Слуховая система. Начало.
Первым появившимся на Земле слушателям – рыбам – ухо, подобное нашему, никогда не было нужно. Звуковые волны сквозь воду проходят напрямую в их тело (в составе которого тоже много воды), скелет и череп.
В черепе рыбы есть маленькая наполненная жидкостью полость – в ней расположены волосковые клетки, которые преобразуют вибрации в электрические сигналы, а уже эти сигналы мозг воспринимает как звуки.
Сначала низкочастотные волны лишь создавали вибрации в вестибулярном аппарате рыб, но информация, которую они несли, оказалась настолько полезной, что для её восприятия развилось отдельное чувство – слух.
Остатки этого механизма сохранились в анатомии человека: вестибулярный аппарат и орган слуха – улитка. Оба органа по-прежнему расположены глубоко в височной кости и тесно связаны друг с другом. А улитка, наш звукочувствительный орган, по-прежнему наполнена жидкостью. У примитивных рыб в органе, отвечающем за восприятие звуков, жидкость тоже имелась.
Звукочувствительные органы, позже превратившиеся в уши, в процессе эволюции появились поздно, гораздо позже других органов чувств. Поэтому мы может утверждать, что на Земле было довольно тихо до поздних этапов эволюции (вплоть до периода, начавшегося примерно 500 миллионов лет назад).
Примерено 350 миллионов лет назад, когда мы, ещё будучи амфибиями, переселились на сушу, слух был устроен очень просто: звуки воспринимались как вибрации поверхности земли, передаваемые напрямую в череп через височно-нижнечелюстной сустав. У змей именно такой ограниченный слух и остался до сегодняшних дней. Через несколько миллионов лет мы подняли голову от земли, и такой тип слуха стал неэффективным.
Энергия звуковых волн, проходящих по воздуху намного меньше, чем в воде и твердых телах. Для перехода слабой энергии звука из воздуха в жидкость нам помогает барабанная перепонка и усилительный рычажной механизм косточек в среднем ухе. Эти косточки (молоточек, наковальня и стремечко) и были частью височно-челюстного сустава древних амфибий. О молоточках и наковальнях поговорим ниже.
Механизм работы слуховой системы. Внешнее, Средннее и Внутреннее ухо.
Звуковой сигнал любой природы может быть описан определенным набором физических характеристик: частота, интенсивность, длительность, временная структура, спектр и др. Им соответствуют определенные субъективные ощущения, возникающие при восприятии звуков слуховой системой: громкость, высота, тембр, биения, консонансы-диссонансы, маскировка, локализация-стереоэффект и т.п.
Слуховые ощущения связанны с физическими характеристиками неоднозначно и нелинейно, например, громкость зависит не только от интенсивности звука, но и от его частоты и т.п. В прошлом веке Фехнер подтвердил эту нелинейную связь. Он доказал, что ощущения изменения громкости в первую очередь связаны с изменением логарифма интенсивности, высоты тона – с изменением логарифма частоты и т.д.
Всю звуковую информацию, которую человек получает из внешнего мира (она составляет примерно 25% от общей), он распознает с помощью слуховой системы и работы высших отделов мозга, переводит в мир своих ощущений, и принимает решения, как надо не неё реагировать.
Слуховая система является своеобразным приемником информации и состоит из периферической системы и высших отделов слуховой системы.
Периферическая часть:
— это акустическая антенна (ушная раковина), принимающая, локализирующая и усиливающая звуковой сигнал (барабанная перепонка и косточки);
— микрофон (базилярная мембрана)
— частотный и временной анализатор (волоски);
— аналого-цифровой преобразователь аналогового сигнала в двоичные нервные импульсы – электрические разряды (орган Корти);
Обычно периферическую систему делят на три части: внешнее, среднее, и внутреннее ухо.
Внешнее ухо.
Внешнее ухо состоит их ушной раковины, слухового канала и барабанной перепонки. Внешние уши и голова – это компоненты внешней акустической антенны, которая соединяет (согласовывает) барабанную перепонку с внешним звуковым полем.
Основные функции внешних ушей – бинауральное (пространственное) восприятие, локализация источника звука и усиление звуковой энергии, особенно в области средних и высоких частот.
Форма наружного уха эволюционировала таким образом, чтобы улавливать и направлять звук в слуховой проход. Сложная форма складок и углублений ушной раковины отвечает за определение источника звука, когда он находится прямо перед головой, над головой или позади неё.
