СЛЫШИМ ЛИ МЫ ЧАСТОТЫ ВЫШЕ 20 КИЛОГЕРЦ? Текст научной статьи по специальности «Искусствоведение»

ПРОБЛЕМЫ МУЗЫКАЛЬНОЙ АКУСТИКИ

УДК 781.1

DOI 10.24412/2658-7858-2024-37-65-72

Лев Самуилович Рубин

Кандидат технических наук, доцент кафедры музыкальной звукорежиссуры Уральской государственной консерватории имени М. П. Мусоргского (Екатеринбург, Россия).

Е-таП: [email protected]

СЛЫШИМ ЛИ МЫ ЧАСТОТЫ ВЫШЕ 20 КИЛОГЕРЦ?

Психоакустические исследования показывают, что при восприятии речи активируются как участки коры головного мозга, так и подкорковые структуры мозга. При восприятии музыкальных звуков в психоакустике основное внимание уделяется слуховому спектроанализатору, обрабатывающему звуки до 20 кГц, который обеспечивает восприятие высоты звука и который находится в нейросетях слуховой зоны коры головного мозга, а нейросети подкорковых структур мозга рассматриваются как обеспечение пространственной ориентации по звукам. Если в нейросетях подкорковых структур мозга анализируется не частотный спектр звуков, а изменение звукового давления во времени, то эта обработка имеет важное значение при восприятии атаки музыкальных звуков, делает необходимым подробное изучение связи стадии атаки музыкального звука и его выразительности, эквивалентно восприятию звуков с полосой частот, превышающей порог в 20 кГц.

Ключевые слова: восприятие музыки, атака звука, акустические условия, частотный спектр звука

Для цитирования: РубинЛ. С. Слышим ли мы частоты выше 20 кГц? DOI 10.24412/2658-7858-202437-65-72 // Музыка в системе культуры : Научный вестник Уральской консерватории. - 2024. -Вып. 37. - С. 65-72.

Введение. Междисциплинарный синтез научного знания в гуманитарных науках - один из факторов, которые или влияют, или могут повлиять на их развитие в современных условиях. Использование знаний, добытых в смежных науках, привлечение методик исследования, проведение экспериментальных исследований и, вероятно, что-то ещё -могут внести свой вклад в развитие музыкознания, которое имеет дело с самым таинственным невербальным процессом воздействия на человека, цель которого я не могу осмыслить. Но есть надежда,

что рассмотрение процессов восприятия музыки с позиций, учитывающих знания, добытые в смежных науках, поможет в конечном итоге сформулировать ответ на вечный вопрос - что такое музыка, почему человечество вне зависимости от расы, места проживания и прочих внешних обстоятельств, придумало музыку и на протяжении всей своей истории занимается музыкой. Очень популярное сегодня утверждение, что музыка удовлетворяет потребности эмоциональной сферы человека, не выглядит исчерпывающе, потому что эмоциональная жизнь человека поя-

вилась не в связи с музыкой, а по другим причинам [3].

Музыковедение, опираясь на анализ только музыкальных явлений, постигая закономерности развития музыкальной культуры в рамках традиционного круга представлений, по моему пониманию, и не сможет дать ответы на вечные вопросы. Чтобы приблизиться к раскрытию вечных тем, необходимо расширить базу исследований. В настоящее время новые идеи могут возникнуть, если обратиться к результатам и методам исследований, проведённых в быстро развивающихся психоакустике и нейронауках, изучающих воздействие звуковых волн на человека.

Цель настоящей работы состоит в показе возможностей развития музыковедческих понятий, например, об элементах музыкального языка, которые могут быть реализованы в совместных исследованиях музыковедов, психоакустиков, представителей нейронаук при изучении такого сложного многогранного явления, как восприятие звуков и музыки.

Что установлено в психоакустике

Психоакустика изучает, как человек воспринимает звуки, поступающие к нам из окружающей среды, каковы отношения между параметрами звуковых процессов и теми ощущениями, которые возникают у человека при их восприятии. Ещё в середине XIX столетия было выяснено, что между этими явлениями нет простого соответствия, и в самом общем виде они связаны зависимостью, очень близкой к известной в математике логарифмической функции. Однако когда появились аппараты, позволяющие передать звук на расстояние и его запомнить и воспроизвести, возникла необходимость более подробно изучить связь физического воздействия и реакций восприятия чтобы понять, как должна быть устроена аппаратура звуко-передачи, что такое качество звука и т. д. Это послужило мощным стимулом раз-

вития психоакустических исследований, которые начавшись в 40-х годах прошлого столетия, продолжаются и в наше время. Результаты этих исследований обобщены в работах [1; 2].

