Текст книги "Мозг слушает. Как создается осмысленный звуковой мир"

Нина Краус
Мозг слушает. Как создается осмысленный звуковой мир

Посвящается Мики, Расселу, Нику и Маршаллу

NINA KRAUS

OF SOUND MIND

HOW OUR BRAIN CONSTRUCTS A MEANINGFUL SONIC WORLD

This edition is published by arrangement with Anne Edelstein Literary Agency LLC and The Van Lear Agency

Издание осуществлено при поддержке “Книжных проектов Дмитрия Зимина”

© Nina Kraus, 2021

© Т. Мосолова, перевод на русский язык, 2023

© ООО “Издательство АСТ”, 2023

Издательство CORPUS^®

Книжные проекты Дмитрия Зимина

Эта книга издана в рамках программы “Книжные проекты Дмитрия Зимина” и продолжает серию “Библиотека фонда «Династия»”. Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании “Вымпелком” (Beeline), фонда некоммерческих программ “Династия” и фонда “Московское время”.

Программа “Книжные проекты Дмитрия Зимина” объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных книг “Библиотека фонда «Династия»”, издательское направление фонда “Московское время” и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы “Просветитель”.

Подробную информацию о “Книжных проектах Дмитрия Зимина” вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru

Введение
О звуковом разуме: партнерство между звуком и мозгом

Непризнанный звук, недооцененный слух

Редко так бывает, что нет никаких звуков. Теоретически звуконепроницаемые помещения существуют. Но если вам когда-нибудь случалось попадать в такое помещение, вы быстро улавливали шорох своей одежды, когда переступали с ноги на ногу, собственное дыхание, приглушенные удары сердца, хруст в шее при повороте головы, легкое шуршание языка, трущегося о заднюю поверхность зубов, урчание в животе. Вокруг нас всегда есть звук – вездесущий и невидимый.

Наш слух постоянно включен. Мы не можем закрыть уши так, как закрываем глаза. Но, возможно, в большей степени, чем любой другой сигнал, мы можем игнорировать малозначимые звуки, так что они отодвигаются куда-то на задворки нашего сознания. Всем знакомо ощущение, когда мы обращаем внимание на звук, только когда он внезапно прекращается. Перестал гудеть холодильник? Или заглушили мотор у стоявшего поблизости грузовика? Или соседи снизу выключили телевизор? Постоянное присутствие звука в сочетании с нашей способностью не обращать на него внимания делают наши отношения со звуком весьма сложными. Это наше важнейшее средство коммуникации, и в этом качестве оно играет центральную роль в межчеловеческом общении. Однако часто слух воспринимают как данность. Большинство из нас, возникни такая дилемма, отказались бы от слуха, но не от зрения, поскольку мы способны представить себе обыденную жизнь в тишине, но не в темноте. Мы недостаточно признаем звук. И недооцениваем слух.

Мой интерес к звуку проявился рано. Я росла среди музыки – мама была пианисткой. В детстве я больше всего любила играть под роялем. Я приносила туда кукол и играла с ними под музыку Баха, Шопена, Скрябина. Кроме того, я росла в доме, где говорили на нескольких языках, поскольку мы все время перемещались между Нью-Йорком и маминым родным Триестом в Италии. В обеих странах у меня были родственники и друзья, и я достаточно хорошо владела обоими языками. Этот ранний музыкальный и языковой опыт очень на меня повлиял, и именно поэтому позднее, когда я стала нейробиологом и преподавательницей, моим любимым предметом стали биологические основы речи и музыки. Этот курс и эта книга о звуке – о его богатстве, значении и силе – и о том, как мозг осмысливает звук и делает нас такими, какие мы есть.

Путь от маминого фортепиано до изучения необыкновенно точного слухового мозга, обрабатывающего звуки нашей жизни, не был прямым. Поначалу в университете мой интерес к словам и языкам привел меня в сферу сравнительного литературоведения. Это было моей специализацией, пока я не стала изучать биологию. Примерно в это же время я обнаружила книгу Эрика Леннеберга “Биологические основы языка”[1]1
  E. H. Lenneberg. Biological Foundations of Language. New York: Wiley, 1967.


