Слуховые ощущения, Рубинштейн С.Л.

[В подготовке настоящего раздела о слуховых ощущениях существенную помощь нам оказала наша сотрудница В. Е. Сыркина, сочетающая свою психологическую специальность с музыкальной. Благодаря любезности Б. М. Теплова нам удалось также частично использовать в этом разделе его ещё не опубликованную работу.]

Особое значение слуха у человека связано с тем, что он служит для восприятия речи и музыки.

Слуховые ощущения являются отражением воздействующих на слуховой рецептор звуковых волн, которые порождаются звучащим телом и представляют собой переменное сгущение и разрежение воздуха.

Звуковые волны обладают, во-первых, различной Амплитудой Колебания. Под амплитудой колебания разумеют наибольшее отклонение звучащего тела от состояния равновесия или покоя. Чем больше амплитуда колебания, тем сильнее звук, и, наоборот, чем меньше амплитуда, тем звук слабее. Сила звука прямо пропорциональна квадрату амплитуды. Эта сила зависит также от расстояния уха от источника звука и от той среды, в которой распространяется звук. Для измерения силы звука существуют специальные приборы, дающие возможность измерять её в единицах энергии.

Звуковые волны различаются, во-вторых, по Частоте Или продолжительности периода колебаний. Длина волны обратно пропорциональна числу колебаний и прямо пропорциональна периоду колебаний источника звука. Волны различного числа колебаний в 1 сек. или в период колебания дают звуки, различные по высоте: волны с колебаниями большой частоты (и малого периода колебаний) отражаются в виде высоких звуков, волны с колебаниями малой частоты (и большого периода колебания) отражаются в виде низких звуков.

Звуковые волны, вызываемые звучащим телом, источником звука, различаются, в-третьих, Формой Колебаний, т. е. формой той периодической кривой, в которой абсциссы пропорциональны времени, а ординаты — удалениям колеблющейся точки от своего положения равновесия. Форма колебаний звуковой волны отражается в тембре звука — том специфическом качестве, которым звуки той же высоты и силы на различных инструментах (рояль, скрипка, флейта и т. д.) отличаются друг от друга.

Зависимость между формой колебания звуковой волны и тембром не однозначна. Если два тона имеют различный тембр, то можно определённо сказать, что они вызываются колебаниями различной формы, но не наоборот. Тоны могут иметь совершенно одинаковый тембр, и, однако, форма колебаний их при этом может быть различна. Другими словами, формы колебаний разнообразнее и многочисленнее, чем различаемые ухом тоны.

Слуховые ощущения могут вызываться как Периодическими Колебательными процессами, так и Непериодическими С нерегулярно изменяющейся неустойчивой частотой и амплитудой колебаний. Первые отражаются в музыкальных звуках, вторые — в шумах.

Кривая музыкального звука может быть разложена чисто математическим путём по методу Ж. Б. Фурье на отдельные, наложенные друг на друга синусоиды. Любая звуковая кривая, будучи сложным колебанием, может быть представлена как результат большего или меньшего числа синусоидальных колебаний, имеющих число колебаний в секунду, возрастающее, как ряд целых чисел 1, 2, 3, 4. Наиболее низкий тон, соответствующий 1, называется основным. Он имеет тот же период, как и сложный звук. Остальные простые тоны, имеющие вдвое, втрое, вчетверо и т. д. более частые колебания, называются верхними гармоническими или частичными (парциальными), или обертонами.

Органом слуха является ухо. Оно состоит из трёх частей: 1) наружного уха, 2) среднего уха и 3) внутреннего уха. Главные части слухового аппарата — среднее ухо и внутреннее ухо — помещены в виде маленьких полостей в височной кости.

Строение уха.

1 — наружный слуховой проход; 2 — барабанная перепонка; 3 — полость среднего уха (барабанная полость); 4 — молоточек; 5 — наковальня; 6 — стремечко, упирающееся в овальное окошечко, 7 — полукружные каналы; 8 — преддверие; 9 — лестница преддверия; 10 — барабанная лестница; 11 — круглое окошечко; 12 — евстахиева труба; 13 — кость в разрезе

Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода. Ушная раковина является своеобразной слуховой воронкой, но она не необходима для слушания; многие животные с хорошим слухом, как птицы или лягушки, её не имеют. Ушная раковина служит для собирания и отражения звуковых волн к слуховому проходу. Кроме того, она даёт возможность различать, приходит ли звук спереди или сзади. Если прибинтовать ушные раковины к голове, то эта способность теряется. Способность различать направление звука (бинауральный или стереакустический эффект, см. дальше) весьма мало зависит от ушной раковины, но объясняется своеобразным свойством слуха воспринимать пространственно малые разницы во времени.