Большинство результатов в психоакустических исследованиях получены при воздействии на слуховую систему человека акустических сигналов синусоидальной формы, что совершенно естественно вытекает из обертоновой структуры звуков музыки. Так, в результате изучения реакции слуховой системы человека на звуки, описываемые синусоидой, получены кривые равной громкости, которые показывают, что чувствительность слуховой системы зависит от частоты синусоиды, громкость воспринимаемых звуков также частот-нозависима, слуховая система реагирует на синусоидальные звуки не ниже 20 Гц и не выше 20 кГц. Так же были обнаружены такие явления, как маскировка одних звуков другими как в частотной области, так и во времени, непрямое соответствие частоты звука и воспринимаемой высоты звука, а также обнаружено, что слуховая система, воспринимая звуки, как изменение акустического давления во времени, преобразует их в набор частот, т. е. осуществляет преобразование изменений акустического сигнала во времени в соответствующий частотный спектр. Математическую модель такого преобразования создал ещё в начале XIX века французский учёный Жан Батист Жозеф Фурье.

Эксперименты показывают, что преобразование звукового сигнала из временной области в частотную в нашем слуховом спектроанализаторе происходит в полном соответствии с математическим преобразованием Фурье и занимает некоторое время. Мы определяем звук, имеющий периодическую природу, как имеющий определенную высоту только через некоторое время после его появления. Это время разными исследователями оценивается в диапазоне от десятка до сотен миллисекунд (мс).

То, что человек может определить направление на источник звука, используя для этого оба уха, известно очень давно. Но только в связи с появлением высококачественных микрофонов и аудиомониторов, которые позволили обнаружить существенную значимость для восприятия звуков их пространственной организации, начались психоакустические исследования в этой области. В настоящее время эти исследования привели к разработке и практическому применению многоканальных систем зву-копередачи, которые позволяют организовать пространственную звуковую картину в местах расположения слушателей, что существенно приближает звуковую картину, воспроизводимую аппаратурой звуко-передачи, к реальному звучанию в разных условиях, в том числе и к звучанию музыки в концертных залах с хорошей акустической репутацией.

Что установлено в исследованиях мозга

Человеческий мозг, по признанию ряда учёных, является самым сложным объектом исследований, изучением которого занято всё возрастающее число исследователей, работающих в разных областях нейронаук.

Все акустические сигналы, улавливаемые ухом, мы слышим как звуки только благодаря тому, что эти сигналы возбуждают реакцию в нейронах головного мозга. Это происходит потому, что слуховые нервы от обоих аудиосенсоров, проходя через подкорковые структуры в слуховые зоны коры головного мозга, на всех уровнях возбуждают большое количество нейронов, что приводит к образованию разветвлённых нейронных сетей и на уровне подкорковых структур, и в коре головного мозга. Благодаря этому каждый звук подвергается глубокой обработке, выявляются тончайшие нюансы в изменении звука, а также анализируются связи между этими изменениями как в микро-, так и в макровремени, что

является основой восприятия речи, музыки, шумов разной природы. Из-за сложности мозга всё это известно в самом общем виде, хотя для речевых сигналов найдены места локализации активности отдельных структур головного мозга при восприятии гласных и согласных звуков [4]. Восприятие звуков музыки изучено значительно хуже, хотя интерес исследователей к этой теме значителен.

Необходимость синтеза исследований

в психоакустике, нейронауках и музыкально-теоретических дисциплинах

Звукорежиссёрская практика работы с музыкальными записями, а также опыт синтеза звуков с помощью электронных моделей обнаруживают, что в теории музыки не рассматривается такое важное понятие, как атака музыкального звука, имеющего звуковысотность. В звукоре-жиссёрской практике, имеющей дело с электрическими моделями музыкальных звуков, обнаружено, что удаление атаки в записанном звуке какого-либо музыкального инструмента существенно затрудняет музыкантам узнавание этого инструмента. Отсутствие подпрограммы синтеза атаки звука в электронной музыке делает синтезированный звук неживым.

Умозрительно можно предположить, что атака звука - это интервал времени между началом звука и моментом, когда мы начинаем слышать высоту этого звука. Однако мы не знаем, когда момент слышания высоты звука начинается, варьируется ли он от человека к человеку, зависит ли этот момент от других параметров звука и т.д.

Сложность проблемы можно оценить, если рассмотреть конкретный звук какого-либо инструмента. На рисунках 1 и 2 приведена временная зависимость акустического давления, создаваемого одиночным звуком струн до второй октавы рояля на расстоянии 1 м в двух временных масштабах.

