Vì sao hai tai định hướng được âm thanh đến từ đâu

Hai tai định hướng được âm thanh vì tiếng từ một bên tới tai gần sớm hơn và to hơn tai xa một chút. Não so hai khác biệt rất nhỏ đó, chênh lệch thời gian tối đa chỉ khoảng 0,6–0,7 phần nghìn giây, để tính ra tiếng đến từ trái hay phải. Còn để biết tiếng ở trên hay dưới, trước hay sau, não dựa vào cách vành tai "nhuộm màu" âm thanh và vào những cái nghiêng đầu rất khẽ.

Hai tai cách nhau một cái đầu: manh mối thời gian

Hai tai người cách nhau khoảng chiều rộng của đầu, cỡ 18–20 cm. Âm thanh đi trong không khí khoảng 343 m mỗi giây. Khi tiếng đến thẳng từ bên phải, nó chạm tai phải trước, rồi phải vòng qua đầu mới tới tai trái. Chênh lệch tối đa vào khoảng 0,6–0,7 phần nghìn giây.

Con số đó ngắn đến khó tưởng tượng, vậy mà não người còn nhận ra được những chênh lệch nhỏ hơn rất nhiều, chỉ khoảng 10–20 phần triệu giây với tiếng phía trước mặt. Nhờ vậy, khi nguồn âm lệch chỉ khoảng một hai độ khỏi chính giữa, người có thính lực bình thường đã thấy tiếng hơi dịch sang một bên.

Não so thời gian ở đâu

Việc so sánh diễn ra ở thân não, từ rất sớm, trước cả khi tín hiệu lên tới vỏ não. Năm 1948, nhà tâm lý học người Mỹ Lloyd Jeffress đề xuất một mô hình nổi tiếng: tín hiệu từ hai tai đi ngược chiều nhau dọc một dãy tế bào thần kinh, như hai người đi từ hai đầu một cây cầu; tế bào nào nhận được hai tín hiệu cùng lúc sẽ "báo" vị trí nguồn âm. Cách bộ não người và các loài thú thực sự làm có phức tạp hơn mô hình này, nhưng ý tưởng so thời gian ở thân não thì đã được xác nhận.

Đầu che bớt tiếng: manh mối độ to

Manh mối thứ hai là độ to. Cái đầu là một vật cản. Tiếng từ bên phải tới tai trái phải đi qua "bóng" của đầu, nên bị nhỏ đi. Nhưng hiệu ứng này phụ thuộc mạnh vào cao độ:

• Tiếng bổng có bước sóng ngắn hơn bề rộng đầu (ví dụ ở khoảng 3.000 Hz, bước sóng chỉ khoảng 11 cm), bị đầu chặn rõ rệt. Chênh lệch độ to giữa hai tai có thể tới hàng chục decibel.
• Tiếng trầm có bước sóng dài hơn đầu nhiều (ở khoảng 200 Hz, bước sóng gần 1,7 m), dễ dàng vòng qua đầu. Hai tai nghe to gần như nhau.

Năm 1907, nhà vật lý người Anh Lord Rayleigh kết hợp hai manh mối thành "thuyết song công": với tiếng trầm, não chủ yếu dựa vào chênh lệch thời gian; với tiếng bổng, chủ yếu dựa vào chênh lệch độ to. Ở dải giữa, khoảng 1.500–3.000 Hz, cả hai manh mối đều kém, và thí nghiệm cho thấy người ta định hướng kém nhất ở dải này.

Nón nhầm lẫn: khi hai tai không đủ

Hai manh mối thời gian và độ to chỉ trả lời "lệch trái bao nhiêu, lệch phải bao nhiêu". Một tiếng ở phía trước lệch trái 30 độ và một tiếng ở phía sau lệch trái 30 độ tạo ra chênh lệch gần như y hệt. Cũng vậy với tiếng ở trên cao và dưới thấp cùng một phía. Tập hợp các điểm "giống nhau" đó tạo thành một hình nón quanh trục hai tai, các nhà khoa học gọi là nón nhầm lẫn.

Đó là lý do có lúc nghe điện thoại reo mà không biết nó ở trước hay sau lưng, phải quay người tìm. Muốn thoát khỏi nón nhầm lẫn, não cần thêm hai manh mối nữa.

Vành tai: dấu vân tay riêng của mỗi người

Các nếp gấp của vành tai làm tiếng dội lại một chút trước khi vào ống tai. Tiếng từ phía trên, phía trước, phía sau dội vào những nếp khác nhau, nên một vài dải tần cao bị tăng hoặc bị khoét đi theo kiểu riêng cho từng hướng. Não học thuộc những "vết lõm" này để đoán độ cao và phân biệt trước – sau.

Vì manh mối này cần dải tần cao, tiếng trầm và đều (như tiếng ù của máy) rất khó đoán độ cao. Ngược lại, tiếng lách cách, tiếng xé giấy, tiếng chim hót nhiều thành phần cao thì dễ định vị hơn.

Thí nghiệm "đổi tai"

Năm 1998, nhóm nghiên cứu của Paul Hofman và John Van Opstal ở Hà Lan nhét những miếng khuôn nhỏ vào hốc vành tai của người tham gia, làm thay đổi hình dạng tai. Ngay lập tức, họ mất khả năng đoán độ cao của tiếng, dù vẫn đoán trái – phải tốt. Đeo liên tục vài tuần, não học lại "tai mới" và khả năng đoán độ cao hồi phục dần. Khi tháo khuôn ra, họ vẫn dùng được tai cũ ngay. Thí nghiệm cho thấy định hướng âm thanh là thứ được học, và bộ não giữ được nhiều "bản đồ" cùng lúc.

Điều này cũng giải thích một trải nghiệm quen: âm thanh thu bằng micro rồi phát qua tai nghe thường nghe như nằm "trong đầu", vì nó thiếu dấu vết của chính vành tai mình. Các kỹ thuật âm thanh 3D tìm cách giả lập lại dấu vết ấy.

Nghiêng đầu khẽ: cách gỡ rối tự nhiên nhất

Khi không chắc tiếng ở trước hay sau, phản xạ tự nhiên là xoay đầu. Nếu xoay đầu sang trái mà tiếng dịch sang phải tai, nó ở phía trước; nếu tiếng cũng dịch theo chiều ngược lại, nó ở phía sau. Não làm phép tính đó gần như tức thì. Đa số người không để ý mình liên tục có những cử động đầu rất nhỏ khi lắng nghe.

Trẻ sơ sinh chỉ vài ngày tuổi đã biết quay đầu chậm về phía tiếng động, dù còn vụng về. Khả năng định hướng chính xác tiếp tục hoàn thiện trong những năm đầu đời, khi đầu lớn dần và não liên tục "chỉnh lại" bản đồ.

Tiếng đầu tiên thắng

Trong một căn phòng, tiếng từ người nói dội vào tường, trần, sàn rồi tới tai bằng nhiều đường. Vậy sao ta không nghe giọng họ đến từ khắp nơi? Vì não ưu tiên tiếng tới đầu tiên và gán hướng theo nó, các tiếng dội đến sau vài phần nghìn giây được "gộp" vào mà không đổi hướng. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng ưu tiên, được dùng khi bố trí loa ở hội trường để khán giả nghe tiếng như phát ra từ sân khấu.

Khi một tai nghe kém

Người nghe kém hoặc mất nghe ở một bên tai thường kể những khó khăn rất cụ thể:

• Nghe điện thoại reo, nghe ai gọi tên mà không biết ở hướng nào.
• Khó nghe người ngồi phía tai kém, nhất là ở chỗ ồn, vì đầu che mất phần tiếng cao.
• Băng qua đường, đạp xe phải nhìn nhiều hơn vì không đoán được xe đến từ đâu.

Mẹo nhỏ cho người xung quanh: ngồi hoặc đi phía tai nghe tốt của người đó, gọi tên trước khi nói. Với chính người nghe kém một bên: chọn chỗ ngồi để tai tốt hướng về phía người nói, hạn chế quay lưng lại dòng xe.

Ngay cả khi hai tai nghe tốt, ở chỗ rất ồn hoặc khi đeo tai nghe kín cả hai bên, khả năng định hướng cũng giảm mạnh. Đi bộ, đạp xe trên đường mà đeo tai nghe kín là tự bỏ đi một giác quan báo động quan trọng.

Khi nào cần đi khám

• Bỗng dưng nghe kém một bên tai: đi khám tai mũi họng ngay, càng sớm càng tốt.
• Thường xuyên không xác định được tiếng gọi từ đâu, trong khi trước đây vẫn bình thường.
• Ù tai một bên kéo dài, hoặc ù tai kèm chóng mặt.
• Đau tai, chảy dịch, mủ, máu ở tai; sốt kèm đau tai.
• Trẻ không quay đầu về phía tiếng gọi, không giật mình với tiếng động lớn: đưa trẻ khám bác sĩ nhi hoặc tai mũi họng nhi.