เรียนรู้เรื่องกล่องเสียง ส่วนประกอบของหู เสียงและการสั่นสะเทือน เล่นกับสุญญากาศ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆมาครับ เด็กๆประถมต้นได้ดูคลิปการทำงานของเส้นเสียงในกล่องเสียงในคอ ได้ดูส่วนประกอบภายในของหูและคลื่นเสียงวิ่งเข้าไปในหู ทำให้เราได้ยินได้อย่างไร ได้เห็นการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลำโพง รู้จักเสียงสูงเสียงต่ำและความถี่เสียง เด็กประถมปลายได้ดูคลิปเส้นเสียง และดูการสั่นธรรมชาติในแบบต่างๆของแผ่นพลาสติกเมื่อสั่ นด้วยความถี่ต่างๆ โดยใช้เม็ดเกลือช่วยแสดงว่า ตรงไหนสั่นมาก ตรงไหนสั่นน้อยครับ เด็กๆอนุบาลสามได้ทดลองให้รู้สึกถึงแรงดันอากาศที่มีมากมหาศาลรอบๆตัวเราครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมต่างๆอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมคราวที่แล้วเรื่อง  “ดูภาพคลื่นเสียง คลื่นเสียงจากระเบิดอันตรายอย่างไร เบรคแม่เหล็ก” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

สำหรับเด็กประถมต้นผมให้เด็กๆเอามือจับคอแล้วพูดให้สังเกตว่ามือรู้สึกอย่างไรครับ เด็กๆบอกได้ว่ามือมันสั่นๆ ผมบอกว่าในคอเรามีกล่องเสียง (Larynx) ที่เป็นท่อล้อมรอบเส้นเสียง (Vocal Cords) ที่จะสั่นไปมาเวลาเราพูดหรือส่งเสียงต่างๆ เราต้องใช้อากาศจากปอดของเราพ่นให้ผ่านเส้นเสียงและสมองจะบังคับเส้นเสียงให้ขยับ ให้ตึงหรือหย่อน ทำให้เกิดการสั่นสะเทือน การสั่นสะเทือนนี้จะกระทบอากาศในคอทำให้อากาศสั่นสะเทือนด้วย อากาศสั่นสะเทือนเป็นทอดๆออกมาจากคอ ทำให้อากาศสะเทือนไปเรื่อยๆจนเข้ามาในหู ทำให้แก้วหูสะเทือนและส่งสัญญาณไปสมองของผู้ฟังทำให้ได้ยิน

ผมให้เด็กๆดูคลิปกล้องที่ส่องลงไปทางจมูกเพื่อดูเส้นเสียงขณะคนร้องเพลงครับ:

เด็กร้องยี้กันใหญ่เพราะมันน่าเกลียด แต่เราทุกคนก็เป็นอย่างนี้แหละครับ ต่อไปผมให้ดูอีกคลิปหนึ่งที่ส่องไฟกระพริบเร็วๆ (Stroboscope) ให้ใกล้กับความถี่การสั่นของเส้นเสียง จะได้เห็นการเคลื่อนที่เป็น slo-motion ครับ:

ในวิดีโอข้างบนเราจะเห็นว่าเวลาเราเปล่งเสียงตำ่เส้นเสียงจะหย่อนกว่าเวลาเราเปล่งเสียงสูง นอกจากนี้เส้นเสียงของผู้ชายมักจะใหญ่กว่าผู้หญิง จึงสั่นที่ความถี่ (ครั้งต่อวินาที) ต่ำกว่าของผู้หญิง เสียงผู้ชายจึงมักจะต่ำกว่าเสียงของผู้หญิงด้วยครับ

จากนั้นผมก็อธิบายขบวนการการได้ยินด้วยหูครับ ให้เด็กๆดูรูปหูแบบเป็นภาพตัดให้เห็นส่วนประกอบข้างในก่อน:

ภาพส่วนประกอบของหู จาก https://www.pinterest.com/explore/external-ear-anatomy/ ครับ
ภาพส่วนประกอบของหู จาก https://www.pinterest.com/explore/external-ear-anatomy/ ครับ

เราก็จะเห็นใบหู (pinna) รูหู (auditory canal หรือ ear canal) เยื่อแก้วหู (tympanic membrane) กระดูกสามชิ้น (ค้อน ทั่ง โกลน — hammer, anvil, stirrup) ท่อยูสเทเชียนที่ต่อหูส่วนกลางกับปาก (eustachian tube) โคเคลีย (cochea ที่เป็นรูปก้นหอย) และอุปกรณ์หลอดครึ่งวงกลมสำหรับการทรงตัว (semicircular canls)  ส่วนประกอบเหล่านี้แบ่งเป็นหูชั้นนอก (ใบหูถึงเยื่อแก้วหู) ชั้นกลาง (ในเยื่อแก้วหู กระดูกสามชิ้น และท่อยูสเทเชียน) และชั้นใน (โคเคลียและอุปกรณ์ทรงตัว)

ถึงตอนนี้ผมก็แทรกข้อมูลที่ว่าเวลาเราขึ้นที่สูงเช่นขึ้นลิฟท์ ขึ้นเขา หรือขึ้นเครื่องบิน ความดันอากาศภายนอกจะน้อยลง อากาศที่อยู่ในหูชั้นกลางมีความดันมากกว่า ทำให้เราหูอื้อ พอเราอ้าปาก หาว หรือเคี้ยวหมากฝรั่ง อากาศในหูก็จะสามารถออกมาทางปากผ่านทางท่อยูสเทเชียนได้ ทำให้เราหายหูอื้อ

ขบวนการฟังเสียงก็คือ ความสั่นสะเทือนวิ่งผ่านอากาศหรือตัวกลางอื่นๆเช่นพื้น วิ่งเข้ามาในรูหู ทำให้เยื่อแก้วหูสั่นตาม เยื่อแก้วหูติดกับกระดูกค้อนเลยทำให้กระดูกค้อนสั่น กระดูกค้อนอยู่ติดกับกระดูกทั่งเลยทำให้กระดูกทั่งสั่น กระดูกทั่งติดกับกระดูกโกลนเลยทำให้กระดูกโกลนสั่น กระดูกโกลนติดอยู่กับผนังของโคเคลียเลยทำให้ผนังของโคเคลียสั่น ในโคเคลียมีของเหลวอยู่เลยมีคลื่นในของเหลว คลื่นนี้ทำให้ขนของเซลล์การได้ยินขยับไปมา ทำให้เซลล์การได้ยินส่งสัญญาณไฟฟ้าไปที่สมอง แล้วสมองก็ตีความว่าได้ยินอะไร มีวิดีโอคลิปให้เด็กๆดูครับ (ภาพการทำงานเริ่มที่ประมาณ 3:00 นาทีครับ):

ส่วนอันนี้เป็นภาพขนของเซลล์การได้ยิน (Hair Cell) ในโคเคลียครับ:
ขนของเซลล์การได้ยิน จะสั่นไปมาเวลามีเสียงมากระทบหู
 ขนเหล่านี้มีจำนวนจำกัด ถ้าเราได้ยินเสียงดังมากๆ ขนอาจจะหักหรืองอได้ ทำให้เราหูตึงขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นเด็กๆควรจะระมัดระวังไม่ฟังเสียงดังมากๆเช่นเสียงประทัด เสียงเจาะถนน เสียงปืน เสียงเครื่องบินใกล้ๆ เพื่อรักษาหูไว้ให้อยู่ในสภาพดีๆไปนานๆ
 
