מאיפה הגיע
הקול הזה?

בניסוי הזה נבדוק את יכולת הזיהוי של הכיוון שממנו מגיעים קולות וצלילים, ונראה כיצד מעט פלסטלינה יכולה לשבש אותה. 

ציוד

• כיסוי עיניים
• רעשן (חלש) / או כל אמצעי אחר להפקת צלילים
• פלסטלינה או בצק ליצירה
• כסא

מישהו נוסף 🙂

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הערה: הדים יכולים לשבש את יכולת זיהוי מקור הקולות, ולכן מומלץ לבצע את הניסוי במרחב פתוח (כפי שאנחנו עשינו) ולא במקום סגור או בקרבה לקירות.

חוש השמיעה

חוש השמיעה הוא אחד מחמשת החושים העיקריים של בני האדם, כאשר האוזניים שלנו הן האחראיות על חישת הצלילים והקולות.

מה שחוש השמיעה חש הוא למעשה גלי קול הנעים באוויר: הקול מתפשט באוויר בצורה של גלים – שהם סדרה של אזורים שבהם האוויר דחוס יותר, וביניהם אזורים שבהם האוויר דחוס פחות, כפי שאפשר לראות באנימציה:

חלקיקי האוויר נשארים קרוב לאותו מקום, אבל גל הקול מתקדם באוויר. אנימציה של גל קול מתקדם בתוך צינור | יוצר: Dan Russell

הנקודות השחורות מדמות את חלקיקי הגז שמהם מורכב האוויר. שימו לב שהחלקיקים עצמם לא באמת מתקדמים – הם נעים קצת קדימה ואז קצת אחורה. אם אינכם משוכנעים בכך, התמקדו בחלקיק יחיד ועקבו אחר תנועתו. רק הגל, או ה"הפרעה", מתקדמים באוויר.

כשאנו מדברים על אוזניים בשפת היום-יום, אנו מתייחסים לרוב רק לחלק החיצוני של האוזן – זה שאנו רואים מחוץ לראש. אולם לאוזניים יש למעשה שלושה חלקים: האוזן החיצונית הוא החלק שאנו רואים מחוץ לגוף, כולל האפרכסת, פתח הכניסה ותעלת האוזן שמוליכה את הצלילים פנימה לתוך הראש. האוזן התיכונה היא החלק שבה נמצאים עור התוף ומספר עצמות קטנטנות (הקטנות ביותר בגוף האדם), ובה גלי הקול מתורגמים לרטיטות שלהם. באוזן הפנימית הרטיטות עוברות לשערות זעירות הנמצאות במבנה דמוי שבלול, והוא החלק שבו מתבצעת הפרדה של הרטיטות, שתורגמו מהקולות, לתדירויות שונות – כלומר לקצבים שונים. משם המידע מועבר כאות חשמלי דרך תאי עצב למוח שמפענח אותם.

בתוך האוזן הפנימית יש גם מערכת נוספת, שלא קשורה לשמיעה, ואחראית על חוש שיווי המשקל שלנו. היא נקראת המערכת הווסטיבולרית.

תרגום גלי קול לצלילים שאנו שומעים: 

ועכשיו למוח

האיבר שלא ציינו כחלק ממערכת השמיעה אבל הוא חלק בלתי נפרד ממנה הוא המוח. המוח הוא חלק בלתי נפרד מכל מערכות החישה שלנו. אברי החוש שלנו כמו העיניים, האזניים האף והעור הם רק החיישנים שקולטים את המידע. בסופו של תהליך החישה של כל חוש, המידע מתורגם לאותות חשמליים, והמוח הוא זה שמפרש את המידע: אותות חשמליים מהעין מפוענחים ויוצרים את חווית הראייה, אותות חשמליים מהאוזניים מפוענחים במוח ויוצרים את השמיעה וכן הלאה. המוח הוא זה שמצליח לזהות את הכיוון שממנו מגיעים קולות וצלילים, בזכות פענוח המידע. 

בזכות מבנה מערכת השמיעה, רובנו די טובים בזיהוי הכיוון שממנו מגיעים קולות, לא רק תמר | צילום: שירלי בש

קולות יכולים להגיע מכל הכיוונים: מלמעלה או מלמטה, מימין או משמאל ומקדימה או מאחורה (או שילוב שלהם, כמובן). המוח משתמש בשיטות שונות לזיהוי הכיוונים שונים.

כדי לזהות אם הקול מגיע מימין או משמאל המוח משתמש בשני רמזים, או שני הבדלים, בין הקולות שמגיעים לשתי האוזניים: הבדל בזמן והבדל בעוצמה. מהירות הקול באוויר היא כ-340 מטרים בשנייה, כאשר מרחק ממוצע בין האזניים הוא כ-23 סנטימטרים, מה שגורם להבדל של כאלפית השנייה (כ-0.0007 שניות) בין האזניים בזמן ההגעה של קול שמגיע מהצד. כלומר קולות שמגיעים מצד ימין יגיעו לאוזן ימין כאלפית השנייה לפני שהם מגיעים לאוזן שמאל, וזה הבדל שהמוח מצליח לזהות. בנוסף הראש 'מסתיר' או חוסם קולות די טוב, ולכן קולות שמגיעים מצד הקרוב לאוזן אחת יגיעו אליה בעוצמה גבוהה יותר מאשר לאוזן הרחוקה ממקור הקול. 

