4. Музыкальный звук и слуховая система человека. Психофизиологические, хронобиологические и когнитивные механизмы восприятия музыки.

Звук в разных своих проявлениях – от фликкер-шума до классической музыки – сильно воздействует на любой живой организм. Исследования по изучению функций звука в космосе, по влиянию звука на растительный и животный мир постепенно привели к выводу о существовании взаимосвязи форм жизни и звуковой среды.

Звуковая среда составляет одну из неотъемлемых сторон жизни человека, так как акустические сигналы являются важнейшими носителями информации. Изучение воздействия этих сигналов на организм привело к возникновению психоакустики, целью которой является исследование влияния звука, речи и музыки на мозг и сознание, а следовательно, на поведение людей. Психоакустика изучает не только психофизиологические закономерности восприятия звуковых явлений, устанавливая соответствия между физическими стимулами и слуховыми ощущениями, но и влияние звуковых форм на физиологические процессы в организме.

Известно, что звук образуется с помощью механических колебаний в упругих средах и телах – твердых, жидких, газообразных. Звуковая вибрация состоит из волновых форм. Частоты измеряются в циклах в секунду, или Гц; циклом считается расстояние между пиками звуковой волны. Чем выше частота, тем более высоким воспринимается звук.

Восприятие звука слуховой системой человека ограничено диапазоном от 20-30 до 20 000 Гц, причем верхняя граница может колебаться, например, в зависимости от возраста слушателя. Кроме того, исследованиями последних лет было установлено, что человеку в условиях костного проведения свойственно восприятие звуков, имеющих более высокую (до 200 кГц) частоту, т.е. ультразвука. В случае кост­ной проводимости источник звуков, контактируя с костями черепа, вызывает их вибрацию, в том числе и в височной кости, что вызывает колебания волн в области базилярной мембраны.

Слуховая чувствительность подвержена значительным возрастным колебаниям. Развитие слуха у ребенка начинается с первых недель после рождения, но происходит достаточно медленно, в результате чего у детей от 4 до 10 лет слуховая чувствительность на 6–10 дБ ниже, чем у взрослых. К 12–14 годам острота слуховой чувствительности достигает максимального уровня и, по некоторым данным, даже превосходит остроту слуха у взрослых. С возрастом слуховая чувствительность снижается, главным образом на высоких частотах.

Механизм слухового ощущения обусловливается деятельностью слухового анализатора (рис. 3). Периферическая часть анализатора включает наружное, среднее и внутреннее ухо. Ушная раковина преобразует поступающий извне акустический сигнал, отражая и направляя в наружный слуховой проход звуковые волны. В наружном слуховом проходе, выступающем в роли резонатора, изменяются свойства акустического сигнала  – увеличивается интенсивность тонов частотой 2–3 кГц.

Наиболее значительное преобразование звуков происходит в среднем ухе. Здесь значительно нарастает интенсивность проводимого звука при уменьшении его амплитуды. Система среднего уха обеспечивает переход колебаний барабанной перепонки на жидкие среды внутреннего уха – перилимфу и эндолимфу. Преобразованные волны воспринимаются рецепторными клетками, расположенными на базилярной мембране улитки, которая колеблется на различных участках, соответствующих частоте возбуждающей ее звуковой волны.

Рис. 3. Слуховой анализатор (Уэйнбергер Н., 2005).

При передаче звука в мозг звуковые волны через эту сложную систему поступают на кортиев орган*, где происходит их преобразование в дискретные электрические импульсы нервных волокон. Затем поток электрических нервных импульсов следует в мозг для дальнейшей переработки и реагирования. Высшие отделы слуховой системы (включая слуховые зоны коры больших полушарий головного мозга) в психоакустике рассматривают как своего рода логический процессор, который декодирует полезные звуковые сигналы на фоне шумов, группирует их по определенным признакам, сравнивает с имеющимися в памяти шаблонами и образами, определяет их информационную ценность и принимает решение об ответных действиях.

Слуховой путь, несущий сигналы звуковых раздражений, начинается в кортиевом органе и имеет пять синапсов, в каждом из которых нервный импульс кодируется по-разному. Отдельные участки кортиева органа возбуждаются в ответ на различные по высоте колебания, и нервные волокна передают эти колебания по слуховому пути, заканчивающемся в первичных (проекционных) отделах слуховой зоны коры, расположенных в поперечной извилине Гешля.