สาเหตุที่เราฟังเสียงสูงได้น้อยลงไปเรื่อยๆเมื่ออายุมากขึ้นก็เพราะว่าเจ้าขนในโคเคลียสำหรับฟังเสียงสูงจะอยู่ใกล้ด้านนอกของหูที่สุดครับ มันจึงพังก่อนอันข้างในๆที่ฟังเสียงต่ำกว่า ทำให้คนที่ยิ่งมีอายุก็จะไม่ค่อยได้ยินเสียงสูงๆครับ
 

ต่อไปผมก็เอาลำโพงซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดเสียงอีกแบบมาให้เด็กๆสังเกตครับ

ลำโพงทำงานโดยมีแผ่นกระดาษหรือพลาสติกบางๆติดอยู่กับขดลวดที่ถูกล้อมรอบด้วยแม่เหล็ก เมื่อมีกระแสไฟฟ้าวิ่งเข้าขดลวดก็จะทำให้ขดลวดเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดการผลักและดูดกับแม่เหล็กทำให้ขดลวดและแผ่นกระดาษหรือพลาสติกบางๆขยับตัว ดันอากาศออกมาเป็นคลื่นเสียง ลำโพงเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นการเคลื่อนไหวที่ทำให้เกิดการสั่นของอากาศที่เป็นเสียงนั่นเอง

บน YouTube มีวิดีโออธิบายละเอียดครับ:

ส่วนไมโครโฟนเป็นอุปกรณ์ที่ทำงานในทางกลับกัน คือเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนการเคลื่อนไหวจากคลื่นเสียงให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในทางหลักการแล้วเราสามารถมองไมโครโฟนเป็นลำโพงที่เราไม่ได้ป้อนสัญญาณไฟฟ้าเข้าไป แต่มีคลื่นเสียงมากระทบแผ่นกระดาษด้านหน้าทำให้ขดลวดด้านหลังสั่น ขดลวดที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจะมีกระแสไฟฟ้าวิ่ง เราสามารถเอากระแสไฟฟ้าเหล่านั้นไปใช้ต่อได้ เช่นบันทึกว่าไมโครโฟนรับเสียงอะไรมาบ้าง

เด็กๆได้สังเกตการสั่นสะเทือนของลำโพงที่ความถี่ต่างๆ (ความถี่สร้างด้วยโปรแกรม Sonic by Von Bruno ครับ ) ถ้าเอาของเบาๆแบนๆเช่นถาดอลูมิเนียมบางๆไปขวางคลื่นเสียง ถาดจะสั่นตาม ถ้าความถี่คลื่นพอดีกับความถี่การสั่นธรรมชาติของถาด ถาดจะสั่นแรงมาก เพราะปรากฏการณ์ Resonance

คราวนี้เราทดลองเอาลูกปิงปองไปวางบนลำโพง ถ้าลำโพงสั่นด้วยความถี่พอเหมาะกับการกระเด้งและตกของลูกปิงปอง ลูกปิงปองก็จะกระเด็นได้สูงและแรงครับ

สำหรับเด็กประถมปลายผมให้สังเกตรูปแบบการสั่นตามความถี่ธรรมชาติ (Normal mode)  ของแผ่นพลาสติกครับ เมื่อเราเอาแผ่นพลาสติกบางๆไปวางใกล้ๆลำโพง แผ่นพลาสติกจะสั่นตามเพราะคลื่นความดันอากาศที่มากระทบ ถ้าความถี่ของคลื่นเท่าๆกับความถี่ธรรมชาติที่แผ่นพลาสติกสั่น แผ่นพลาสติก็จะสั่นแรง (เพราะปรากฏการณ์ Resonance) รูปแบบที่แต่ละส่วนของแผ่นพลาสติกสั่นก็ขึ้นกับว่าสั่นที่ความถี่ธรรมชาติไหนด้วย เราพยายามมองรูปแบบการสั่นด้วยการโรยเกลือลงไป ตรงไหนที่ไม่ค่อยสั่น เม็ดเกลือก็จะติดอยู่ ตรงไหนสั่นมาก เม็ดเกลือก็กระเด็นหายไป