[Закрыть] (звучит знакомо?). Леннеберг писал о биологических и эволюционных принципах, обеспечивающих существование речи. Он по-новому для того времени объединил изучение речи с изучением биологии. И это привлекло мое внимание. Я поняла, что это возможная область исследований и что мне интересно этим заниматься. Но мне не хотелось ограничиваться изучением речи. Мой интерес был более широким – звук так таковой. Звуком наполнено все, что находится снаружи от нас, но что происходит внутри мозга, когда мы слышим слово, аккорд, мяуканье или визг? Как звуки нас изменяют? Как наш звуковой опыт изменяет наше восприятие звука? В качестве предмета исследований я выбрала биологию обработки звука.

Поступив в аспирантуру, я поняла, что могу получать деньги, чтобы учиться. У меня была стипендия 200 долларов в месяц, а за квартиру я платила 50 долларов. Все устроилось! Теперь мне оставалось лишь представить себе, как я буду заниматься изучением биологии обработки звука. Вскоре я оказалась в лаборатории и стала изучать двухтоновое подавление в слуховом нерве шиншиллы – влияние одного звука на другой при их одновременном звучании[2]2
  D. Harris et al. “Forward and Simultaneous Tonal Suppression of Single-Fiber Responses in the Chinchilla Auditory Nerve”. Journal of the Acoustical Society of America 60 (1976): S81.


[Закрыть]. Когда я с энтузиазмом рассказывала все это маме, она посмотрела на меня и спросила: “Нина, что ты делаешь?” В тот момент я поняла, что не могу объяснить маме, почему двухтоновое подавление звука у шиншиллы важно и для нее. Почему я хочу это изучать? Нина, а что ты делаешь?

Мне стало ясно, что я не хочу тратить время, если не могу объяснить маме, на что я его трачу. Я поняла, что наука, которой я занимаюсь, должна иметь очевидную связь с жизнью. Меня все еще чрезвычайно интересовали звук и мозг, и поэтому я перешла в другую лабораторию, где работала со слуховой корой кроликов. Здесь я обнаружила, что после тренировки – научения присваивать звукам смысл – отдельные нейроны слуховой коры меняют поведение[3]3
  N. Kraus, J. F. Disterhoft. “Response Plasticity of Single Neurons in Rabbit Auditory Association Cortex during Tone-Signalled Learning”. Brain Research 246, no. 2 (1982): 205–215.


[Закрыть]. Если звук не имеет большого значения, мозг реагирует на него одним образом. Но если тот же звук приобретает смысл (например, когда за этим звуком следует еда), мозг реагирует иначе. Возникает связь между звуком и мозгом, имеющая отношение к реальному миру. Смысл внешних по отношению к мозгу сигналов имеет значение для сигналов внутри мозга. В то время это было новым, и, что еще важнее, это можно было объяснить маме. Она могла увидеть в этом смысл – любой мог увидеть смысл. Я решила понять, как и почему мозг меняет реакцию на звук, если у него есть смысл.

Звук связывает нас с миром

Умение воспринимать звук появилось очень давно. Механизм слуха есть у всех позвоночных. Однако многие позвоночные слепы, в том числе некоторые кроты, земноводные и рыбы, а также некоторые обитатели пещер. Восприятие звука эволюционировало в качестве защитного механизма – как система предупреждения о наличии хищников или других опасностей в окружающем пространстве. Возможно, стресс от уличного шума в XXI веке – это тень прошлого, когда наши далекие предки реагировали на шум, предвещавший сход лавины или приближение стада бегущих животных.

Хелен Келлер[4]4
  Хелен Келлер – американская писательница, политическая активистка. В раннем возрасте после перенесенной болезни полностью потеряла зрение и слух. – Прим. перев.


[Закрыть] говорила, что “слепота отделяет нас от вещей, а глухота отделяет от людей”. Звук отражает то, что мы не можем увидеть и не можем описать. Вспомните, как мама спрашивала вас: “Что случилось?” в тот момент, когда поднимала телефонную трубку и слышала ваш не совсем адекватный голос. Звук невидим, но ощутим и насыщен смыслом.

Тогда почему же первое место среди “главных чувств” при опросах занимает зрение?[5]5
  A. W. Scott et al. “Public Attitudes about Eye and Vision Health”. JAMA Ophthalmology 134, no. 10 (2016): 1111–1118.


