Para escuchar, su cuerpo debe recolectar señales acústicas del entorno (ondas de presión en el aire), canalizarlas a los lugares correctos, convertirlas en impulsos nerviosos, enviarlas al cerebro e interpretarlas correctamente en experiencias como el habla y la música. Y, al igual que con la visión, si alguna de esas partes funciona incorrectamente, o incluso con un poco menos de eficiencia, la audición se degrada gravemente o es imposible.
El oído humano puede detectar el sonido cuando el tímpano se desplaza tan solo una décima parte del diámetro de un solo átomo de hidrógeno. Sin embargo, también puede escuchar e interpretar correctamente sonidos con niveles de presión acústica que se acercan a los sonidos más fuertes producidos en la naturaleza (~1 kilopascal (kPa)).
Y puede hacer más que registrar sonidos de diferentes tonos y volúmenes. Desde una edad temprana, podías saber por el sonido de la voz de tu madre en cuántos problemas estabas y de qué dirección estaba llamando (para que supieras en qué dirección correr). Estas y otras características de la audición humana requieren, y por ahora esto no debería sorprender a los lectores, no solo una o dos soluciones de ingeniería inteligentes, sino un conjunto de soluciones ingeniosas sobre soluciones ingeniosas.
La siguiente figura ilustra las partes principales del sistema auditivo del cuerpo. Sus muchas partes trabajan juntas para recolectar ondas sonoras del entorno y transmitirlas con precisión y eficiencia a la cóclea, donde un subsistema llamado órgano de Corti las convierte en impulsos nerviosos y los envía al cerebro.
El oído se divide en tres regiones: el oído externo, el oído medio y el oído interno. Recorreremos estas partes en orden, es decir, siguiendo una onda de sonido a medida que se mueve desde el exterior del cuerpo hacia el interior, donde se convierte en información y, finalmente, en una experiencia.
El oído externo
El oído externo está formado por el pabellón auricular (oreja), el canal auditivo y la membrana timpánica (tímpano).
El pabellón auricular actúa como una antena parabólica, recolectando ondas sonoras y canalizándolas por el canal auditivo. Pero hace algo más que colectar. Las crestas y los pliegues del pabellón auricular reflejan y absorben ciertos componentes de frecuencia de las ondas de sonido entrantes. Dado que el pabellón auricular no es circularmente simétrico, los sonidos que provienen de diferentes direcciones tienen características acústicas ligeramente diferentes. Esto significa que ciertas frecuencias en un sonido serán un poco más suaves o más fuertes dependiendo de la dirección en que ingresen al oído. Esto le permite decir la dirección de donde proviene un sonido. Es por eso que instintivamente miramos hacia arriba cuando escuchamos un sonido que viene de arriba.
Para ayudar aún más con esto, tenemos dos oídos para sonido estéreo. Podemos detectar diferencias tan pequeñas como diez microsegundos en el tiempo de llegada del mismo sonido a cada oído. También podemos detectar diferencias sutiles en el volumen entre nuestros dos oídos. Junto con la forma de sonido de grano fino realizada por el oído externo, esto nos permite decir la dirección de un ruido y escuchar en tres dimensiones. Es decir, nuestras mentes pueden generar una comprensión tridimensional de lo que sucede a nuestro alrededor basándose únicamente en los sonidos.
Cierra los ojos y escucha atentamente los sonidos que escuchas. ¿Dónde están, tanto en la dirección (izquierda o derecha, de adelante hacia atrás, arriba o abajo) como a la distancia de usted? Si tiene buen oído y está acostumbrado a ejercitar esta habilidad, su audición debería ser informativa en este punto.
El canal auditivo es un tubo hueco de unos dos centímetros de largo. Forma un canal acústico entre el pabellón auricular y el tímpano. El canal auditivo puede no parecer interesante a primera vista, pero su longitud juega un papel crucial en la audición.
Al igual que un tubo en un órgano de tubos, el oído externo consiste en un tubo rígido abierto en un extremo y sellado en el otro. Las ondas entrantes rebotan en el extremo cerrado y crean ondas estacionarias en el tubo (canal auditivo). Esto amplifica los sonidos en o cerca de las frecuencias resonantes del tubo (interferencia constructiva) y amortigua los sonidos en otras frecuencias (interferencia destructiva). Esto aumenta la sensibilidad a frecuencias particulares mientras disminuye la amplitud de otras. Básicamente, ¡es un amplificador pasivo!
Para el oído humano, esta amplificación es más fuerte alrededor de los 3000 Hz. Si bien esto es más alto que las frecuencias centrales del habla humana, es exactamente el rango donde los elementos de percusión de las consonantes en el habla humana son más prominentes, y las consonantes son esenciales para distinguir los matices del habla humana.
El efecto neto es que el oído externo preprocesa las ondas de sonido entrantes para maximizar la sensibilidad a las frecuencias naturales del habla humana. Es decir, nuestros oídos están bien afinados para escuchar mejor en las mismas frecuencias que hablamos naturalmente.
El oído humano puede escuchar sonidos desde 20 Hz hasta alrededor de 20 000 Hz. El habla humana normal oscila entre 80 y 2500 Hz. La nota más baja de una tuba es de 16 Hz, la nota Do central de un piano es de 262 Hz y la nota más alta de una flauta es de 2093 Hz.
El tímpano (tímpano) es una membrana pequeña, de aproximadamente un centímetro de diámetro, en el extremo interno del canal auditivo. Es una pieza duradera de piel estirada firmemente a través de una abertura en el cráneo óseo. El tímpano vibra a la misma frecuencia que una onda de sonido entrante, lo que le permite transmitir con precisión y eficiencia los sonidos desde el exterior del cuerpo hacia el interior. Mientras tanto, mantiene una barrera que sella el delicado funcionamiento interno del oído de materias extrañas y bacterias.
El oído medio
El oído medio es una cámara cerrada llena de aire que comienza en la superficie interna del tímpano y termina en la cóclea.
El oído medio contiene los huesecillos, los tres huesos más pequeños del cuerpo. Estos son el martillo (martillo), el yunque (yunque) y el estribo (estribo). Se les dio estos nombres familiares porque se asemejan a esos objetos en forma. Juntos transmiten las vibraciones del tímpano al oído interno.
Para ello, se une el martillo al tímpano y al yunque, el yunque al martillo y al estribo, y el estribo al yunque y a la ventana oval de la cóclea, como se muestra en la figura siguiente.
Las ondas sonoras hacen vibrar el tímpano, que hace vibrar el martillo, que hace vibrar el yunque, que hace vibrar el estribo, que hace vibrar la ventana oval de la cóclea. Pero la clave para la audición es cómo estos huesos se moldean con precisión y se interconectan para modificar las vibraciones entrantes.
Curiosamente, estos huesos están completamente formados al nacer y no crecen a medida que crece todo el cuerpo que los rodea desde la infancia hasta la edad adulta. Estos son los únicos huesos del cuerpo con esta propiedad.
¿Cómo hace crecer el cuerpo todos sus otros huesos mientras evita que crezcan solo estos específicos? ¿Qué mecanismos y sistemas de control se necesitan? Hasta el momento, ni la ciencia médica ni la biología tienen respuestas, pero los ingenieros saben que tales cosas no suceden por accidente, por lo que parece que aún quedan muchos descubrimientos interesantes por hacer.
Problemas menos que obvios
Como era de esperar a estas alturas, hay algunos problemas menos que obvios con la audición que el cuerpo necesita resolver.
Primero, al igual que todas las células del cuerpo, las células del tejido que rodea el oído medio necesitan oxígeno para respirar. Dado que el oído medio está lleno de aire, estas células tienen acceso directo a un suministro listo. Pero irán absorbiendo gradualmente todo el aire disponible, provocando un efecto de vacío, lo que reduciría el movimiento del tímpano y perjudicaría la audición.
