Говоря о строении слухового аппарата, мы переходим постепенно к принципу анализа мозгом полученного сигнала от слуховой улитки. В чем он заключается? И как мозг расшифровывает его? Как он определяет высоту тона звука? Сегодня мы как раз поговорим о последнем, так как в нем автоматически раскрываются ответы и на первые два вопроса.

Надо отметить, что мозг определяет только периодические синусоидальные компоненты звука. Восприятие высоты тона человеком так же зависит от громкости и длительности. В прошлой статье мы говорили о базилярной мембране и ее строении. Как известно, она обладает неоднородностью по жесткости строения. Это позволяет ей механически разбивать звук на компоненты, у которых есть особое место размещение на ее поверхности. Откуда волосковые клетки позже подают сигнал в мозг. Из-за этой особенности строения мембраны, «звуковая» волна, пробегающая по ее поверхности, имеет разные максимумы: низкие частоты – вблизи вершины мембраны, высокие – у овального окна. Мозг автоматически пытается определить высоту по этой «топографической карте», находя на ней локализацию фундаментальной частоты. Этот метод можно ассоциировать с многополосным фильтром. Отсюда взята теория «критических полос», которую мы обсуждали ранее:

Но это не единственный подход! Второй способ – это определение высоты тона по гармоникам: если найти минимальную частотную разницу между ними, то она всегда равна фундаментальной частоте – [(n +1) f 0 — (nf 0)]= f 0, где n – номера гармоник. А также вместе с ним используется и третий метод: нахождение общего сомножителя от деления всех гармоник на последовательные числа и, толкаясь от него, определяется высота звука. Эксперименты полностью подтвердили обоснованность этих способов: слуховая система, находя максимумы гармоник, проводит над ними вычислительные операции и если даже вырезать основной тон или расставить гармоники в нечетной последовательнос ти, при котором метод 1 и 2 не помогут, то человек определяет высоту звука 3 методом.

Но как оказалось – это не все возможности мозга! Были проведены хитрые эксперименты, которые удивили ученых. Дело заключается в том, что три метода работаю только с первыми 6-7 гармониками. Когда в каждую «критическую полосу» попадает по одной гармонике звукового спектра мозг спокойно «определяет» их. Но стоит, каким либо гармониками находиться настолько близко друг к другу, что в одну область слухового фильтра попадает их несколько, то мозг их распознает хуже или вообще не определяет: это относиться к звукам с гармониками выше седьмой. Вот здесь вступает четвертый метод – метод «времени»: мозг начинает анализировать время поступления сигналов с органа Корти с фазой колебания всей базилярной мембраны. Этот эффект получил название «запирание фазы». Дело заключается в том, что при колебании мембраны, когда она движется в сторону волосковых клеток, те соприкасаются с ней, образуя нервный импульс.
При движении обратно, ни какого электрического потенциала не появляется. Появляется взаимосвязь – время между импульсами в любом отдельном волокне будет равно целому числу 1, 2, 3 и так далее, умноженному на период в основной звуковой волне f = nT . Как это помогает в работе в купе вместе с критическими полосами? Очень просто: мы знаем, что когда две гармоники находятся настолько близко, что попадают в одну «частотную область», то между ними возникает эффект «биения» (которую музыканты слышат при настройке инструмента) – это просто одно колебание со средней частотой, равной разности частот. При этом период у них будет T =1/ f 0. Таким образом, все периоды выше шестой гармоники одинаковы или имеют разряд в цело число, то есть значение n / f 0. Далее мозг просто высчитывает частоту основного тона.

Сила звука (интенсивность звука, определяющая его мощность) определяется как

Плотность звуковой энергии (Дж/м3) - определяет энергию звука, отнесенную к единице объема среды

Звуковая мощность - поток звуковой энергии W (Вт/м2)

Высота звука

Громкость звука

Тембр звука

Звуковое давление

Звуковое давление p - переменное избыточное давление, возникающее в среде при прохождении звуковой волны. Обычно звуковое давление мало по сравнению с постоянным давлением в среде. Звуковое давление следует отличать от давления звука.(см. табл.1)

отсюда 1 дБ - уровень звукового давления, для которого

Таблица 1. Уровни звукового давления (Муртазов А.К., 2007)

Высота звука

Высотой звука называется отражение в нашем сознании частоты колебания упругого тела. Мы воспринимаем как звук одного и того же названия не определенную частоту, а ряд близких частот. Например, как а1 мы воспринимаем колебательные движения не только с частотой 440 к/с, но и с частотами 435, 436, 437, 438, 439, 441, 442, 443, 444, 445 к/с (приблизительно). Таким образом, в нашем сознании частота перерабатывается в высоту.

Человек способен слышать весьма малые изменения высоты звука. Слуховой аппарат человека отмечает изменение высоты не одинаково в разных областях частот. Наиболее остро мы замечаем изменение высоты тонов в области от 500 до З 000 к/с. Для того, чтобы заметить эту разницу, требуется изменение в 5 центов (1/40 тона).

В низком регистре этот интервал увеличивается до 1/10 тона (например, в субконтроктаве). В высоком регистре, после З 000 к/с, интервал различения звуков по высоте также немного увеличивается. При одновременном слушании двух звуков можно заметить очень небольшую разницу между ними, благодаря биениям, которые отчетливо слышны, если слушать оба звука одним ухом. При слушании двух звуков, поочередно подводимых к разным ушам, разница, наоборот, увеличивается.

Если мы будем слушать короткие по времени звуки, постепенно уменьшая их длительность, то заметим, что значительное уменьшение длительности вызывает потерю ощущения высоты этих звуков.