Определение расположения источника звука достигается за счёт разницы в интенсивности и задержке звука между ушами. Если звук исходит справа, то в правом ухе он будет немного громче, чем в левом. Голова создаёт звуковую тень, и разница ощутима. Лучше всего это работает для высокочастотных звуков из-за их короткой длины волны, которая меньше ширины головы.
Источник звуков более низкой частоты, конечно, тоже можно определить. В этом случае мозг ориентируется на время прихода звука: звук, исходящий из источника справа от головы, достигнет правого уха раньше, чем левого, и, хотя разница очень мала, мозг способен использовать эту информацию для определения направления, откуда исходит звук.
Слуховой канал представляет собой изогнутую цилиндрическую трубку длиной 25-35 мм, которая имеет первую резонансную частоту порядка 4 кГц, поэтому в этой области частот он существенно усиливает звуковой сигнал, и именно здесь находится область максимальной чувствительности слуха.
Барабанная перепонка – тонкая трехслойная пленка толщиной 74 микрон, имеет вид конуса, обращенного в сторону среднего уха. На низких частотах она движется как поршень, на более высоких – ней образуется система узловых линий, которые принимают участие в усилении звуковой энергии.
Среднее ухо.
Среднее ухо – заполненная воздухом полость, соединенная с носоглоткой евстахиевой трубой для выравнивания атмосферного давления по обе стороны от барабанной перепонки. В среднем ухе находятся три косточки: молоточек, наковальня и стремечко.
Молоточек прикреплён к барабанной перепонке одним концом, вторым он соприкасается с наковальней, которая при помощи маленькой связки соединена со стремечком. Стремечко соединено с овальным окном, которое прикреплено к улитке. Улитка – это уже механизм внутреннего уха.
Среднее ухо выполняет следующие функции:
- согласование импеданса воздушной среды с жидкой средой улитки внутреннего уха;
- защита от громких звуков (акустический рефлекс);
- усиление звука рычажным механизмом.
Разберем принцип работы усилителя среднего уха. Вибрация от перепонки передается молоточком по наковальне, которая бьет по стремечку, которое заставляет вибрировать овальное окно улитки.
Площадь барабанной перепонки равна 56,7мм.кв., а площадь овального окна всего 3,3мм.кв.
На этой разнице вибрируемых площадей основано усиление давления, которое передается улитке, которая, в свою очередь, заполнена жидкостью, и тут вступает в действие гидродинамика. Но вернёмся к рычажному механизму: без него 99,9 % звуковой энергии было бы потеряно.
Этот трансформатор работает за счёт трёх механизмов, но самый важный из них, как было сказано выше, — разница в площади между барабанной перепонкой и овальным окном. Эта разница усиливает звук в 17 раз.
Есть еще усилители: форма искривления перепонки и сам рычажный механизм. Совокупно среднее ухо выдает усиление давления в 20 раз.
Коэффициент усиления звука зависит от частоты: 20 дБ в диапазоне от 250 до 500 Гц; 27 дБ на частоте 1 кГц; 18 дБ на частоте 2 кГц и далее снижается с увеличением частоты.
Акустический рефлекс.
В среднем ухе есть две мышцы (на рисунке не показаны): тензор барабанной перепонки и стременная мышца. Тензор прикреплен к ручке молоточка, стременная мышца прикреплена к стремечку. Когда в слуховой проход проникает сильная звуковая волна (> 75дБ SPL), мышцы сокращаются и укрепляют цепь косточек, что снижает эффективность передачи вибрации ко внутреннему уху.
Данный механизм работает как некоторая защита от сильных звуков. Он способен ослабить звуковое давление на 12-14 дБ, но только для частот ниже 1 кГц. Скорость реакции мышц от 60 до 120мс.
Внутреннее ухо.
Механические колебания, передаваемые от барабанной перепонки тремя косточками, продолжают свой пусть в улитке. Улитка, это трехслойная продолговатая мягкая трубка (или шланг) длиной 3,5см, которая свернута три раза подобно хвосту змеи.
По всей длине она разделена на три полости, которые имеют несколько странные названия: лестница преддверия, срединная полость и барабанная лестница (см. рис.) Срединная полость отделена от двух других полостей базилярной мембраной и вестибулярной мембраной. 
