเทพลังงาน

หูชั้นใน

คอเคลีย (Cochlea) เป็นอวัยวะที่ใช้วิเคาระห์เสียง มีขนาดประมาณถั่ว หุ้มด้วยกระดูกแข็ง ขดเป็นเกลียวคล้ายหอย

การสั่นสะเทือนของแก้วหูกระตุ้นการทำงานของกระดูกที่หูชั้นกลาง Stapes ที่เชื่อมติดกับหน้าต่างรูปไข่ (Oval window) ที่หูชั้นใน ทำให้ของเหลวในคอเคลียไหลจากหน้าต่างรูปไข่ ไปที่ส่วนปลายของคอเคลีย ตาม Vestibular canal แล้ววนกลับมาทาง tympanic canal มายังหน้าต่างรูปกลม (Round Window)

เมื่อคลื่นดันของเหลวไปตาม Vestibular canal จะกด cochlear duct ทำให้ basilar membrane และเซลล์ขน (Hair Bundle) สั่นขึ้นลง จนไปชนกับเยื่อ Tectorial membrane ที่อยู่ด้านบน ทำให้ขนโค้งไปมา เซลล์ขนจะตอบสนองต่อการโค้งของขน ทำให้เกิดกระแสประสาทส่งไปยังสมอง เสียงความถี่ต่ำ จะส่งผลให้เกิดแอมพลิจูดสูงสุดใกล้กับปลายสุดของ basilar membrane เสียงความถี่สูงจะเกิด Peak ใกล้กับหน้าต่างวงรีรูปไข่

สรุป การได้ยินเสียง

จะเห็นได้ว่า การทำงานของหู เป็นเรื่องที่มีกระบวนการ ซับซ้อนเป็นอย่างมาก บทความต่อจากนี้จะยังเป็นเรื่องเดียวกัน แต่จะเน้นที่ความน่าทึ่ง ในการรับรู้ถึงเสียงของหู สามารถอ่านต่อได้ที่ ความสามารถในการรับรู้ และแบ่งแยกเสียง