Рис. 1. Звук ноты до второй октавы рояля в течение 800 мс от момента удара молоточком по струнам

Рис. 2. Тот же звук в течение первых 104 мс от момента удара молоточком по струнам

На рис. 1 отчётливо видно, что строгой периодичности, т. е. точного повторения изменения акустического давления от периода к периоду, мы не найдём ни на одном участке временной зависимости. Мы видим периодические колебания, амплитуда которых подвергается изменениям, на них накладывается очень медленное изменение постоянной составляющей. Вот это отсутствие строгой периодичности и есть признак живого звука.

На рис. 2 показан начальный фрагмент того же звука фортепиано длительностью 104 мс. Первые 5 мс колебательный процесс только устанавливается, затем появляются почти периодические колебания, однако

форма каждого периода колебаний в течение первых 96 мс отличается от формы предыдущего колебания. Затем форма колебаний в общих чертах повторяется с изменением амплитуды колебаний и медленным изменением постоянной составляющей. Очевидно, что мы не можем при визуальном анализе зависимости акустического давления, создаваемого источником музыкального звука, точно определить продолжительность атаки звука. Необходимо провести специальные исследования, которые должны включать не только анализ объективной картины изменения какого-либо физического параметра, но и психоакустические исследования интервала

времени, необходимого слушателям для определения высоты звука. Отметим, что атака звука и интервал времени, необходимый для формирования ощущения высоты звука, а также особенности их восприятия, не отражены в каких-либо значимых исследованиях.

Психоакустическими исследованиями давно установлено, что звуки с частотой выше 20 кГц человек не слышит. Это стало расхожим мнением после того, как в широкодоступной литературе появились изображения кривых равной громкости, которые показывают, что чувствительность нашего слуха зависит от частоты звукового сигнала синусоидальной формы. Это хорошо коррелирует с представлением о том, что нейронная сеть, обрабатывающая звуковую информацию, начиная от основной мембраны, расположенной в улитке внутреннего уха, является слуховым частотным спектроана-лизатором. С этим связана и обработка звуковой информации в пределах частотных полосок, и формирование ощущения высоты звука. Эта модель обработки мозгом звуковых сигналов получена при предъявлении слушателям звуков синусоидальной формы (гармоник) или суммы гармоник и описывает результат работы нейронных структур слуховой зоны коры головного мозга человека и ближайших эволюционных родственников. Как известно, у более далёких предков человека неокортекс, т. е. кора головного мозга, значительно менее развита или представлена в зачаточном состоянии, и обработка звуковой информации ведется в подкорковых структурах мозга. Известно, что в подкорковых структурах звуковая информация обрабатывается для пространственной ориентации, но модели этой обработки пока не создано.

Интересен факт, не получивший объяснения ни в психоакустических, ни в теоретических исследованиях, но выявленный в звукорежиссёрской практике: когда необходимо получить высококачественную звукозапись музыки академических жан-

ров, наилучшие результаты получаются в том случае, если используются форматы преобразования звука в цифровую форму не хуже DVD-Audio, в котором частота дискретизации равна 96 кГц, что позволяет преобразовать в цифровую форму звуки с верхней границей частотного диапазона до 45 кГц. Зачем же нужно так расширять частотный диапазон, далеко выходя за границы, полученные в психоакустических исследованиях?

В технической литературе такое расширение частотного диапазона объясняется необходимостью повышения качества преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. Однако в нейронауках, рассматривающих вопросы восприятия речевых сигналов, в последнее время появились сведения о важной роли подкорковых структур головного мозга в их обработке [4]. В частности, выявляется важная роль мозжечка в обработке речевой информации. Ранее этой структуре подкоркового мозга как важной части процесса обработки звуков внимания не уделялось, несмотря на то, что в мозжечке содержится в 4 раза больше нейронов, чем в неокортексе.

Подкорковые структуры головного мозга участвуют в восприятии очень коротких по длительности звуков, формирующих согласные звуки, которые для их генерации используют не только голосовую щель, как в академическом пении, и в которой в основном формируются гласные звуки, но и другие генераторы звуков, использующих язык, нёбо, зубы, губы. При этом сами по себе согласные звуки или не имеют определенной частоты и являются шумовыми, или являются смешанными, имеющими шум на фоне гласного звука. Как отмечают авторы, полученные ими новые данные об участии не только неокортекса, но и подкорковых структур головного мозга в процессах обработки речи, должны помочь в «усовершенствовании моделей обработки языка».