По достижении слуховой коры слуховая информация подвергается детальному анализу. Специфические клетки коры реагируют на включение или выключение звука, щелчки, частотную модуляцию (повышение, понижение, повышение и понижение, а также скорость изменений), локализацию стимула в пространстве, его перемещение, внутривидовую вокализацию и т.д.

Слуховая кора занимает внешние отделы височной области мозга и так же, как и зрительная (затылочная) часть коры, распадается на первичные (проекционные) и вторичные зоны. Она включает первичную слуховую кору, окруженную полосами вторичной слуховой коры и третичной слуховой коры (рис. 4).

а)

б)

Рис. 4. а) 2 – слуховая зона (Маркина Н., 2009)

б) первичная слуховая кора (Williamson D., 2009)

Первичная слуховая кора, имеющая общее сходство в устройстве со зрительной и соматосенсорной корой, организована в виде нейронных колонок, которые картируют частоту звука в нейронном выражении тех свойств звука, которые нужны для его локализации в пространстве: это разница в интенсивности для высоких частот и разница во времени для низких частот (Маунткасл В., 2005).

Слуховая информация поступает от волосковых клеток, находящихся во внутреннем ухе. Разные волос­ковые клетки имеют избирательную чувствительность к звуковому сигналу определенной частоты в диапазоне от 20 до 16000 Гц, то есть «настроены» на определенную высоту звука, обеспечивая кодирование информации по принципу локализации рецепторов. Нейроны, образующие кортикальные колонки слуховой коры, также настроены на один определен­ный тон. В передних областях слуховой коры находятся колонки, настроенные на высокие тоны, а позади них – колонки, получаю­щие информацию о более низких тонах.

Вторичные отделы височной коры играют решающую роль в дифференциации комплексов одновременно появляющихся слуховых раздражителей, а также последовательных серий звуковысотных отношений или ритмических звуковых структур.

В целом в слуховой коре наблюдается тот же принцип обработки информации, что и в зрительной: простые нейроны служат детекторами определения раз­личных составляющих звукового сигнала, а комплексные нейроны осуществляют их синтез, необходимый для целостного восприятия.

Основную информацию о звуковых колебаниях мозг получает в области частот до 4 кГц, так как все основные природные, то есть необходимые человеку для адаптации, звуки находятся в этой полосе частот (голоса людей и животных, шум воды, ветра, деревьев и т.п.). Частоты выше 4 кГц для человека считаются вспомогательными. Низкие частоты обеспечивают разборчивость, ясность аудиоинформации, высокие – субъективное качество звука (рис. 5).

Рис. 5. Границы восприятия звука слуховой системой человека

Органы слуха выполняют двойное кодирование звука – как спектральное, так и временное – таким способом, что оба вида представления могут быть одновременно доступны в сенсорном представлении, направленном в мозг. Механизм кодирования и слуховой образ звука сейчас широко изучаются в нейробиологии и нейроанатомии, а также в гештальтпсихологии.

Изначально слух выполнял важнейшую адаптивную функцию, так как был необходим человеку для выживания в дикой природе. Однако постепенно звуковые образы приобрели в человеческом сознании определенную эмоциональную окраску, помогая вызывать в нужное время требуемое эмоциональное состояние с помощью определенных акустических форм. Музыка как высшая форма организации звуковых образов возникла потому, что звук стал многомерным явлением: «С одной стороны, звук – это объективное физическое явление, колебательный процесс, порождающий в упругой среде быстро распространяющиеся волны. С другой же – субъективное психологическое: нечто воспринятое слухом и отразившееся в сознании в виде особого психического образа» (Назайкинский Е.В.).

Это «психологическое представление звуковой сущности, которая демонстрирует некоторую когерентность в своем акустическом поведении», в психоакустике называют слуховым образом. Когерентность в данном случае – это согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, когда разность фаз этих процессов остается постоянной во времени или меняется по строго определенному закону. Мозг структурирует акустические сигналы в терминах когерентных звуковых объектов, которые можно обнаружить и идентифицировать.

Исследованиями в области гештальтпсихологии и психоакустики установлено, что для разделения и распознавания различной звуковой информации, приходящей к слуховой системе от разных источников в одно и то же время (игра оркестра, разговор нескольких собеседников), слуховая система использует некоторые общие принципы.