[Закрыть][6]6
  Около 2000 взрослых американцев в интернете отвечали на вопрос, какую болезнь или состояние они сочли бы “худшим, что может с ними случиться”. Самым ужасным состоянием была названа слепота, которая обогнала глухоту и ряд других тяжелых заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, рак и потерю конечности.


[Закрыть] Почему Институт зрения Национального института здоровья был основан на 20 лет раньше Института слуха? Я думаю, одна из причин заключается в том, что мы забываем, как слушать. Непрекращающийся шум вокруг сделал нас нечувствительными к звуку и лишил способности слышать его оттенки. Поэтому мы решили не обращать внимания на звук и ориентироваться с помощью зрения. Другая причина в том, что, подобно силе тяжести и другим мощным силам в нашем мире, звук невидим. Когда в последний раз вы обращали внимание на силу тяжести? Мы не видим звук – значит, не о чем и думать. Наконец, звук непостоянен. Если мы видим комбайн, идущий по кукурузному полю, он остается громоздким желтым металлическим предметом, даже если перемещается из одной части нашего поля зрения в другую. Он обладает постоянством. Он ждет нас, чтобы погрузить в свое “комбайнство”, и вознаграждает наше долгое и неспешное разглядывание набором видимых признаков. Но звук может мгновенно прекратиться или со временем превратиться в другой звук. А когда он затих, он затих.

Давайте рассмотрим мельчайшую единицу речи с точки зрения акустики. Слово “крот” имеет всего одну гласную, но четыре различимые фонемы, или четыре отдельных звука. Замените любую из них, и смысл изменится (“грот”) или исчезнет (“нрот”). В разговорной речи мы каждую секунду слышим от 25 до 30 фонем, и если не обрабатывать их правильно, смысл может потеряться. Однако в большинстве случаев этот вихрь звуков не доставляет особенных проблем нашей скоростной слуховой системе. Представьте себе, что нужно было бы обрабатывать зрительный сигнал, изменяющийся 25 или 30 раз в секунду. Это мяч! А теперь жираф! А теперь облако!

Как же нам удается распознавать речь, если она разворачивается слишком быстро для неторопливого анализа? Мы используем невероятную скорость и вычислительную способность слухового мозга. Представьте себе длительность секунды. А теперь представьте себе десятую долю секунды. А теперь сотую долю. Трудно даже осознать, насколько это быстро. А теперь добавьте еще один ноль. Слуховые нейроны осуществляют вычисления в диапазоне тысячных долей секунды. Свет быстрее звука, но в головном мозге слух быстрее зрительного, тактильного или любого другого ощущения.

Наш слышащий мозг совмещает восприятие, движение, мышление и ощущение

Мы не просто слышим звуки; мы взаимодействуем с ними, когда придаем им смысл. Наш слышащий мозг обширен. Слышать – значит чувствовать, двигаться, мыслить и ощущать. Но до последнего времени мы так не думали.

Замечательные специализированные слуховые структуры, соединяющие ухо с мозгом, на первый взгляд напоминают рабочих на конвейере. Исходный продукт (звук) проникает в ухо и далее передается от этапа к этапу, приобретая по дороге дополнительные части. Эта иерархическая однонаправленная схема – классическое описание процесса обработки звука. Оно до сих пор применяется, но является слишком упрощенным и неполным. Путь обработки звука – не улица с односторонним движением посреди пустыни; это часть многостороннего скоростного шоссе в оживленном урбанистическом центре, с въездами и съездами, перекрестками с круговым движением и транспортными развязками, которые направляют движение ко многим и из многих соседних отделов мозга. При максимальной эффективности – это чудо инфраструктуры, где движение происходит быстро и гладко. Но, как и на городской магистрали, здесь случаются неожиданности, вызванные аварией в другой части города, в километре от плотного потока, в котором я сейчас нахожусь.