Необходимо некоторое минимальное количество колебаний в секунду для того, чтобы человек мог судить о высоте звука. Исследования показали, что минимальная длительность звука, необходимая для определения его высоты, зависит от его частоты. (см.табл.2).

Таблица 2. Минимальная длительность звука, необходимая для определения его высоты

Из приведенной таблицы видно, что наиболее короткие звуки возможны в области частот от 700 до 3 200 к/с, т. е. от f2 до g4.

В низком регистре, в области субконтроктавы и контроктавы, длительность звука должна быть довольно большой.

Способность человека определять заданные музыкальные интервалы и воспроизводить их голосом, а также способность определять абсолютную высоту заданных звуков и воспроизводить их голосом являются свойствами музыкального слуха.

В первом случае, когда отношение между высотами звуков оценивается человеком как музыкальный интервал, как некоторое определенное качество, слух называется относительным.

Так как при некоторых изменениях между частотами звуков музыкальный интервал между ними сохраняет свою качественную определенность, то каждый интервал может иметь несколько количественных выражений.

Наличие относительного слуха совершенно необходимо для музыканта. Развитие его предусмотрено учебными планами музыкальных школ, училищ и консерваторий.

Во втором случае, т. е. при наличии способности определять абсолютную высоту заданных звуков (ступеней) или воспроизводить их голосом, слух называется абсолютным.

Обычно человек, обладающий абсолютным слухом, имеет также и относительный, но бывают случаи, когда при абсолютном слухе человек воспринимает музыкальные интервалы не как некоторое определенное качество, а лишь как сумму не связанных между собою звуков.

Абсолютный слух бывает двух типов - истинный и ложный. Для первого типа необходимо наличие у человека особых физиологических задатков. Второй тип абсолютного слуха требует постоянных и длительных упражнений.

Так, если истинный слух проявляется уже с самого раннего детства, то ложный слух можно выработать только в более зрелом возрасте. Критерием хорошего, истинного абсолютного слуха является способность быстро определять высоту заданного звука. Человек, обладающий ложным абсолютным слухом, обычно путем упражнений запоминает какой-либо один звук, например, б, а остальные звуки, он определяет, сравнивая их по высоте с этим звуком. Кроме того, встречаются лица, у которых абсолютный слух существует лишь по отношению к тому инструменту, на котором они играют. Но во всех случаях абсолютный слух способен определять и воспроизводить не частоту звука, а его высоту, т. е. его принадлежность к той или иной ступени.

Некоторые лица, не обладающие абсолютным слухом, могут определять высоту звуков, пользуясь какими-нибудь добавочными способами. Например, некоторые певцы определяют высоту звука, пользуясь ощущением напряжения голосовых связок.

Путем упражнений можно, безусловно, развить относительный слух. Что же касается превращения ложного абсолютного слуха в близкий к истинному, то это пока еще не доказано опытами.

Для музыканта большое значение имеет наличие внутреннего слуха - способность воображать высоту звуков и (в частности) созвучий. Внутренний слух позволяет исполнителю составить представление о музыкальном произведении до его прослушивания, а композитору дает возможность создавать произведение без помощи инструмента.

Для точного определения частоты колебаний звучащего тела применяются разнообразные приборы и методы.

Простейшим и наиболее старым методом является слуховое сравнение данного звука с другим, близким к нему по высоте звуком, частота колебаний которого точно известна, и последующий счет биений, возникающих между этими двумя звуками. Так например, если исследуемый звук дает с сравнительным звуком частоты 440 к/с полтора биения в секунду, а с другим сравнительным звуком частоты 444 к/с два с половиной биения в секунду, то частота его колебаний будет равна 141,5 к/c, и так далее.

Однако слуховой способ сравнения труден, так как требует специальной тренировки слуха исследователя. А если испытуемый звук дается человеком (например, голосом, на скрипке и т. п., на духовом инструменте), то он обычно инстинктивно подстраивается ко второму, слышимому им звуку измерительного прибора. Поэтому результаты сравнения получаются неточными.

Более точное определение частоты колебаний звучащих тел дает стробоскопический метод сравнения. При этом исследуемый звук превращается в световые импульсы (вспышки лампы с тлеющим разрядом), освещающие систему вращающихся дисков с чередующимися черными и белыми секторами, соотношения скоростей которых пропорциональны соотношениям между числами колебаний какой-либо музыкальной системы. При совпадении числа колебаний исследуемого звука с числом проходящих секторов на каком-либо из измерительных дисков, изображение на последнем покажется остановившимся. Это есть момент унисона двух колебательных процессов.

В существующих наиболее распространенных стробоскопических частотомерах применены комплекты из 12 измерительных дисков, скорости которых настроены по равномерно-темперированной музыкальной скале. Особое приспособление позволяет плавно изменять скорость вращения всех дисков одновременно в пределах ±3%, что соответствует изменению высоты звуков в пределах ± половины полутона. Указатель на шкале прибора дает возможность, в момент достижения унисона с исследуемым звуком, сразу прочесть высоту последнего относительно ближайшего, нормального темперированного звука, с точностью до 0,01 полутона (т. е. до одного цента).

Прибор очень чувствителен, не требует от оператора специальной тренировки слуха, и не издает никаких звуков, к которым мот бы подстраиваться исполнитель.

Получаемые на нем в музыкальных (логарифмических) единицах высоты звуков могут быть, при надобности, переведены в соответствующие частоты колебаний (герцы), при помощи специальных таблиц.