Звуки музыки по своей структуре не менее сложны, чем звуки речи. Любой звук

музыки содержит стадию атаки звука, стадию затухания, между этими стадиями звучит стационарная часть. По стационарному и затухающему звучанию слуховой спектроанализатор формирует восприятие высоты звука. Но для этого слуховому спек-троанализатору, как уже отмечалось, нужно некоторое время.

Во время атаки звука его частотный спектр быстро меняется, что отражается понятием мгновенный спектр, который формируется на небольшом текущем интервале времени и изменяется за очень короткое время. На этих коротких интервалах времени формируются такие шумовые сигналы, как трески ломающейся хрупкой сухой ветки, шорохи, возникающие от соприкосновения лапы какого-либо животного с землей и т. п., что в ночное время нашим эволюционным предкам сигнализировало об опасности. Известно, что чем короче длительность какого-либо сигнала, в том числе и звука, тем шире его частотный спектр. Поэтому все шумы, длящиеся короткое время и сами имеющие сложную временную структуру, имеют мгновенный частотный спектр, выходящий за пределы, ограниченные 20 кГц.

Приведённые сведения показывают необходимость подробного изучения стадии атаки музыкального звука. Предлагается эти исследования базировать на следующей гипотезе. Любой звук обрабатывается подкорковыми структурами головного мозга и неокортексом одновременно. Если имеется музыкальный звук, имеющий некоторую продолжительность во времени, то его атака начинает обрабатываться подкорковыми структурами без преобразования в частотный спектр, анализируются детали изменения потоков импульсов, генерируемых нейронами. Нейронные сети подкорковых структур реагируют, например, на очень быстрое увеличение акустического давления, на очень быстрое уменьшение этого давления. Можно предположить, что есть ещё какие-то детекторы в нейронных сетях,

реагирующие на более сложные изменения мгновенного акустического давления. В результате совокупность этих изменений находит отражение в построении структур нейронных сетей, благодаря чему происходит запоминание последовательностей этих изменений. Это запоминание создаёт базу для идентификации источника звука, и мы узнаем тот или иной музыкальный инструмент по его звучанию. Аналогично мы узнаем звучание той или иной согласной фонемы в речи. И всё это происходит до того момента, как слуховой частотный анализатор, оканчивающийся в слуховой зоне коры головного мозга, опознает высоту музыкального звука.

Результаты одновременной обработки звука во всех структурах головного мозга позволяют воспринимать звучание как непрерывный процесс, не имеющий в восприятии отчётливых границ, отделяющих стадию атаки звука от остальных стадий звучания. Это создаёт трудности в музыкально-теоретическом осмыслении роли атаки звука, которое без применения специального инструментария, объективизирующего звук в сопоставлении с восприятием, невозможно.

В соответствии с предложенной гипотезой, периодические звуки, имеющие частоту выше 20 кГц, мы непосредственно не слышим. Однако мы слышим на подсознательном уровне короткие звуки или звуки, временная структура которых быстро меняется, как во время атаки звука. Эту быстроменяющуюся временную структуру мы распознаем без её преобразования в частотный спектр. И если необходимо осуществить звукопередачу таких звуков без искажений, то необходимо расширить частотную полосу пропускания оборудования за пределы 20 кГц. Таким образом, наше восприятие акустических сигналов звукового частотного диапазона также выходит за пределы 20 кГц.

Атака музыкального звука является не единственной проблемой, которые долж-

ны изучаться совместными усилиями исследователей, представляющих несколько дисциплин. В первую очередь внимание должно быть обращено на пространственное впечатление при восприятии музыки. Важность этого аспекта воздействия музыки на человека раскрывалась благодаря звукорежиссёрской практике постепенно на протяжении всего ХХ века, но до сих пор остается не исследованным вопрос, почему восприятие и музыки, и даже речи в акустически замкнутых пространствах при соблюдении определённых акустических условий предпочтительнее восприятия звуков без переотражений? Совместные исследования, несомненно, будут способствовать расширению круга проблем, вовлекаемых в музыкально-теоретические исследования, применению современного исследовательского инструментария, что в конечном итоге должно приблизить понимание этого феноменального проявления человеческого духа - музыки.

Выводы

1. Звукорежиссёрская практика, в которой реальные музыкальные произведения преобразуются в электрические аналоги, выявила ряд неочевидных музыкальных феноменов, которые в настоящее время не нашли отражение в музыкально-теоретических дисциплинах: это атака звука как средство музыкальной выразительности, это пространственная организация музыки при её восприятии как способ усиления её воздействия на слушателя.