สำหรับเด็กๆอนุบาลสาม ผมให้เล่นกับสุญญากาศกันครับ 

สำหรับความรู้เบื้องต้นเรื่องอากาศ ผมถามเด็กๆว่าเรารู้สึกว่าลมพัดไหม ลมคืออากาศที่เคลื่อนตัว เรารู้สึกได้เพราะอากาศมีตัวตน มีน้ำหนัก คือแถวๆพื้นโลกจะมีน้ำหนักประมาณหนึ่งกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (จริงๆประมาณ 1.275 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร  เมื่อเทียบกับน้ำจะพบว่าน้ำหนาแน่นกว่าอากาศประมาณ 800 เท่า คือน้ำจะมีน้ำหนักประมาณ 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร)

เราอยู่บนผิวโลก เราใช้อากาศหายใจ อากาศที่อยู่รอบๆโลกเรียกว่าชั้นบรรยากาศ (Earth Atmosphere) ชั้นบรรยากาศของโลกมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับโลก คือมีอากาศสูงขึ้นไปจากพื้นโลกเพียง 100-200 กิโลเมตรเท่านั้น เมื่อเทียบกับขนาดโลกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 13,000 กิโลเมตร ชั้นบรรยากาศจะหนาเพียงประมาณ 1% ของขนาดโลกเท่านั้น (ข้อมูลรายละเอียดอย่างนี้ไม่ได้บอกกับเด็กอนุบาลนะครับ แค่มาบันทึกไว้อ้างอิงเท่านั้น)

แม้ว่าชั้นบรรยากาศจะมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับโลก แต่มันใหญ่มากเมื่อเทียบกับตัวเรา น้ำหนักของอากาศที่กดทับลงมาแถวๆพื้นโลกเทียบได้กับน้ำหนักสิบตันต่อตารางเมตรเลยทีเดียว (เทียบได้กับน้ำหนักช้างสองตัวกดลงมาในพื้นที่หนึ่งตารางเมตร หรือประมาณ 1 กิโลกรัมต่อตารางเซ็นติเมตร)

จากนั้นผมก็ให้เด็กๆเล่นกับไม้ปั๊มส้วมครับ เน้นกับเด็กๆว่าถ้าเห็นไม้อย่างนี้ที่บ้านอย่าเอามาเล่นเพราะสกปรก ที่เราเอามาเล่นกันนั้นซื้อมาใหม่ๆเพื่อทำการทดลองเท่านั้น เวลาเรากดไม้ลงไป เราจะไล่อากาศออกไปจากบริเวณที่เบ้ายางประกบกับพื้น ความดันอากาศภายในเบ้ายางจะลดลงตามปริมาณอากาศที่ลดลง ความดันอากาศภายในเบ้ายางจึงน้อยกว่าความดันอากาศภายนอก เบ้ายางจึงถูกกดให้แนบสนิทกับพื้น ทำให้ดึงออกยาก แต่ถ้าพื้นขรุขระ พื้นจะมีช่องเล็กๆให้อากาศจากภายนอกไหลเข้าไปในเบ้ายางได้ง่ายๆ ทำให้ดึงออกง่าย ถ้าเด็กๆมาทดลองดึงดูก็จะรู้สึกถึงแรงกดของอากาศที่มากพอดูเลยทีเดียว ถ้าดึงขึ้นตรงๆต้องใช้แรงประมาณ 10-20 กิโลกรัมดึง

เด็กๆทดลองใช้สุญญากาศยกของและเล่นชักเย่อกันครับ

ผมยกเด็กๆขึ้นด้วยสุญญากาศด้วยครับ:

One thought on “เรียนรู้เรื่องกล่องเสียง ส่วนประกอบของหู เสียงและการสั่นสะเทือน เล่นกับสุญญากาศ”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *