วิทย์ม.ต้น: ดูคลื่นเสียงและสเปกตรัมของมัน

วิทย์ม.ต้นวันนี้เราทบทวนความรู้เบื้องต้นเรื่องเสียง ซึ่งข้อมูลจะมีตามลิงก์เหล่านี้:

  1. เสียง กล่องเสียง หู และปี่หลอด (อย่าลืมดูคลิปต่างๆในลิงก์นี้)
  2. How Well Do Dogs and Other Animals Hear?

จากนั้นเราคุยกันเรื่องอัดเสียงด้วยโปรแกรมต่างๆเช่น Audacity เราจะเห็นกราฟความดันอากาศที่ไม่โครโฟนวัดที่เวลาต่างๆ ถ้าเราซูมเข้าไปจะเห็นเป็นคลื่น ภาพเหล่านี้จะเกิดจากการซูมดูรายละเอียดมากขึ้นเรื่อยๆ (สังเกตได้จากเวลาเป็นวินาทีในแนวนอน):

เราสามารถดูว่าเสียงที่เราอัดมามีความถี่ต่างๆผสมกันอย่างไรโดยการวาดกราฟสเปกตรัมของมัน (ใน Audacity สามารถใช้เมนู Analyze/Plot Spectrums…) แกนนอนสเปกตรัมคือความถี่ต่างๆ ความสูงของกราฟจะบอกว่ามีพลังงานอยู่ในความถี่ต่างๆเหล่านั้นเท่าไร:

ถ้าเราใช้โทรศัพท์มือถือ เราสามารถใช้แอพหลายตัวเพื่ออัดคลื่นเสียงและดูสเปกตรัมของมันได้ ยกตัวอย่างเช่น SpectrumView สำหรับ iOS หรือ Spectrum Analyzer สำหรับ Android

นอกจากนี้เราสามารถใช้แอพ Phyphox ทำการทดลองหลายๆชนิดด้วยโทรศัพท์รวมถึงการอัดเสียงและหาสเปกตรัมด้วย

เราคุยกันเรื่องการสร้าง”ลายนิ้วมือของเสียง” (audio fingerprinting) โดยการดูรูปแบบสเปกตรัมของเสียงต่างๆเมื่อเวลาเปลี่ยนไป สามารถนำไปประยุกต์ในบริการถามชื่อเพลงเช่น Shazam เป็นต้น เรื่องที่คุยจะเป็นสรุปของลิงก์นี้: How does Shazam work 

วิทย์ประถม: เสียง กล่องเสียง หู และปี่หลอด

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้รู้จักว่าการสั่นสะเทือนที่เข้าหูของเราทำให้เกิดเสียง ได้ดูคลิปการทำงานของกล่องเสียงที่คอของเรา ประถมปลายได้เห็นส่วนประกอบของหู เด็กๆได้เล่นปี่ที่ทำจากหลอดพลาสติกกัน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลสั้นๆสองคลิปนี้ครับ ดูเฉพาะตอนแรกที่เป็นกล ยังไม่ดูส่วนเฉลยตอนหลัง แล้วดูเฉลยหลังจากได้พยายามคิดพยายามอธิบายว่ากลแต่ละกลทำอย่างไรกันก่อน วันนี้คือตัดไพ่ในกล่อง และหมุนกลับหัว:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็นครับ

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

ผมให้เด็กๆดูคลิปกล้องที่ส่องลงไปทางจมูกเพื่อดูเส้นเสียงขณะคนร้องเพลงครับ:

เด็กร้องยี้กันใหญ่เพราะมันน่าเกลียด แต่เราทุกคนก็เป็นอย่างนี้แหละครับ อีกคลิปที่อยากให้เด็กๆดูถ้าสนใจคือคลิปที่ส่องไฟกระพริบเร็วๆ (Stroboscope) ให้ใกล้กับความถี่การสั่นของเส้นเสียง จะได้เห็นการเคลื่อนที่ของเส้นเสียงเป็น slo-motion ครับ:

ในวิดีโอข้างบนเราจะเห็นว่าเวลาเราเปล่งเสียงตำ่เส้นเสียงจะหย่อนกว่าเวลาเราเปล่งเสียงสูง นอกจากนี้เส้นเสียงของผู้ชายมักจะใหญ่กว่าผู้หญิง จึงสั่นที่ความถี่ (ครั้งต่อวินาที) ต่ำกว่าของผู้หญิง เสียงผู้ชายจึงมักจะต่ำกว่าเสียงของผู้หญิงด้วยครับ

สำหรับประถมปลายผมอธิบายขบวนการการได้ยินด้วยหูครับ ให้เด็กๆดูรูปหูแบบเป็นภาพตัดให้เห็นส่วนประกอบข้างในก่อน:

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

แล้วก็ถึงช่วงเวลาสำคัญคือของเล่น ผมสอนเด็กๆให้ทำของเล่นปี่หลอดกาแฟครับ วิธีทำก็คือเอาหลอดกาแฟมากดๆให้ปลายข้างหนึ่งแบนๆ แล้วตัดปลายข้างนั้นเป็นรูปสามเหลี่ยม  แล้วเอาปากเม้มปลายนั้นเข้าปาก แล้วเป่าเป็นเสียงแตร ถ้าหลอดอ่อนๆหน่อย (เช่นพวกหลอดตรง ราคาถูกๆ) ก็จะเป่าให้ดังได้ง่าย ถ้าหลอดแข็ง (เช่นพวกหลอดงอได้ ราคาแพงกว่า) ก็จะเป่าให้ดังยากกว่า เวลาที่เราเป่าส่วนที่เป็นสามเหลี่ยมที่อยู่ในปากเราจะสั่นไปมาทำให้เกิดเสียง ถ้าเราตัดหลอดให้มีความยาวต่างๆกัน เสียงที่ได้ก็จะสูงต่ำต่างกันด้วย ดูวิดีโอวิธีทำได้ครับ:

ผมเคยบันทึกเรื่องนี้ไว้ในช่องเด็กจิ๋ว&ดร.โก้ด้วยครับ:

พอเด็กๆได้เห็นวิธีทำก็มารับหลอดไปคนละหลอดแล้วแยกย้ายกันไปทำเองครับ เป่ากันอย่างสนุกสนานและหนวกหูดีมาก

วิทย์ม.ต้น: ทดลองวัดเวลาในกลจับแบงค์

เมื่อสองสัปดาห์ที่แล้วผมให้ “…เด็กๆลองเล่นกลจับแบงค์กัน คือให้วางแขนไว้กับโต๊ะให้มืออยู่นอกโต๊ะ แล้วให้เพื่อนปล่อยแบงค์ให้ตกผ่านมือ เด็กๆจะจับแบงค์ไม่ค่อยได้เพราะเวลาที่ตา-สมอง-มือทำงานร่วมกันเพื่อจับแบงค์นั้นนานเกินกว่าเวลาที่แบงค์ตกผ่านมือ การบ้านคือให้เด็กๆไปคิดว่าจะประมาณเวลาการตัดสินใจจับแบงค์อย่างไร แล้วอีกสองสัปดาห์เราจะทำการทดลองกัน…”

วันนี้เด็กๆตัดสินในทำการทดลองโดยการใช้โทรศัพท์ถ่ายวิดีโอแบบสโลโมชั่นที่ 240 เฟรมต่อวินาที แล้วใช้โปรแกรม Tracker มานับจำนวนเฟรมตั้งแต่แบงค์ถูกปล่อย จนกระทั่งมือกำ จะได้เวลาประมาณ 0.1-0.12 วินาที

เด็กๆได้ดูวิดีโอที่สัตว์ที่น่าจะตายแล้ว ขยับไปมาเมื่อโดนเกลือหรือโดนกดหรือจับ:

หนวดปลาหมึก ขากบ และปลาขยับได้ทั้งๆที่มันตายไปแล้วเพราะเซลล์กล้ามเนื้อยังมีแหล่งพลังงาน(สารอาหาร)เหลืออยู่ เมื่อโซเดียม (ในเกลือซึ่งก็คือโซเดียมคลอไรด์) ที่ละลายอยู่ในซอสหรือน้ำไปโดนเซลล์กล้ามเนื้อเหล่านี้ หรือมีแรงกดไปกระตุ้นเซลล์ประสาทให้ส่งสัญญาณไฟฟ้า เซลล์กล้ามเนื้อก็จะทำงานเหมือนมีสัญญาณไฟฟ้าจากสมองมาสั่งงานให้ขยับ สักพักเมื่อแหล่งพลังงานถูกใช้หมด เซลล์กล้ามเนื้อก็จะหยุดขยับครับ

ผมเล่าเรื่องระบบประสาทโดยอาศัยเว็บ Zygote Body ดูเส้นประสาทและสมองกัน

เล่าเรื่องการสะสมความรู้ว่าสัญญาณในร่างกายวิ่งไปมาอย่างไรและใช้ความรู้เหล่านี้พยายามแก้ปัญหาต่างๆ เช่นในลิงก์เหล่านี้:

เทคโนโลยีต่างๆที่จะมาช่วยเหลือคนพิการ

ความเร็วสัญญาณไฟฟ้าในประสาท

บันทึกกิจกรรมวิทยาศาสตร์สำหรับเด็กๆ อยากให้คุณพ่อคุณแม่คุณครูเอาไปประยุกต์เล่นกับเด็กๆเยอะๆครับ :-)