Получается так, что барабанная лестница и лестница преддверия соединяются друг с другом через проход (геликотерму) и имеют общую жидкость, а срединная полость зажата между ними и жидкость в ней заперта.
Механическая энергия от барабанной перепонки передается через молоточек, наковальню и стремечко, которое бьёт по овальному окну, прикреплённому к лестнице преддверия. Жидкость (перилимфа) в лестнице преддверия принимает механические колебания и переводит их в волны (гидродинамика). Волна бежит по полости преддверия и, далее по барабанной лестнице (путь в виде подковы) достигает конца пути, упираясь в круглое окно, которое демпфирует удар жидкости.
Фактически улитка имеет основной подковообразный канал с жидкостью, по которому бегут волны, а в середине подковы находится замкнутый канал с жидкостью (срединная полость), в котором находятся рецепторы, анализирующие волновые колебания, которые передаются в него через базилярную мембрану.
Базилярная мембрана имеет различную толщину и ширину: у основания улитки она узкая и тонкая, а чем дальше, она утолщается и уширяется. Тонкие части считывают высокие частоты, а более толстые и широкие реагируют на низкие частоты.
К базилярной мембране по всей длине прикреплен орган Корти. Корти имеет 15 500 волосков, которые колеблются под воздействием волн. Волоски срощены с клетками, которые переводят колебательные движения в электрические импульсы (ионы кальция). Далее эти импульсы по нервным волокнам предаются в мозг для обработки.
Не все волоски отсылают сигналы в мозг, часть из них, наоборот, получает сигналы из мозга для для стимуляции определенных частей базилярной мембраны. Этот механизм до конца не изучен.
Возможно мозг, "нажимая на кнопку", механически стимулирует определенные части мембраны для усиления определенных частот (на пол-октавы выше основной частоты). Максимальный коэффициент усиления может достигать 50 дБ на разных участках базилярной мембраны.
Импульсы, идущие в головной мозг, содержат данные о частотах звуковых волн, данные о времени и месте события (определённые участки базилярной мембраны колеблются в определенное время), а также данные о цикличности событий в улитке. Такая организация информации играет важную роль в восприятии громкости, высоты тона (pitch) и тембра.
Нейроны слухового нерва, передающие данные в мозг, функционируют электрически, то есть, кодируют данные при помощи импульсов напряжения и всплесков от 0 до 0.1Вольт. [2]
Контрастное усиление
В улитке есть собственная система контрастного усиления - она помогает различать близкие друг другу частоты. Волосковая клетка, расположенная на пике волны в базилярной мембране, стимулируется активнее, чем соседние. Однако соседние клетки также подвержены воздействию. Чтобы исключить хаос, волосковая клетка не только отсылает сигнал по слуховому нерву в мозг, но и приглушает соседние, делая пик волны еще более высоким, чем он есть на самом деле. Это позволяет мозгу легче отделить друг от друга близкие тоны и частоты.
Контрастное усиление делает работу органа слуха более чёткой – мозг способен различить два тона, у которых волосковые клетки, отвечающие за работу с ним, находятся на базилярной мембране на расстоянии 0,02 мм друг от друга. Всего ухо различает 1500 различных тонов. Такой тип контрастного усиления называется латеральной ингибицией, она наблюдается и в зрачке глаза человека.[3]
Высота звука. Психологический аспект.
Мы с вами выше рассмотрели механизм работы слуховой системы человека. Так вот, её важнейшим свойством является определение высоты звука. Благодаря этому свойству человек выделяет и классифицирует звуки из окружающего пространства, а также определяет интонацию речи, воспринимает мелодии и гармонии в музыке.
В соответствии с международным стандартом ANSI-S3.20-1973: «Высота (pitch) – это атрибут слухового ощущения, в терминах которого звуки можно расположить по шкале от низкого к высокому».
Высота зависит главным образом частоты звука, но она также зависит от уровня звукового давление и от формы звуковой волны.
Высота звука – это чисто психологический конструкт, связанный как с фактической частотой колебания, так и относительным положением ноты на нотном стане. Если пианист нажмет на одну клавишу, то получится один-единственный звук, это определенная нота. С научной точки зрения, это определенный тон. Термины нота и тон – обозначают одну и ту же абстрактную сущность. Но, если мы записываем ноту на листе, она всегда называется нотой и никак по-другому.