למען הדיוק נציין שמסיבות הקשורות לפיזיקה של גלי קול, גם היכולת לזהות הבדלים בזמני ההגעה של צלילים וגם מידת ההפחתה של עוצמה של צלילים, תלויים בתדר של גלי הקול, כלומר מספר הגלים בשנייה. אבל התלות היא הפוכה בכל סוג רמז, כך שהם מפצים זה על זה: בתדירויות גבוהות, שנשמעות לנו כקולות גבוהים, כמו ציוצים של אפרוח, קשה להבחין בהבדלים בזמני הגעה שונים של הקולות לאוזניים, אך הראש מפחית משמעותית את עוצמתן. בתדירויות נמוכות, כמו קולות בס, הראש מפחית את עוצמת הצליל במידה קטנה מאוד (מוזיקה עם הרבה בסים נשמעת באותה עוצמה מכל כיוון), אבל קל למוח להבחין בהבדלי זמן הקיימים בין האוזניים. כך ששני הגורמים משלימים זה את זה בזיהוי הכיוון.

כשקול מגיע אלינו מהצד, יש הפרש של פחות מאלפית השנייה בין זמן זמן הגעתו לאוזן הקרובה ולאוזן הרחוקה, והוא גם מגיע בעוצמה חלשה יותר לאוזן הרחוקה | צילומים מתוך סרטון "מדע בבית"

חזרה לאפרכסת

בקולות שמגיעים בדיוק מקדימה, מאחורה מלמעלה ומלמטה – לא יהיו הבדלים כלל בתזמון ההגעה לאוזניים ובעוצמת הקול שמגיע לכל אוזן. הקולות מהכיוונים האלה מגיעים לשתי האוזניים בו זמנית ובאותה העוצמה. כאן באה לעזרתנו האוזן החיצונית, וספציפית אפרכסת האוזן. האפרכסת משמשת כמַקלט לקולות, מעין 'משפך' גדול שאוסף את גלי הקול ומכוון אותם אל תעלת השמיעה, קצת כמו צלחת לוויין, שאוספת גלים מאזור גדול וממקדת אותם לאותה נקודה, או מראה שמרכזת קרני אור. אבל ההחזרה איננה אחידה: מבנה האפרכסת מכיל מבנים טבעיים שמגבירים או מחלישים את העוצמה של תדרים מסוימים. גלי קול פוגעים במקומות שונים באפרכסת לפני שהם נכנסים לתעלת השמיעה, תלוי בכיוון המדויק שממנו הגיעו, ועוברים שינויים קלים ושונים בהגיעם מכל כיוון. צלילים טבעיים בדרך כלל אינם אורך גל יחיד, אלא אוסף או "ספקטרום" של גלים בתדירויות שונות ובעוצמות שונות. לכן קולות שמגיעים מכיוונים שונים ופוגעים במקומות שונים באפרכסת, יעברו שינויים שונים בעוצמות, בתזמונים ובתדרים היחסיים. כל אלה נקראים שינויים ספקטראליים בשפה מדעית. במהלך החיים המוח לומד אותם, ולומד לזהות למשל איך נשמע ציוץ של ציפור או דיבור של אדם שנמצא מאחוריו, לעומת ציוץ של ציפור או דיבור של אדם הנמצא מלפניו או מעליו וכך מצליח לזהות את הכיוון של מקור הקולות.  המבנה המדויק של אפרכסת האוזן שונה מאדם לאדם, כך שגם זיהוי הקולות הוא אינדיבידואלי לכל אחד.  כלומר, אם נשים מיקרופון בתעלת שמע של אדם, נקליט את הקולות שמגיעים מכיוונים שונים ונשמיע אותם באוזניות לאדם אחר – רוב הסיכויים שהוא לא יצליח לזהות את כיווני הצלילים. אולם, אפשר בכל זאת לשטות במוח שלנו באמצעות כל יישומי העקרונות הנ"ל (שינויים בעוצמות הקול, בתזמונים ובגבהים היחסיים) וליצור אפקט או חוויה של קול המגיע מכיוונים שונים, קצת בדומה לציור המשתמש בעקרונות הפרספקטיבה כדי ליצור תחושה של עומק בתמונה שטוחה.

גלי קול מכיוונים שונים פוגעים במקומות שונים באפרכסת האוזן לפני שנכנסים לתעלת השמיעה | צילום: שירלי בש, איור: אבי סאייג

הניסוי שביצענו בסרטון עם הפלסטלינה מדגים בצורה יפה את החשיבות המכרעת של אפרכסת האוזן בזיהוי כיוון קולות המגיעים מלמעלה, למטה, קדימה או אחורה. רואים כי אחרי ששינינו את צורת האפרכסת בעזרת הפלסטלינה, הרסנו את היכולת (המדהימה למדי!) לזהות קולות שמגיעים מהכיוונים האלה. אבל היכולת לזהות אם קול מגיע מימין או משמאל, שאיננה מבוססת על האפרכסת, נשמרה!

פלסטלינה באפרכסת האוזן מצליחה להרוס את יכולת הזיהוי של מקור צלילים שמגיעים מלפנים, מאחור, מלמעלה ומלמטה | צילום: שירלי בש

אגב, כלבים מטים את ראשם הצידה באופן מכוון, כדי ליצור הבדלי מיקום בין שתי האוזניים וכך לזהות טוב יותר מיקום של מקור קולות במישור האנכי. אצל עופות דורסים הפעילים בלילה, כמו תנשמות וינשופים, הפרצוף כולו משמש אפרכסת, והם יכולים להזיז את הנוצות כדי להתכוונן על צלילים חלשים או רחוקים במיוחד. האלופים בזיהוי החזר של קולות הם העטלפים – שמצליחים לזהות בדיוק רב מאוד הדים של צפצופים שהם עצמם משמיעים, החוזרים אפילו מעצמים קטנטנים, ובעזרת החזר הקול לצוד אפילו חרקים קטנים במעופם.