Die Aufgabe des Mittelohres ist die Übertragung der Schwingungen des Trommelfells auf die Flüssigkeitsschwingungen im Innenohr. Im Hinblick auf diese Aufgabe werden dem Mittelohr meist drei Funktionen zugebilligt.

Impendanzanpassung

Impendanz ist der Widerstand, den ein Medium dem Schall entgegen setzt.
Die Impendanz gibt das Verhältnis Schalldruck/Schallschnelle an. Der Grad des Widerstandes bestimmt sich durch die Eigenschaften des Mediums.

Für uns wichtig sind die Werte der Schallimpendanz von Luft (Z₀=408 Ns/m³); Wasser (Z₀=1.440.000 Ns/m³) und von festem Knochen (Z₀=6.100.000 Ns/m³)

Dies zeigt, dass bei der Schallausbreitung in Flüssigkeiten und festen Körpern höhere Schalldrücke bei geringeren Schallschnellen auftreten. Also werden die schwingenden Teilchen durch den Schall wesentlich geringer aus ihrer Ruhelage ausgelenkt, als bei Gasen.
Soll der Schall von einem gasförmigen Medium (Luft) mit geringer Impendanz auf ein flüssiges Medium (wasserähnliche Innenohrflüssigkeit) übertragen werden, müssen die weiten Auslenkungen der Gasmoleküle auf die geringere Auslenkungsmöglichkeit der flüssigen und festen Stoffe angepasst werden. Die gelingt durch eine Erhöhung des Druckes im Mittelohr, da sonst die schnell fliegenden Gasteilchen an der Grenzschicht abprallen und der Schall somit reflektiert wird.

Reflexionsgrad p = (Z₀₂ - Z₀₁)² : (Z₀₂ + Z₀₁)².

α=1-p=1-0,998867=0,001133

Beim Übergang von Luft in Wasser (und auch umgekehrt) werden also nur etwa ein Tausendsel der Schallintensität übertragen, d.h. 99,9% der Energie wird reflektiert. für den Absorbtionsgrad kann man einen Dezibelwert berechnen:

R= 10 ⋅ log α= -29,46 dB

Soll das Schallsignal von Luft auf die im Innenohr befindliche Flüssigkeit verlustfrei übertragen werden, muss der Schalldruck um mind. 30 dB angehoben werden. Die geschieht durch zwei, bzw. drei Effekte im Mittelohr.

1. Änderung des Flächenverhältnisses

   Der Luftschall tritt auf den ca. 55 mm² großen schwingfähigen Teil des Trommelfells auf und bewegt ihn. Am Ende der Gehörknöchelchenkette drückt die nur 3,2 mm² große Fußplatte des Steigbügels in das ovale Fenster. Die Kraft F mit der wir auf eine Seite (das Trommelfell) drücken bleibt bis zum Steigbügel konstant, nur die Fläche auf die die Kraft einwirkt erhöht sich. Es gilt:
   F= p_d ⋅ A_d = p_s ⋅ A_s= const.
   Die bdeutet aber:
   p_s= (A_d:A_s) ⋅ p_d= 17 ⋅ p_d
   Der zugehörige Pegel P läßt sich mit mit der Formel für Schalldruckverhältnisse berechnen:
   P= 20 ⋅ log (p_s:p_d)= 24,6 dB
   Die Änderung der Flächenverhältnisse ergibt also eine Erhöhung der Intensität von 24,6 dB.

2. Hebelwirkung der Gehörknöchelchen

   Die Gehörknöchelchenkette wirkt als Hebelsystem, wobei die Kräfte am langen Hammer mit dem Amboss als Hebel auf den kleinen Steigbügel übertragen werden. Es gilt:
   F₁ ⋅ L₂ = F₂ ⋅ L₂
   Das Hebelverhältnis an den Gehörknöchelchen st etwa 1:1,3. Dies ergibt einen Schalldruckpegel von
   P= 20 ⋅ log (p₁:p₂)= 2,27 dB
   Durch die Änderung der Flächenverhältnisse und die Hebelwirkung zusammen ergibt sich eine Verstärkung von 26,87 dB, was den Verlust durch die Impendanzanpassung nahezu ausgleicht.

3. Hebelwirkung des Trommelfells

   Laut Helmholtz (1877) gibt es noch einen weiteren Verstärkungseffekt des Mittelohres. Die Kraft F der Luftmoleküle wird aufgrund der konischen Struktur des Trommelfells in eine stärkere Kraft H umgewandelt.
   Nachdem v. Békésy 1941 zeigen konnte, dass sich das Trommelfell nicht wie ein Zylinder, sondern wie eine Tür bewegt findet sich dieser Verstärkungseffekt in den meisten modernen Beschreibungen des Hörvorgangs nicht mehr.

Akustischer Reflex

Bei hohen Schallenergien von über 85 dB bis 90 dB tritt beidseitig eine reflexartige Kontraktion des M. stapedius auf. Dabei wird die Steigbügelplatte leicht verkantet und drückt nicht mehr so stark gegen das ovale Fenster, welches zu einer Pegelreduktion von etwa 10 dB führt.
Bei noch höheren Schallpegeln verursacht die reflektorisch ausgelöste Kontraktion des M. tensor tympani ebenfalls eine Pegelreduktion. Die Kontraktion zieht das Trommelfell weiter einwärts, wodurch es noch konkaver wird.
Für beide Muskelaktivitäten zusammen, wurde eine Pegelreduktion von bis zu 30 dB bei tiefen Frequenzen gemessen.
Es finden sich mehrere Theorien darüber, warum dieser Reflex ausgelöst wird.

1. Am naheliegensten ist die Theorie eines Schutzreflexes des Innenohres vor zu hohen Schallintensitäten und somit vor Schädigungen. Da der Reflex aber mit einer Verzögerung von 10 bis 30 ms ausgelöst wird, und das Innenohr somit in der Zeit der vollen Energie des Knalls ausgesetzt ist, ist die Schutztheorie umstritten.

2. Entwicklungspsychologen halten diesem Gegenargument jedoch dagegen, dass in der vorindustriellen Zeit laute und plötzliche Knallereignisse eher selten waren und der Reflex somit im Rahmen der Evolution als Schutzmechanismus entstanden sei.

3. Da der Reflex unmittelbar vor dem Einsetzen des Stimmtons ausgelöst wird, könnte er eine Schutzfunktion des Ohres vor dem selbst erzeugten Körperschall beim Sprechen sein.

4. Bei hohen Schallintensitäten kommt es zu einer zunehmenden Verdeckung der mittleren und hohen Frequenzanteile, durch die tieffrequenten Frequenzanteile im Signal, wodurch das Signal dumpfer kingt. Die Pegelreduktion des Mittelohrreflexes wirkt nur bis Frequenzen von ca. 1000 Hz. Deshalb ist ein weiterer Erklärungsansatz die Reduktion des Maskierungseffektes bei hohen Schallintensitäten.

Druckausgleich im Mittelohr

Die dritte Funktion des Mittelohres besteht in der Aufrechterhaltung des optimalen Schwingverhaltens des Trommelfells.
Durch veränderten Druck außerhalb des Sprecherkopfes, z.B. Wetter, schnelle Überwindung von Höhenunterschieden, wird das Trommelfell in eine veränderte Ruhelage gebracht und somit auch die Schwingungsverhältnisse geändert.
Über die Ohrtrompete kann ein Luftdruckausgleich stattfinden. Beim Schlucken und Gähnen öffnet sie sich, so dass Luft aus dem Rachen in das Mittelohr ein- und ausströmen kann. So stellt sich auf beiden Seiten des Trommelfells wieder der gleich Luftdruck ein.

Z U R Ü C K

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