Far-field ljud, near-field ljud och överföringen till örat

Jag förstår inte helt skillnaden mellan near-field ljud och far-field ljud (förutom att det ena är nära ljudkällan och det andra längre ifrån). Near-field ljud beskrivs som "oscillating flow" med hög amplitud (tryck eller displacement?) och far-field ljud som "oscillating pressure". Vidare verkar near-field ljud vara "circulating" medan far-field är propagerande. Jag fattar att propagerande betyder att vågen sprider sig vidare, medan circulating är att det bara går fram och tillbaka, men jag förstår ej kopplingen här; för i en propagerande ljudvåg så rör ju sig molekylerna bara fram och tillbaka? Så avgör om den propagerar eller om den bara går fram och tillbaka (och vad är skillnaden på oscillating pressure vs oscillating flow). Jag är inte duktig på fysik, så jag förstå inte skillnaden eftersom trycket ju uppstår pga rörelserna (flow) av molekyler?

Vidare, som jag förstått det, så kan inte ljudreceptorerna i örat fånga upp ljudvågorna direkt eftersom att ljudvågornas våglängd är större än receptorerna, så receptorerna kommer inte att vibrera. Så istället behöver man använda en "reference chamber" som omvandlar "the pressure oscillation of the outside sound" till "oscillating influx of air". Denna reference chamber verkar vara mellanörat, och det verkar ju enligt beskrivningen som att det som händer är att far-field ljud omvandlas till near-field ljud, som verkar då lättare kunna tas upp av mindre strukturer (trumhinnan). För därefter sker ju också amplifiering av ljudet från trumhinnan till ovala fönstret, för att ovala fönstret är mindre än trumhinnan? Jag förstår inte varför det blir en amplifiering när ljudvågen överförs till en mindre area här, men hårcellerna kunde inte själva detektera ljudvågor direkt pga för små? Beror amplifieringen mellan trumhinna och ovala fönstret på att det istället handlar om near-field ljud istället för far-field (som det hade varit om hårcellerna själva skulle detektera ljudet utan mellanörat)? Eller pga att vågen överförs med hörselbenen? Eller vad är skillnaden?

Hej! Jag kan tyvärr inte så mycket om den exakta karaktären på near/far-field ljud men däremot kan jag örats anatomi rätt okej. Jag ska försöka hjälpa dig så bra jag kan.

Hårcellerna (mechanoreceptors) i innerörat kan inte själva uppfatta ljudvågornas våglängd eftersom de oftast är mycket större än dem själva - därför behövs det en mekanism som kan omvandla de luftburna ljudvågorna till mekaniska vibrationer. Mellanörat fungerar här som en "reference chamber" som man också kan likna vid en adapter mellan ytter- och innerörat.

Luftburna ljudvågor träffar trumhinnan (tympanic membrane) som fungerar som en mottagande yta. Trumhinnan vibrerar i takt med ljudvågorna och överför dessa vibrationer till ossiklarna (hörselbenen) som är städet (incus), hammaren (malleus) och stigbygeln (stapes). Redan här blir de luftburna ljudvågorna till mekaniska vibrationer.
Hörselbenen fungerar som en hävstång och amplifierar vibrationerna. Detta gör de delvis mha hävstångseffekten men också pga att ovala fönstret är mycket mindre än trumhinnan (det blir mer tryck/ytenhet enligt $P = \frac{F}{A}$ . Då kraften (F) är i stort sett konstant (sker viss förlust genom friktion men man bortser från det) men arean (A) blir mindre så måste trycket (P) att öka → vibrationerna amplifieras. Kan vara lättare att titta på formeln såhär istället:

$F = P x A F_{1} = F_{2} \Leftrightarrow P_{1} x A_{T r u m} = P_{2} x {A_{O v a l}}_{}$

Rent matematiskt - Produkten av trycket och arean, dvs kraften, är konstant både innan och efter hörselbenen. När den ena termen i multiplikationen, i detta fallet arean, minskar (ovala fönstret är mindre) måste den andra termen öka, dvs trycket, för att kompensera, då produkten ska vara konstant.)

Anledningen till att ljudvågorna behöver amplifieras är för att innerörat (cochlea) är vätskefyllt - eftersom vätska har en högre densitet än luft försvagas vibrationerna när de når vätskan och måste därför amplifieras innan.
Det är inte så att ljudet omvandlas från far-field till near-field när det når trumhinnan utan det handlar snarare om att luftburna ljudvågor måste omvandlas till mekaniska vibrationer som hårcellerna kan känna av. Hårcellerna i cochlea är speciellt utformade för att kunna känna av den typen av vibrationer. Innerörat är en komplex struktur som består av tre kanaler med membran som skiljer dem åt.

Scala Vestibuli (kanal 1) - vibrationerna överförs från ovala fönstret till vätskan i den första kanalen - Scala Vestibuli. Det är separerad från Scala Media (kanal 2) via vestibularmembranet.
När vibrationerna rör sig genom vätskan i Scala Vestibuli når det tillslut vestibularmembranet som de slår mot. Detta gör att vibrationerna överförs till vätskan i Scala Media.
Vibrationerna rör sig genom Scala Media tills de når basilarmembranet - som separerar Scala Media från Scala Tympani (kanal 3). Detta är det viktiga membranet för hörseln!
På basilarmembranet sitter Organ of Corti och på det finns hårcellerna. Stereocilia (vet inte vad det svenska namnet är) på hårcellerna är fästa i ett ytterligare membran som heter tektorialmembranet och som sitter ovanför Organ of Corti. När basilarmembranet vibrerar gör detta att hårcellerna böjs. Då basilarmembranet och tektorialmembranet kommer närmare varandra. Tänk dig att du håller ett snöre i båda händerna och sedan för händerna närmare varandra, då kommer snöret att böjas pga det minskade avståndet.
När hårcellerna böjs stimulerar det en aktionspotential etc etc.
Vibrationerna överförs till Scala Tympani och lämnar sedan örat via runda fönstret.

Det var kanske en lång förklaring av innerörat men det hjälpte mig att förstå när jag pluggade detta. Poängen med strukturerna innan ovala fönstret är helt enkelt att göra om luftburna ljudvågor (av vilken karaktär som helst) till mekaniska vibrationer. Eftersom hörseln bygger på att basilarmembranet vibrerar och gör att hårcellerna böjs. Det hade ju inte funkat om det var luftburna ljudvågor! Både pga mekaniken men också på grund av storleken på ljudvågorna i relation till hårcellerna.

Svara