ВЫСОТА ЗВУКА
Важнейшим свойством слуховой системы является возможность определения высоты звука. Это свойство имеет огромное значение для выделения и классификации звуков в окружающем звуковом пространстве, эта же способность слуховой системы лежит в основе восприятия мелодии и гармонии в музыке.
Высота зависит главным образом от частоты звукового стимула, но она также зависит от уровня звукового давления и от формы звуковой волны. Таким образом, ощущение высоты представляет собой субъективную линейную классификацию звуковых сигналов. Слуховая система способна различать высоту звука только у периодических сигналов. Если это сложный звук, то высоту слуховая система может присвоить по его основному тону, но только если он имеет периодическую структуру, т. е. спектр его состоит из гармоник (т. е. обертонов, частоты которых находятся в целочисленных отношениях); если это условие не выполняется, то высоту тона определить слуховая система не может (например, у звуков таких инструментов как тарелки, барабаны, кастаньеты и др.).
Нелинейная связь особенно выражена на низких и высоких частотах.
Ниже частоты 500 Гц можно различить примерно 140 градаций высоты тона, в диапазоне от 500 Гц до 16 кГц — примерно 480 градаций (всего 620 градаций).
В западноевропейской музыке, в инструментах с равномерно темперированной шкалой используется до 96 градаций высоты тонов, в то время как возможности слуховой системы гораздо шире, что является основой для современного развития микротоновой и спектральной музыки на основе компьютерных технологий.
Ощущение высоты чистого тона (одной частоты) связано не только с частотой, но и с интенсивностью звука и его длительностью. При повышении интенсивности звука ощущение высоты сдвигается: громкие низкие звуки кажутся еще ниже, а высокие звуки с повышением громкости кажутся слегка выше.
Ощущение высоты тона зависит и от его длительности: короткие звуки воспринимаются как сухой щелчок, но при удлинении звука щелчок начинает давать ощущение высоты тона. Время, требуемое для перехода от щелчка к тону, зависит от частоты: для низких частот требуется на распознание высоты тона примерно 60 мс, для частот 1-2 кГц примерно 15 мс (для сложных звуков это время увеличивается )
При предъявлении двух звуков разной частоты можно сказать, что действует принцип неопределенности: чем меньше разница по частоте, тем больше времени надо слуховой системе, чтобы распознать различие по высоте тона.
Механизмы определения высоты тона до 5 кГц и выше 5 кГц существенно различаются.
Теория места при восприятии высоты основана на способности базилярной мембраны выполнять частотный анализ сложного звука, т. е. действовать как спектральный анализатор. Звуковой сигнал вызывает появление на мембране бегущей волны, при этом максимумы смещения бегущей волны располагаются в разных местах базилярной мембраны в зависимости от частоты.
В 1940 году Шаутен продемонстрировал, что ощущение высоты тона (сложной периодической волны) не изменится, если вырезать в музыкальном тоне фундаментальную частоту. Этот эксперимент получил название «феномен пропущенной фундаментальной».
Теория места создает базис для понимания того, как можно определить высоту из анализа гармонического ряда, но она имеет и ряд проблем, которые не может объяснить: например, очень высокая точность определения высоты звука для тонов, чьи частотные компоненты не развертываются (т. е. звуки с гармониками выше седьмой) и др.
Временная теория базируется на анализе временной структуры звуковой волны.
Основу временной теории составляет анализ формы волны в различных частях базилярной мембраны. Форма волны звукового сигнала, выходящего из этого набора фильтров, должна иметь вид, показанный на рис. 3.7.4.
Основа временной теории восприятия высоты тона заключается в том, что высшие отделы слуховой системы определяют периодичность разрядов и по ним восстанавливают частоту основного тона.
Временная теория дает базу для понимания, как фундаментальная частота может быть найдена на основе анализа временных интервалов между нервными импульсами от различных мест на базилярной мембране и по ней определена высота тона. Однако временная теория не объясняет восприятия высоты тона на частотах выше 5 кГц, т. к. эффект фазового запирания не срабатывает на этих частотах.
Пространственно-временная теория восприятия высоты тона
Современная теория слухового восприятия высоты тона базируется как на теории места, так и на временной теории. Согласно современным взглядам, мозг извлекает информацию от периферической слуховой системы как за счет индикации места (частотный анализ), так и за счет распознавания формы звуковой волны (временной анализ);
Анализ восприятия высоты музыкального тона с помощью предложенной модели позволил получить ряд интересных результатов:
— для музыкальных тонов с фундаментальной частотой от 100 до 400 Гц (с уровнем звукового давления не менее 50 дБ) основную роль в определении высоты тона играют первые пять-шесть гармоник, т. е. те гармоники, которые развертываются слуховыми фильтрами (временная теория);
— музыкальные сигналы, содержащие очень низкие частоты (с фундаментальной частотой ниже 50 Гц — звуки органа, например), вызывают ощущение высоты тона только по гармоникам, т. к. такие низкие частоты не вызывают смещений базилярной мембраны (они на ней «не размещаются»), при этом наиболее существенную роль играют пятые-шестые гармоники;
— музыкальные звуки, содержащие только неразвернутые гармоники (свыше шестой), могут дать ощущение высоты тона по огибающей, при этом слух дает достаточно тонкую дифференциацию сдвига максимумов огибающей, т. е. достаточно точно чувствует высоту;
— звуковые сигналы, содержащие только очень высокие гармоники (свыше двадцатой), не вызывают ощущения высоты тона;
— фазовые соотношения различных гармоник в музыкальном сигнале оказывают влияние на восприятие высоты, т. к. их изменение приводит к изменению структуры огибающей для высших неразвернутых гармоник. Для музыкальных сигналов, содержащих много низких и высоких гармоник, изменение фазовых соотношений может приводить к улучшению четкости восприятия высоты (возрастает «сила высоты»), не вызывая ее сдвига, т. к. они не влияют на оценку низших «развернутых» гармоник.
Таким образом, в соответствии с этой моделью гармоники собираются вместе, сравниваются центральным процессором с гармоническим эталоном (шаблоном) и по нему синтезируется высота музыкального тона.