Да, в слуховых путях существует иерархия, отделы и специализация, но их значимость определяется степенью их взаимосвязи и связи с внешними силами. Такие человеческие достижения, как речь и музыка, возможны не благодаря активности центров по обработке звука, деловито передающих информацию о звуковом пространстве в одну сторону от уха к мозгу. Скорее эти достижения являются результатом обширной сети взаимосвязей между нашей сенсорной системой, двигательной системой, системой мотивации и вознаграждения, а также когнитивных центров, управляющих нашим мышлением. На самом деле слух включает в себя чувства, движения, мышление и ощущения (рис. i.1).

Рис. i.1. Извлечение смысла из звука зависит от того, как мы думаем, чувствуем, ощущаем и движемся.

Связи между слуховыми и двигательными центрами позволяют нам двигать ртом, языком и губами, чтобы говорить и петь, и непосредственно задействовать различные части тела, когда мы играем на музыкальных инструментах. Когда мы слышим речь, мы бессознательно осуществляем движения языком и другими артикуляционными мышцами синхронно с говорящим.

Слух и мышление связаны между собой. Мы можем издавать какие-то звуки инстинктивно (вспоминается звук, который раздается, когда я попадаю молотком по пальцу). Но для того чтобы произнести даже простейшую фразу или исполнить самую примитивную музыку, требуются значительные когнитивные, интеллектуальные способности. И эта связь двусторонняя. У людей со сниженным слухом значительно повышен риск деменции. И дело не просто в том, что глохнущему дяде Джо трудно следить за разговором и поэтому он кажется отставшим от жизни. Потеря слуха затрудняет мышление[7]7
  F. R. Lin, M. Albert. “Hearing Loss and Dementia – Who Is Listening?” Aging & Mental Health 18, no. 6 (2014): 671–673.


[Закрыть].

Звуки речи и музыки имеют привилегированный доступ к мозговой сети эмоций, или вознаграждения. Возможно, речь и музыка появились только для создания глубокого эмоционального ощущения связи с другими людьми, возникающего в процессе этих социальных действий. На самом деле звук обеспечивает часть нашего ощущения принадлежности к миру, нашего персонального ощущения дома.

Теперь уже многие считают, что слух – не изолированный и однонаправленный процесс, однако сдвиг в сторону такого понимания произошел сравнительно недавно – на протяжении моей карьеры. Связь слуховой системы с остальным мозгом оказывает чрезвычайно сильное влияние на процесс обработки звука. Это ядро нашего опыта в отношении звука, общения с людьми и нашей индивидуальности.

Слышащий мозг формируется опытом

Мы с мужем часто спорим по поводу настройки батареи, поскольку по-разному воспринимаем температуру. Сенсорные системы – не научные приборы, объективно измеряющие физические параметры, такие как масса или температура. Наш мозг форматирует сигналы из физического мира, так что они приобретают для нас смысл. Придание смысла звуку в значительной степени определяется тем, как мы чувствуем, думаем, видим и движемся. Верно и обратное: слух влияет на то, как мы чувствуем, думаем, видим и движемся.

Я уверена, что моя реакция на слово “Нина” отличается от вашей. В тональных языках, таких как китайский, один и тот же слог имеет разное значение, если произносится с ровной, повышающейся или понижающейся высотой. Поэтому человек, говорящий на китайском, в большей степени, чем говорящий на английском, подключает мозговые ресурсы для кодировки высоты[8]8
  A. Krishnan et al. “Encoding of Pitch in the Human Brainstem Is Sensitive to Language Experience”. Cognitive Brain Research 25, no. 1 (2005): 161–168.


[Закрыть]. Со временем совместная работа звука и мозга меняет реакцию мозга на звук. Именно за счет такой настройки ребенок выделяет голос матери из всех голосов, даже если матери нет в поле зрения, и по этой же причине в нашей лаборатории мозг девочки по имени Дейна чрезвычайно активно реагировал на слог “дей” по сравнению со слогами “ду”, “до”, “да” и “ди”, которые она слышала в одном из наших экспериментов (рис. i.2).

Рис. i.2. Обработка звука в мозге зависит от того, на каком языке мы говорим, от музыки, которую мы исполняем, и от здоровья нашего мозга.

Без границ

Когда мне было пять лет, соседские дети говорили: “Ты сможешь играть с нами, когда тебе будет шесть”. Этот и другой подобный опыт, а также связь с двумя культурами – ощущение себя не полностью итальянкой и не полностью американкой – долгое время заставляли меня задумываться над тем, кто я есть. Где мне место как ученому? Я всегда чувствовала себя более комфортно на стыке дисциплин, чем в центре какой-то одной, и именно в таком контексте я создавала свою лабораторию Brainvolts.