Один из этих принципов – сегрегация, или разделение на звуковые потоки, когда слуховая система выделяет и удерживает определенную группу источников звука. Например, в вокальном ансамбле слух выделяет и прослеживает партии разных голосов или в звучании оркестра – партию одного инструмента. С возрастом параллельная звуковая сегрегация у человека становится менее эффективной и сопровождается трудностями восприятия нескольких раздельных звуковых сигналов.

Принцип подобия реализуется в том, что звуки, близкие по тембровым характеристикам, группируются вместе и приписываются одному источнику. Звуки речи с близкой высотой основного тона и похожим тембром определяются, как принадлежащие одному собеседнику, так же, как и звуки одного инструмента.

Принцип непрерывности заключается в способности слуховой системы интерполировать звук из единого потока через так называемый маскер. Если в речевой или музыкальный фрагмент входит короткий отрезок шума, слуховая система его не фиксирует, и звуковой поток продолжает восприниматься как непрерывный.

Наконец, так называемая «общая судьба» звуков проявляется в том, что звуки с одинаковым временем вступления и завершения и с синхронным изменением по амплитуде и частоте приписываются одному источнику.

Таким образом, мозг производит группировку поступившей звуковой информации последовательно, или горизонтально, выявляя распределение множества звуков по времени, а также параллельно, или вертикально, выделяя частотные компоненты звуков и их изменения. Все эти процессы объединяются в процессе слушания с помощью памяти. При этом закономерности восприятия звука человеком имеют существенно нелинейный характер, так как вертикальные и горизонтальные механизмы группировки могут находиться в сложном взаимодействии.

Когнитивные процессы, связанные с восприятием музыки, имеют непосредственное отношение и к таким факторам, как внимание, временная организация в восприятии, культурное знание. Психологи отмечают, что при слушании музыки происходит преобразование звуковых стимулов в потенциальные представления, которые являются не воспроизведением, но скорее абстракциями свойств стимулов. Мозг все время проводит сравнение поступившей звуковой информации с «записанными» в памяти звуковыми образами.

В отдельном звуке слуховая система человека выделяет пять основных свойств: громкость, тембр, высоту, продолжительность и пространственную локализацию. При этом громкость определяется амплитудой колебаний, тембр – амплитудой колебаний обертонов, высота – частотой колебаний. Слуховая система не может реагировать на звуки продолжительностью ниже 15 мс в силу так называемой инерционности слуха, связанной с устройством базилярной мембраны: кратковременный звук не может заставить мембрану резонировать на нужной частоте, и мозг не получает информации для распознавания. Высота тона начинает восприниматься спустя 15 мс для частот в полосе 1000-2000 Гц и через 60 мс – для частот ниже 500 Гц.

Важнейшим свойством слуховой системы является возможность определения высоты звука, что имеет огромное значение для выделения и классификации звуков в окружающем пространстве. Однако высота звука сложных сигналов определяется слухом только в том случае, если основной тон сигнала является периодическим. У непериодических сигналов – стука, выстрелов и т.д. – слух не может определить высоту. В соответствии с определением Международной организации по стандартизации (ISO) высота звука, измеряемая в мелах, – это субъективная характеристика, распределяющая звуки по некоторой шкале от низких к высоким.

В спектре звука большинства музыкальных инструментов есть наиболее выделяющаяся по амплитуде частотная составляющая – основная частота или основной тон. Именно она главным образом влияет на воспринимаемую высоту звука. Любая собственная частота звука выше основного тона называется обертоном. Те обертоны, частоты которых относятся к частоте основного тона как целые числа, называются гармониками, причем основной тон считается первой гармоникой (рис. 6).

Рис. 6. Шкала обертонов звука До

Если звук содержит в своем спектре только гармоники, то их сумма является периодическим процессом, и звук дает четкое ощущение высоты. Слуховая система группирует несколько гармоник с одинаковым частотным интервалом в одно ощущение высоты тона, так как кратковременная память оперирует только 6-7 символами. Основное влияние на оценку высоты тона оказывают первые 7-8 гармоник, еще 8-9 несут дополнительную информацию для оценки высоты и тембра; то есть наиболее значимыми для слуха являются только первые 15-17 гармоник. При определении высоты тона производится спектральный анализ как с помощью оценки места максимального смещения на базилярной мембране, соответствующего данной частоте, так и с помощью оценки временных интервалов высотных импульсов.