Термин «высота звука» относится к имеющейся у организма мысленной репрезентации фундаментального свойства – частоты. То есть высота звука – это чисто психологический феномен, связанный с колебанием молекул воздуха. Этот феномен сформирован исключительно у нас в голове, а не во внешнем мире. Это конечный продукт цепочки когнитивных событий, которые породили полностью субъективное внутреннее представление.
Звуковые волны – колебания молекул воздуха с разной частотой – сами по себе высоты не имеют. Частоту можно измерить, но для сопоставления колебаний с тем внутренним качеством, которые мы считаем «высотой звука», потребуется мозг человека (или животного).
Световые волны характеризуются различными частотами колебаний, и когда они попадают на сетчатку глаза наблюдателя, то запускают цепь нейрохимических реакций, конечным продуктом которых является внутреннее изображение, созданное мозгом, - мы называем его цветом. То, что воспринимаем как цвет, не состоит из этого цвета. Яблоко может казаться красным, но сами его атомы вовсе не красные. А тепловые волны не состоят из крошечных горячих частиц.
У пудинга есть определенный вкус только тогда, когда он попадает в рот и соприкасается с языком. Пока пудинг лежит в холодильнике, у него нет ни вкуса, ни аромата. А корпус холодильника перестаёт быть белым, когда мы не смотрим на него.
Ирландский философ Джордж Беркли впервые задал вопрос: «Если в лесу упадет дерево, но никто не услышит, то будет ли звук?» Ответ: нет, потому что звук – внутренний образ, созданный слуховой системой и мозгом в ответ на колебания воздуха. Точно так же не может быть высоты звука, если его не услышит ни человек, ни животное.
Измерительный прибор способен зарегистрировать частоту колебаний, созданную падением дерева, но это еще не высота звука, по крайней мере до тех пор, пока его кто-нибудь не услышит.[2]
О важности обертонов
Для всей музыки тон – это краеугольный камень. Когда физический объект совершает гармонические колебания (описываются графиком синусоиды), возникает чистый тон. В природе это явление встречается достаточно редко. Можно сказать, что шум водопада имеет основную частоту, а звуки, издаваемые некоторыми животными, - например, пение птиц, - обладают тональной характеристикой.
Мы, в целом, окружены шумом или, можно сказать, более сложными беспорядочными (негармоническими) звуками. Рёв льва или хрюканье свиньи – лишены тона и других музыкальных характеристик. /
Даже тот музыкальный звук, который мы воспринимаем как чистый тон, имеет сложную структуру. Мы слышим чистый, непрерывный поток воздуха с определенной частотой, или высотой тона. Однако измерительные приборы показывают совсем другую картину. Когда гитарная струна совершает гармонические колебания, то колеблются различные её части.
Во-первых, струна колеблется как единое целое (колеблется вся её длина), образуя большую дугу между двумя неподвижными концами, — это есть основной тон (фундаментальная частота).
Во-вторых, одновременно с целой струной, её половинки тоже совершают колебания, но в противоположных направлениях. Частота колебания каждой половины струны в два раза выше основного тона.
В-третьих, каждая треть длины струны также совершает колебания с частотой в 3 раза выше основного тона. Средняя треть движется в противоположном направлении относительно двух внешних третей. И так далее.
Как видим, тон состоит из множества частот. Продолжим занятия на музыкальных инструментах. В середине клавиатуры пианино есть нота «ля» с частотой колебания струны в деке равной 440Гц. Это есть, как было описано выше, основной тон. Но одновременно с ним, как и в случае с гитарной струной, мы слышим более высокие тона (частоты), равные произведению частоты основного тона на 2, 3, 4 и более. То есть, 440Гц х 2 = 880Гц, 440Гц х 3 = 1760Гц, 3520Гц, 7040Гц и далее.
Когда мы извлекаем звук из музыкального инструмента – фортепиано, флейты, ударных или колокольчиков, - в нем одновременно происходит несколько различных типов колебаний. Когда вы слушаете на музыкальном инструменте одну ноту, на самом деле, вы слышите очень много тонов (частот) одновременно.
Определимся с терминологией: самый низкий тон считается основным тоном или фундаментальной (основной) частотой, а остальные в совокупности называются обертонами. По-немецки, слово «обер» означает высший, то есть обертон — это есть тон с более высокой частотой (в 2,3,4,5 и далее раза выше основной). Обертоны часто обозначаются цифрами: первый обертон – это первая частота вибрации выше основной, второй обертон – вторая частота вибрации выше основной частоты, и т.д.