Если вы посмотрите на сайт Brainvolts, вы увидите в спектре изучаемых проблем музыку, сотрясения мозга, старение, чтение и двуязычие. Вы можете поинтересоваться: “Что же они там делают в Brainvolts?” Говоря попросту, одна объединяющая тема – взаимодействие звука и мозга. Звук пронизывает многие стороны нашей жизни и, соответственно, формирует наш мозг.

Мой муж называет Brainvolts “ларьком с хот-догами”. Моя работа заключается в том, чтобы создать всю необходимую инфраструктуру “для продажи хот-догов”. Ученому требуется специализированное оборудование и, главным образом, правильные люди. И это может быть очень трудно, поскольку мои интересы редко соответствуют критериям специализации большинства источников финансирования. Я часто чувствую себя так, как будто мне все еще пять лет и мне говорят: “Мы финансируем только шестилетних”. В этом проблема междисциплинарных исследований, но, к счастью, мне удается поддерживать работу ларька с хот-догами. Потрясающе, что наука свела меня с удивительными людьми вне исследовательской и академической сферы. В Brainvolts наука в первую очередь и главным образом определяется людьми, которые привносят свои уникальные идеи для достижения общей цели. Наша наука зависит от наших коллег в сфере образования, музыки, биологии, спорта, медицины, производства – от людей, работающих вне лаборатории, в том мире, в котором мне хочется поселить нашу науку. Как заметил нейробиолог Норм Вейнбергер, “для природы нет дисциплин”.

Brainvolts, как и мозг, представляет собой интегрированную и реверберирующую системную сеть, объединенную уникальными и специализированными составляющими – членами команды. За 30 лет существования лаборатории мне необычайно повезло работать с выдающимися людьми с их собственными интересами, взглядами и навыками, но с неизменным интересом к взаимодействию звука и мозга. Мы проанализируем эти связи (как в мозге, так и в лаборатории) на страницах книги.

Звуковой разум

Когда книга начала обретать форму, я стала отсылать черновики друзьям и родственникам, чтобы узнать их мнение. Я хотела знать, понятно ли я излагаю, интересна ли эта тема самым разным читателям. По большей части это были мои ближайшие родственники, среди которых, что удобно, есть шеф-повар, адвокат, строитель, музыкант и художник. Достаточно скоро мой зять-адвокат спросил, о чем эта книга – о звуке или о мозге. Это заставило меня уточнить, что книга и о том и о другом. Книга о звуке, о том, что с ним делает мозг, а также о том, что это дает нам, – о звуковом разуме.

Иными словами, я рассматриваю звуковой разум как некую силу, объединяющую прошлое, настоящее и будущее. Звуки, с которыми мы имели дело на протяжении всей жизни, определяют состояние нашего мозга сегодня. Мозг в свою очередь принимает сегодня решения о том, как формировать наш звуковой мир в будущем – и не только в нашем индивидуальном будущем, но в будущем наших детей и общества в целом. То есть разум регулирует систему обратной связи, которую, что важно, мы в состоянии в некоторой степени контролировать. У нас есть возможность выбирать звук – хорошо это или плохо. Примем ли мы правильные решения, чтобы создать добродетельный круг обратной связи? Или ошибочные решения, которые запустят порочный круг?

Я биолог и интересуюсь тем, как звук развивает нашу звуковую индивидуальность и позволяет включаться в мир. Я хочу понять процесс обработки звука в мозге – звуковой разум – с точностью, которую я научилась регистрировать непосредственно на уровне отдельных нейронов. В книге мы проанализируем сигналы, поступающие из внешнего мира (звуковые волны), и сигналы внутри головы (мозговые волны). Мы увидим, что обогащает процесс обработки звука, а какие факторы оказывают на него пагубное влияние. Мы увидим, что музыка имеет силу лечить, а шум разрушает нервную систему. По пути мы обсудим, что происходит со звуковым мозгом, если мы говорим на иностранном языке, имеем речевые нарушения, ощущаем ритм, слышим пение птиц или получаем сотрясение мозга.