Музыкальные синтезаторы могут создавать огромное количество гармоник, тогда как для многих акустических инструментов существуют естественные пределы воспроизведения гармоник в силу механической природы их звучащего тела; в основном это пределы практического верхнего диапазона человеческого слуха, до 16 кГц.

Музыкальные звуки также запоминаются в виде некоторых гармонических шаблонов, которые формируются в детстве, аналогично звукам речи. Наиболее соответствующая внешнему сигналу частота шаблона и будет воспринимаемой высотой тона. В случае отсутствия фундаментальной частоты сравнение производится по отдельным гармоникам, после чего присваивается виртуальная высота тона (например, в звуке колоколов или литавр).

Совокупность обертонов, составляющих сложный звук, образует спектр этого звука. Частотные составляющие спектра – синусоидальные колебания (так называемые чистые тоны), каждое из которых имеет свою амплитуду, частоту и фазу. Любое самое сложное по форме звуковое колебание можно представить в виде суммы простейших синусоидальных колебаний определенных частот и амплитуд (рис. 7).

Рис. 7. Спектр звука (классическая гитара)

Способность различать два тона с разными частотами является важнейшей характеристикой слуховой системы человека. В полосе от 0 до 16 кГц слух способен различать до 620 градаций частот (в зависимости от интенсивности звука), при этом примерно 140 градаций находятся в промежутке от 0 до 500 Гц. Слуховая система может различить по высоте два звука, отличающихся по частоте всего на 0,2%. Эта способность лежит в основе восприятия мелодии и гармонической вертикали в музыке.

Слуховой аппарат человека является нелинейной системой. Нелинейность слуха выражается в том, что при восприятии громких звуков в слуховом аппарате зарождаются гармоники от 2-й до 9-й, которые являются субъективными, так как отсутствуют в звуковом сигнале.

Восприятие громкости звука также нелинейно и зависит от его частоты. Ощущение громкости одного и того же тона (измеряемой в фонах) зависит и от интенсивности звука (измеряемой в децибелах). Ухо человека достаточно устойчиво к действию звуков высокой интенсивности. Только когда эта интенсивность достигает 90–100 дБ (в зависимости от частоты) над порогом слышимости, возникает неприятное ощущение, поэтому такая интенсивность звукового давления называется уровнем слухового дискомфорта. Интенсивность звука, воспринимаемая слухом, варьирует, от 10 дБ (например, шорох листьев), до 120 дБ (реактивный двигатель) и до болевого порога, определяемого разными исследователями в 100-150 дБ.

Громкость звука соответствует субъективному восприятию силы звука и в психоакустике используется как психологическая характеристика восприятия звука, определяющая ощущение силы звука. На громкость влияют частота и длительность звукового сигнала.

Восприятие звукового сигнала у человека начинается с так называемого порога слышимости – минимальной интенсивности звука, или минимального звукового давления, при котором появляется слуховое ощущение. Чувствительность слуховой системы зависит как от громкости звука, так и от его частоты, и порог слышимости не одинаков на разных частотах: при частоте 3 кГц он составляет 0 дБ, а при частоте 200 Гц – около 15 дБ. Наибольшая чувствительность уха наблюдается на частотах от 2,0 до 5,0 кГц.

В настоящее время в психотерапии практикуется использование определенных, в том числе низких, частот для приведения мозга в измененное состояние и соответствующее расслабление. Однако слуховая система не воспринимает низкие частоты, типичные для волн мозга: например, ритмы дельта (1-3 Гц), тета-1 (4-5 Гц), тета-2 (6-7 Гц), альфа (8-13 Гц), бета-1 (14-20 Гц) находятся за пределами порога слышимости. В этом случае используется так называемая дифференциация сигнала, когда в разные уши поступают сигналы различной частоты в пределах порога слышимости, и слуховая система настраивается на разницу частот.

Ранее считалось, что звуковой сигнал анализируется слуховыми зонами левого полушария головного мозга человека. Однако недавно американские нейробиологи установили, что корковая обработка акустических сигналов является двусторонним процессом. Низкочастотные составляющие (3-5 Гц) неречевых акустических сигналов латерализованы в слуховых областях правого полушария, тогда как высокочастотные (20-50 Гц) – в левом полушарии.