2. Сформулирована гипотеза о том, что обработка звука и в слуховой зоне коры го-

ЛИТЕРАТУРА

ловного мозга, и в подкорковых структурах для восприятия музыкальных звуков очень важны и происходят одновременно: при этом подкорковые структуры, в отличие от слуховой зоны коры, реагируют не на частотный спектр звука, а на его изменения во времени. Это позволяет при восприятии учитывать звуки, кратковременные частотные спектры которых выходят за пределы верхней границы 20 кГц.

3. Визуальный анализ записанного музыкального звука фортепиано показывает, что установить границу окончания атаки звука без проведения специальных исследований невозможно. В качестве такой потенциальной границы, определяющей максимально возможную продолжительность атаки звука, предлагается момент начала слышания высоты музыкального звука, что требует проведения специальных исследований.

4. Исследователи, работающие и в психоакустике, и в нейронауках, проявляют интерес к воздействию музыки на реакции нейросетей головного мозга человека, однако эти исследования в очень малой степени учитывают дифференци-ровку музыки по жанрам, направлениям и т. п., что хорошо развито в музыкально-теоретических исследованиях, без учёта которых выводы исследователей, пытающихся объективизировать обнаруженные ими факты при воздействии музыки на человека, не выглядят достоверными. Такого рода исследования должны проводиться совместно представителями естественных наук и музыкально-теоретических дисциплин.

1. Алдошина И. Основы психоакустики (подборка статей с сайта http://www.625-net.ru). URL: https:// www.klex.ru/6n5 (дата обращения: 03.04.2024).

2. Алдошина И., Приттс Р. Музыкальная акустика. Санкт-Петербург : Композитор, 2011. 720 с. URL: http://e.lanbook.com (дата обращения: 03.04.2024).

3. Барретт Л. Как рождаются эмоции. Революция в понимании мозга и управлении эмоциями / пер. с англ. Е. Поникаров. Москва : Манн, Иванов и Фарбер, 2018. 427 с.

4. Turker S., Kuhnke Ph., Eickhoff S. B., Caspers S., Hartwigsen G. Cortical, Subcortical, and Cerebellar Contributions to Language Processing: A Meta-Analytic Review of 403 Neuroimaging Experiments // Psychological Bulletin. 2023. Vol. 149, iss. 11-12 (Nov.-Dec.). DOI I0.i037/bul0000403

Lev S. Rubin

Ural Mussorgsky State Conservatory, Yekaterinburg, Russia. E-mail: [email protected]

CAN WE HEAR FREQUENCIES ABOVE 20 KHz?

Abstract. Psychoacoustic studies show that both cortical areas and subcortical brain structures are activated during speech perception. When perceiving musical sounds, psychoacoustics focuses on the auditory spectrum analyser processing sounds up to 20 kHz, which provides perception of sound pitch and is located in the neural networks of the auditory cortex, while neural networks of subcortical brain structures are considered to provide spatial orientation to sounds. If the neural networks of the subcortical brain structures analyse not the frequency spectrum of sounds, but the change of sound pressure in time, this processing is important in the perception of the attack of musical sounds, makes it necessary to study in detail the relationship between the stage of attack of a musical sound and its expressiveness, and is equivalent to the perception of sounds with a frequency band exceeding the threshold of 20 kHz.

Keywords: music perception; sound attack; acoustic conditions; sound frequency spectrum

For citation: Rubin L. S. Slyshim li my chastoty vyshe20 kilogerts? [Can we hear Frequencies abore 20 kHz?], Music in the system of culture: Scientific Bulletin of the Ural Conservatory, 2024, iss. 37, pp. 65-72. DOI 10.24412/26587858-2024-37-65-72 (in Russ.).

REFERENCES

1. Aldoshina I. Osnovy psikhoakustiki (podborka statey s sayta http://www.625-net.ru) [Fundamentals of psycho-acoustics], available at: https://www.klex.ru/6n5 (accessed April 03, 2024). (in Russ.).

2. Aldoshina I., Pritts R. Muzykal'naya akustika [Musical acoustics], St. Petersburg, Kompozitor, 2011, 720 p., available at: http://e.lanbook.com (accessed April 03, 2024). (in Russ.).

3. Barrett L. F. Kak rozhdayutsya emotsii. Revolyutsiya v ponimanii mozga i upravlenii emotsiyami [How Emotions Are Made. The Secret Life of the Brain], Moscow, Mann, Ivanov i Farber, 2018, 427 p. (in Russ.).

4. Turker S., Kuhnke Ph., Eickhoff S. B., Caspers S., Hartwigsen G. Cortical, Subcortical, and Cerebellar Contributions to Language Processing: A Meta-Analytic Review of 403 Neuroimaging Experiments, Psychological Bulletin, 2023, vol. 149, iss. 11-12 (Nov.-Dec.). DOI I0.i037/bul0000403