Звук – невидимый союзник и враг здоровья мозга. Наше взаимодействие со звуком сильнейшим образом определяет, кто мы такие. Звуки нашей жизни формируют наш мозг, на горе и на радость. И наш звуковой разум, в свою очередь, влияет на наш звуковой мир – опять же, на горе и на радость. Станем ли мы хорошими слушателями или плохими? В зависимости от того, что мы ценим в звуке, каким мы будем строить звуковой мир, в котором нам жить? Целостное понимание биологических последствий нашей жизни в звуковом мире позволяет делать лучший выбор для нас самих, наших детей и всего общества.

Хочется думать, что мама получила бы удовольствие от чтения этой книги.

Часть I
Как работает звук

Глава 1
Сигналы из внешнего мира

Эта вводная глава рассказывает о сигналах, раздающихся за пределами нашей головы, – о звуке. Звук – это всего лишь перемещающиеся туда-сюда молекулы воздуха. Замечательно, что этот простой механизм создает бесконечное разнообразие звуков – от Баха до скворчанья яичницы на сковородке, от песни “Rocky Raccoon” до копающегося в помойном баке енота. Звуки бывают громкими и тихими, высокими и низкими, консонансными или диссонансными, быстрыми и медленными, грубыми, визгливыми, хаотичными, полифоническими, свистящими или монотонными. Предлагаю вам прочувствовать красоту свойств звука – его компонентов, о которых мы будем говорить вновь и вновь по мере исследования звукового разума.

Звук – это движение. Когда дергают гитарную струну, она заставляет двигаться воздух в ближайшем окружении. На рис. 1.1 изображены колебания гитарной струны после щипка. Слева показана струна в свободном состоянии, и справа от нее – дюжина маленьких молекул воздуха. Когда гитарная струна находится в покое, локальное атмосферное давление составляет около 14,7 фунта на квадратный дюйм – давление воздуха на уровне моря. Когда струну дернули, она быстро отклоняется вправо и молекулы воздуха прижимаются ближе друг к другу, создавая более высокое давление[9]9
  Это очень-очень небольшая перемена давления. Если я правильно использую формулы и единицы измерения, щипок гитарной струны поднимает атмосферное давление от 14,7 до 14,700003 фунта/дюйм².


[Закрыть]. Затем, через очень небольшой промежуток времени (сотые или тысячные доли секунды в зависимости от высоты ноты), гитарная струна движется в обратном направлении, минует исходное положение и смещается чуть левее. Тогда молекулы воздуха справа опять рассеиваются, и давление снижается. Но молекулы не возвращаются сразу к исходному состоянию, как было до натяжения струны. Теперь они рассеяны чуть в большей степени (занимают больший объем) и, следовательно, создают меньшее давление, чем было до первого движения струны. Затем они опять сжимаются, и опять рассеиваются, и еще, и еще, каждый раз чуть слабее, и, наконец, движение прекращается, вибрация затихает, звук умирает. Движение было звуком, и когда движение прекратилось, прекратился и звук.

Рис. 1.1. Струна сдвигает окружающие ее молекулы воздуха.

Компоненты звука

Большинство звуков определяется несколькими компонентами (рис. 1.2), как видимый предмет определяется формой, цветом, материалом и размером. Поскольку звук невидим, компоненты звука не так очевидны, но они чрезвычайно важны для осмысления звука. Я считаю, что если думать о звуке в терминах составляющих его компонентов – признавая важность того, что происходит с движущимися молекулами воздуха, – то его обработка в мозге становится еще более удивительной. Чтобы проследить за этими чудесными компонентами, я считаю, что полезным организующим принципом является представление о звуке в терминах высоты, временной развертки и тембра.

Рис. 1.2. Бесконечное разнообразие звуков возникает из-за движения воздуха и описывается небольшим количеством компонентов.

Высота

Высота – это то, что отличает “высокий” звук от “низкого”. Звук флейты мы называем высоким, а звук тубы – низким. То, что мы слышим и описываем этими терминами, является проявлением физического свойства частоты. Мы слышим высокий звук, когда колебания от высокого давления воздуха к низкому происходят очень быстро – с высокой частотой. Низким звукам соответствуют более медленные изменения давления воздуха – с низкой частотой (рис. 1.3). Высота звука – это категория восприятия, а частота – измеряемое физическое свойство. Нам следует хорошо понимать разницу между высотой и частотой, поскольку они не всегда идеально коррелируют.