Sin una forma de reponer su suministro de aire, el oído perdería rápidamente la agudeza auditiva. Para resolver este problema, utiliza un pequeño tubo, llamado trompa de Eustaquio (auditivo), que conecta el oído medio con la parte posterior de la garganta. Cuando tragas o bostezas, este tubo se abre y permite que entre aire fresco en el oído medio. Esto iguala la presión de aire del oído medio con la presión fuera del cuerpo. Este tubo puede obstruirse, como durante un resfriado, impidiendo que el oído medio iguale la presión, lo que, como todos sabemos, degrada la audición y provoca dolores de oído.
Como segundo y más formidable problema, los sonidos que ingresan al cuerpo provienen del aire, pero la cóclea está llena de líquido. El fluido de la cóclea, como veremos, tiene un propósito vital, pero presenta un problema acústico espinoso para una audición precisa. Debido a que el aire es mucho menos denso que el líquido y mucho más comprimible, sin una ingeniería hábil, la mayor parte de la energía de la onda de sonido simplemente se reflejaría de regreso al canal auditivo. Una analogía aproximada sería arrojar una pelota de goma a la acera. La mayor parte de la energía de la pelota se refleja en el rebote de la pelota hacia el lanzador. Muy poco se transmite a la acera.
Entonces, para una audición adecuada, el cuerpo necesita amplificar la señal entre el tímpano y la cóclea. La mejor manera de hacerlo es con un sistema de palanca. Dado que el martillo está unido al tímpano y el estribo a la cóclea, esto deja al hueso medio, el yunque, para que sirva como palanca. Pero no vale cualquier palanca. Solo una configuración muy específica de esa palanca traducirá adecuadamente las ondas de presión en el aire en ondas de presión correspondientes en el fluido.
Transformación de impedancia
El oído medio debe proporcionar una ventaja mecánica para unir con precisión las diferentes densidades de aire y fluido, y hacerlo con una pérdida mínima de volumen o tonalidad. Los ingenieros mecánicos llaman a esto transformación de impedancia, un problema difícil de superar incluso en un sistema simple.
La solución del oído involucra las formas y configuraciones precisas de los tres huesos del oído medio. El martillo tiene una superficie mayor que el estribo. Además, los dos brazos de la palanca del yunque tienen diferentes longitudes. Cada uno proporciona una ventaja mecánica. Las ondas de presión que golpean el área grande del tímpano se concentran en el área más pequeña del estribo, de modo que la fuerza del estribo vibratorio es casi quince veces mayor que la del tímpano. Esto hace posible escuchar incluso los sonidos más débiles.
Estos huesos solo pueden hacer su trabajo de manera efectiva cuando están rodeados de aire. Si estuvieran sumergidos en un fluido, la viscosidad del fluido degradaría sus propiedades mecánicas. Esto impulsa la necesidad de un suministro de aire al oído medio.
Los tres huesos del oído medio y la forma en que se mantienen en su lugar mediante varios tendones actúan como un mecanismo de cuatro barras. La configuración específica en el oído se llama balancín de doble manivela. Los ingenieros utilizan mecanismos de cuatro barras para afinar las relaciones mecánicas en sistemas en los que se necesita precisión y sofisticación exactas, como sin duda lo son en el oído medio. Para lograr la ventaja mecánica necesaria, las formas de las piezas y las posiciones de los diversos puntos de bisagra deben ajustarse con precisión, con poco margen de error.
Entonces, la audición depende de la configuración precisa de estos tres pequeños huesos, con sus formas muy específicas que son esenciales para sus propósitos. En ninguna parte vemos esto más claramente que en los huesos del oído medio.
Artículo originalmente publicado en inglés por Howard Glicksman y Steve Laufmann en Evolution News & Science Today