Существует параллельная терминология, которая введена физиками, — это гармоники. Тут немного сдвинуто: первая гармоника - есть основная частота, вторая гармоника равна основной частоте, помноженной на 2, что соответствует первому обертону, третья гармоника равна утроенной основной частоте, что соответствует второму обертону, и т.д.
Не все инструменты создают колебания на чётко определенных частотах. У фортепиано (поскольку оно своего рода ударный инструмент) обертоны могут быть почти кратны основной частоте, то есть не совсем точно выполняется математическое умножение основной частоты на 2,3,4,5 и т.д. Благодаря этой неточности фортепиано имеет характерное звучание.
Ударные инструменты, колокольчики, тарелки и другие подобные предметы – в зависимости от своего устройства и формы – нередко создают обертоны, частота которых не кратна основной частоте. Такие обертоны называют негармоническими. Нам сложно определить высоту тона подобных обертонов в отличие от гармонических.
Однако, если на инструменте исполнить несколько негармонических нот подряд, то высоту тона уже можно будет определить.
От обертонов к тембру
Чтобы завершить разговор о том, как мы слышим музыку, воспринимаем тон и обертоны, нам следует коснуться последнего, самого главного понятия, - тембра.
Из прошлой статьи мы узнали, что звук можно представить в виде простейшего колебания воздуха определённой частоты. Одной частоты, например 440Гц, которую нам выдает генератор чистого тона. В природе такой чистой частоты не найти. Только прибор может создать такую чистую синусоиду.
Далее, переходим к музыкальным инструментам: на скрипке или фортепиано извлекаем ту же ноту «ля» частотой 440Гц. Звук получается сложнее, чем чистый тон от генератора: есть основная, фундаментальная частота (тон), которая обрастает обертонами, то есть частотами большими, чем основная. Тут мы уже воспринимаем некую совокупность частот или тонов. Но это, на самом деле, тоже некое упрощенное понятие, лишь помогающее нам понять все наслоения частот в музыке.
Когда молоточек фортепиано бьет по струне, наступает фаза атаки. Это звук первичного удара молоточка по струне или щипка струны гитары. Это очень короткий период, в котором удар будет скорее шумным, чем музыкальным, больше похожим на звук молотка, бьющего по древесине.
После короткой атаки наступает стабильная фаза (поддержка), в которой музыкальный тон приобретает упорядоченный рисунок обертоновых частот: струна колеблется и корпус резонатора (деки) начинает вибрировать. Инструмент издает стабильный обертоновый профиль.
У каждого инструмента своя дека, свой, определенный материал деки и определенная форма. Поэтому нота «ля» на различных инструментах будет иметь определенный звуковой окрас (профиль).
Следует помнить, что в течение стабильной фазы звук инструмента изменяется. У каждого инструмента есть свой уникальный алгоритм изменчивости стабильной фазы. После стабильной фазы наступает фаза увядания (затухания) звука. Так вот, тембр звука – это и есть вся совокупность явлений, которые перечислены выше.
Тембр — это букет из основного тона (фундаментальной частоты) с кучей обертонов, то есть более высоких частот, кратных 2,3,4,5 и т.д. основной частоте, причем, тон и каждый обертон имеет свой уровень громкости и временные фазы атаки/поддержки/затухания своей интенсивности (динамичную структуру).
Тембр - это многослойный частотно-интенсивно-временной профиль звука. Естественно, тембр каждого инструмента и голоса человека - уникален. Тембры — это строительные кирпичики музыки.
--------------------------------------------------
Источники:
1. И.А. Алдошина, "Музыкальная акустика".СпБ.©️
2. Дэниел Левитин - профессор психологии и поведенческой нейробиологии в Университете Макгилла в Монреале. Руководитель лаборатории музыкального восприятия, познания и экспертизы. Музыкант, звукорежиссер и продюсер звукозаписи Стиви Уандера и Blue Oyster Cult. Автор книг и научных публикаций.©️
3. Аре Бреан и Гейр Ульве Скейс."Музыка и мозг"©️Альпина, Москва 2025.
🟡Читайте больше на нашем канале в Телеграм
Оглавление библиотеки Daxx