Рис. 1.3. Серая волна описывает больше циклов (имеет большую частоту), чем черная, и поэтому звучала бы на более высокой ноте.

Частота не в качестве научной меры высоты звука, а как слово английского языка означает число каких-то событий за фиксированный интервал времени. Вы можете получать зарплату два раза в месяц. В городе Тампа во Флориде за год в среднем бывает 78 гроз. Я получаю спам по электронной почте 22 раза в неделю. Во всех этих случаях речь идет о частоте. Число колебаний давления воздуха в секунду отличает высоту звучания флейты от высоты звучания тубы. Число подобных событий в единицу времени (в секунду) измеряется в герцах (сокращенно Гц). Человеческое ухо воспринимает частоту колебаний давления воздуха в диапазоне от 20 до 20 000 Гц. Высоко звучащая флейта издает звуки с частотой от 250 до 2500 Гц, а низко звучащая туба – от 30 до 380 Гц. Забавно, что эти диапазоны частично перекрываются! Непременно напишу концерт для тубы и флейты, где более высокую партию будет исполнять туба.

Однако между частотой звука и высотой, которую мы слышим, не всегда соблюдается идеальная корреляция. Если мы улавливаем высоту звука (если этот звук можно пропеть), частота, на которой мы его пропоем, называется основной частотой. Волновые линии на рис. 1.4 имеют одинаковое количество пиков и провалов (примерно 35), так что номинально они имеют одну и ту же частоту. Однако они включаются и выключаются (модулируются) с разной скоростью. И высота слышимого нами звука определяется скоростью модуляции, а не частотой модулируемой волны.

Рис. 1.4. Черная и серая волны имеют одинаковую частоту. Однако скорость модуляции разная, то есть звук, обозначенный серой волной, включается и выключается быстрее, и поэтому он звучит выше, чем звук, обозначенный черной волной. Более быстрая модуляция звука, происходящая из-за более быстрых колебаний голосовых связок у женщин, объясняет более высокие голосовые ноты при произнесении одних и тех же слов.

Примером служит человеческий голос. Высота (основная частота) человеческой речи варьирует в диапазоне от 50 до 300 Гц. Основная частота речи соответствует скорости открытия и закрытия голосовых складок, приводимых в движение нашим дыханием. Скорость движения голосовых складок у мужчин самая низкая, так что у них более низкие голоса, а у детей – самая высокая, и голоса у них высокие. Интересно, что высота голоса разная не только у разных индивидуумов и разных полов, но связана и с некоторыми другими неожиданными факторами. Различия в основной частоте в целом наблюдаются у людей, говорящих на разных языках[10]10
  T. D. Hanley et al. “Some Acoustic Differences among Languages”. Phonetica 14 (1966): 97–107; A. B. Andrianopoulos et al. “Multimodal Standardization of Voice among Four Multicultural Populations: Fundamental Frequency and Spectral Characteristics”. Journal of Voice 15, no. 2 (2001): 194–219.


[Закрыть], а также в разных демографических группах людей, говорящих на одном и том же языке[11]11
  S. A. Xue et al. “Speaking F0 Characteristics of Elderly Euro-American and African-American Speakers: Building a Clinical Comparative Platform”. Clinical Linguistics & Phonetics 15, no. 3 (2001): 245–252.


[Закрыть]. Возможно, вы и по себе заметили, что двуязычные люди обычно говорят на одном языке на более высоких нотах, чем на другом[12]12
  B. Lee, D. V. L. Sidtis. “The Bilingual Voice: Vocal Characteristics when Speaking Two Languages across Speech Tasks”. Speech, Language and Hearing 20, no. 3 (2017): 174–185. Глава 2. Сигналы внутри головы


[Закрыть].

