E3 Mittelohr: Impedanzübertragung und -transformation

Thema

Der auf das Trommelfell einwirkende Schalldruck, das bereits durch die Ohrmuschel und den äußeren Gehörgang geformt ist, versetzt das Trommelfell in Schwingung. Die resultierende Kraft hängt davon ab, wie viel Schalldruck auf das Trommelfell einwirkt und wie groß die Fläche ist, die dabei schwingt. Diese Gesamtkraft, die von der großen Oberfläche des Trommelfells aufgenommen wird, wird dann auf die viel kleinere Oberfläche des ovalen Fensters übertragen. Dort drückt der Steigbügel, das letzte der drei Gehörknöchelchen, direkt auf die Perilymphe der Cochlea. Die Konzentration derselben Gesamtkraft auf eine viel kleinere Fläche erhöht den von ihr ausgeübten Druck, ähnlich wie der Druck eines Fingers auf eine kleine Fläche größer ist als der Druck mit derselben Kraft auf eine große Fläche.

Dieselbe Gesamtkraft, die von der großen Oberfläche des Trommelfells aufgenommen wird, wird dann auf die viel kleinere Oberfläche des ovalen Fensters übertragen, wo der Steigbügel, das letzte der drei Gehörknöchelchen der Gehörknöchelchenkette, direkt auf die Perilymphe der Cochlea drückt. Zusätzlich zum Unterschied in der Oberfläche zwischen Trommelfell und ovalem Fenster trägt die Gehörknöchelchenkette selbst aufgrund ihrer Hebelwirkung zu einer weiteren Druckverstärkung bei: Der Hammer, das erste Gehörknöchelchen, hat einen längeren Hebelarm als der Amboss, das zweite Gehörknöchelchen, mit dem er artikuliert. Wenn ein längerer Hebelarm einen kürzeren Hebelarm über dieses Gelenk drückt, bewegt sich der kürzere Hebelarm mit geringerer Amplitude, aber mit größerer Kraft als der längere Hebelarm. Somit überträgt die Gehörknöchelchenkette eine größere Kraft auf den Steigbügel, als der Hammer sie vom Trommelfell erhalten hat.

Der Druckgewinn, der durch den Oberflächenunterschied zwischen Trommelfell und ovalem Fenster entsteht, und der Druckgewinn durch die Hebelwirkung der Gehörknöchelchenkette addieren sich nicht einfach, sondern multiplizieren sich, da jeder auf das bereits vom vorherigen erzeugte Ergebnis einwirkt: Die Gehörknöchelchenkette verstärkt die bereits vom Trommelfell konzentrierte Kraft, die auf den Hammer übertragen wird. Zusammen ermöglichen diese beiden Verstärkungen dem Mittelohr, einen Druck von etwa 30 Dezibel mehr auf die Perilymphe der Cochlea zu übertragen als den ursprünglichen Schalldruck, der auf das Trommelfell traf. Genau diese Verstärkung ermöglicht es dem Mittelohr, die viel niedrigere Impedanz der Luft an die viel höhere Impedanz der Perilymphe der Cochlea anzupassen, ohne dass der größte Teil des Schalldrucks durch Reflexion an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien verloren geht.

Die Verstärkung von etwa 30 Dezibel, die das Mittelohr erzielt, ist nicht bei allen Frequenzen gleich stark: Das Verhältnis zwischen dem auf das Trommelfell einwirkenden Schalldruck und dem schließlich in der Cochlea befindlichen Perilymphe ankommenden Schalldruck ändert sich mit der Frequenz. Dieses frequenzabhängige Verhältnis wird als Mittelohr-Übertragungsfunktion bezeichnet. Die Mittelohr-Übertragungsfunktion hängt von der Masse und Steifigkeit des Trommelfells und der Gehörknöchelchenkette ab, die auf manche Frequenzen stärker reagieren als auf andere, ähnlich wie der äußere Gehörgang aufgrund seiner Form manche Frequenzen stärker verstärkt als andere.

Mithilfe der Verstärkung durch die unterschiedliche Oberfläche zwischen Trommelfell und ovalem Fenster, der Verstärkung durch die hebelartige Form der Gehörknöchelchenkette und der frequenzabhängigen Übertragungsfunktion des Mittelohrs ermöglicht dieses Modell die Berechnung des schließlich in der Cochlea befindlichen Perilymphe ankommenden Schalldrucks aus dem ursprünglich auf das Trommelfell einwirkenden Schalldruck für jede beliebige Schallfrequenz. Auf diese Weise hört das mechanische Hebelmodell des Trommelfells und der Gehörknöchelchenkette, mit dem diese Beschreibung beginnt, auf, lediglich eine qualitative Erklärung dafür zu sein, warum das Mittelohr die Impedanz der Luft mit der Impedanz der Cochlea-Perilymphe koppelt, und wird zu einem Werkzeug, das in der Lage ist, für jede Frequenz zu simulieren, wie viel übertragener Druck die Cochlea-Perilymphe tatsächlich empfängt.

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