Тембр

В музыке тембр – важнейший параметр, позволяющий различить два инструмента, исполняющих одну и ту же ноту. В речи это главное средство для различения одного звука (гласного или согласного) от другого. Мужчина и женщина произносят одно и то же: основная частота (высота голоса) позволяет определить, кто есть кто. Женщина произносит два разных слова: тембр помогает отличить ее “со” от “су”. Физической мерой высоты звука является основная частота, а тембр определяется гармониками – более высокими частотами, чем основная частота.

Полезно знать, из каких частот состоит конкретный звук. Речь идет о так называемом звуковом спектре. Спектр камертона состоит из одной-единственной частоты и поэтому представляет собой одну тонкую вертикальную линию, как на верхней панели на рис. 1.5. У этого звука нет гармоник, только основная частота. Естественный звук, такой как “до” первой октавы в исполнении тромбона или кларнета, имеет пик в спектре на основной частоте “до” первой октавы, соответствующей 262 Гц, а также дополнительные пики на частотах, кратных основной частоте (524, 786 Гц и т. д.) Это и есть гармоники (гармонические обертоны). Как показано на средней и нижней панели на рис. 1.5, не все гармоники обладают одинаковой энергией. Относительный энергетический уровень гармоник является характеристикой тромбона и кларнета и объясняет, почему мы слышим разницу между ними. Уникальный характер гармоник определяется формой и конструкцией инструмента, производящего звук. Аналогичным образом форма и положение языка, губ и носа определяют спектр гармоник, характеризующих разные звуки речи.

В зависимости от положения губ и языка и от объема проходящего через рот и нос воздуха мы изменяем спектр издаваемого звука (какие-то из гармоник усиливаются), как показано на рис. 1.6. Хотя в спектре двух гласных звуков есть пики, отстоящие друг от друга на 100 Гц (поскольку в данном примере основная частота составляет 100 Гц), высота пиков, изображенных серыми линиями, очень разная. Это речевой аналог разницы между звуками тромбона и кларнета. В случае звука “и” два максимума серой линии приходятся на частоты 300 и 2300 Гц, в случае звука “у” они располагаются примерно на частотах 400 и 1000 Гц. Спектр речи имеет выпуклости – области с максимумом энергии, называемые формантами. Интересно, что эти полосы акустической энергии достаточно похожи у разных людей. Человек с высоким голосом имеет пики для звука “у” где-то в районе частот 400 и 1000 Гц, как и человек с низким голосом.

Рис. 1.5. Спектр камертона представляет собой единственную вертикальную линию на одной конкретной частоте – в данном случае 262 Гц, что соответствует ноте до первой октавы. В звуковом спектре инструмента, исполняющего ноту до, есть пик на частоте 262 Гц, а также несколько гармоник на кратных частотах. Звук “до” первой октавы в исполнении тромбона или кларнета имеет разный рисунок гармоник из-за резонансных характеристик этих инструментов. Спектры помогают понять, почему одна и та же нота до первой октавы звучит по-разному в исполнении разных инструментов (по оси x отложены частоты, по оси y – энергия).

Рис. 1.6. Вверху: спектр звука “и”, как в слове “лик”. Внизу: спектр звука “у”, как в слове “лук”. Оба звука имеют одинаковую основную частоту, но распределение энергии в гармониках различается принципиальным образом (по оси x отложены частоты, по оси y – энергия).

Таким образом, тембр – это восприятие звука, связанное с его гармоническим содержанием. Расположение гармоник и их относительная высота – физические свойства звука, позволяющие нам по тембру определять разницу между двумя инструментами или двумя голосами. В речи группы гармоник выделяются в спектре конкретных слов или слогов. Рисунок 1.7 иллюстрирует полный диапазон частот (основных частот и гармоник) голоса и некоторых музыкальных инструментов.

Рис. 1.7. Полный диапазон частот голоса и музыкальных инструментов. Слева показан диапазон основных частот, справа – диапазон гармоник.

Временная развертка

До сих пор мы говорили о камертоне, отдельных музыкальных нотах и гласных – все это примеры звуков, устойчивых на протяжении какого-то времени. Однако существует группа звуков, для которых определяющей характеристикой является время – не в том смысле, когда начинается и заканчивается звук, как слог или музыкальная нота, а в том смысле, как и когда звук развивается во времени. К этой группе относятся согласные звуки. При произнесении некоторых согласных звуков временная развертка играет важнейшую роль.