Границей между наружным и средним ухом служит барабанная перепонка. Барабанная перепонка очень тонка, но достаточно прочна, чтобы выдерживать, не лопаясь, даже очень громкие звуки, например звуки пушечных выстрелов. Неправильная воронкообразная форма и неравномерное натяжение барабанной перепонки делают возможными соколебания её в ответ на всевозможные тоны.

Среднее ухо, или барабанная полость, представляет собой воздушную полость внутри височной кости. В барабанной полости имеется сложная система сочленённых косточек — молоточка, наковальни и стремечка, передающих колебания барабанной перепонки так называемому овальному окну внутреннего уха.

За перепонкой овального окна расположено внутреннее ухо, в котором находится лабиринт. Главными частями лабиринта являются преддверие, полукружные каналы и улитка. Преддверие и полукружные каналы являются органом равновесия; с точки зрения функции слуха наиболее важным органом является улитка. Улитка представляет собой спирально закрученную костную оболочку. Вдоль неё тянется перегородка, разделяющая ее как бы на два этажа.

В большей части поперечника перегородка эта костная; на меньшем протяжении это гибкая перепонка, состоящая из поперечных, весьма эластических, упругих волоконец, слабо между собой связанных, — так называемая основная мембрана. По мере приближения к вершине улитки основная мембрана расширяется и недалеко от вершины она примерно в 12 раз шире, чем у основания. В области, прилегающей к костной спиральной перегородке, основная мембрана значительно утолщается. Здесь лежат особого типа нервные клетки — упругие Кортиевы дуги, поддерживающие напряжение основной мембраны. С ними связаны волокна слухового нерва, которые оканчиваются так называемыми волосатыми клетками, расположенными пятью рядами вдоль длины основной мембраны. Этих клеток на основной мембране насчитывается около 23 500. Параллельно основной мембране, на очень близком от неё расстоянии, идёт вторая, текториальная, или покровная, мембрана. Жидкость улитки, передающая колебания, в своём движении приводит в соколебание основную мембрану; волосатые клетки прикасаются к плавающей над ними текториальной мембране и получают таким образом раздражение, которое передаётся по нервным волоконцам в мозг. Разделяясь в области среднего мозга, нервные волокна от обоих ушей идут как к правому, так и к левому полушарию.

Кортиев орган.

1 — перепонка Рейснера; 2 — Полость перепончатой улитки; 3 — покровная перепонка; 4 — волоски слуховой клетки; 5 — наружные слуховые клетки; 6 — внутренняя слуховая клетка; 7 — кортиевые дуги; 8 — основная перепонка; 9 — нервные волокна

При воздействии звука в слуховых областях обоих полушарий создаются соседние участки возбуждения, из которых один возбуждается правым ухом, другой — левым. Нервные пути, таким образом, оказываются дублированными, и в случае поражения слухового центра одного из полушарий восприятие осуществляется в другом. Слуховые области расположены симметрично в обеих половинах мозга, в височных его долях и главным образом в первой височной извилине. При поражении этих частей мозга наступает более или менее сильное расстройство слуха. Может возникнуть даже полная глухота (кортикальная глухота). Если височная доля разрушена лишь частично, то результатом является так называемая душевная глухота: реакция на звуки остаётся, но понимание их значения теряется. Больной слышит произнесённое слово только как какой-то шум. Это отсутствие понимания речи, глухота на слова, лежит в основе сенсорной афазии, или так называемой афазии Вернике, которая наблюдается при заболевании первой височной извилины, особенно её задней области, где находится сенсорный центр речи.

Согласно исследованиям Лючиани и павловской школы, помимо центров, тесно связанных с определённой функцией, и в других областях коры, даже в самых отдалённых, рассеяны клетки, связанные с той же функцией. По отношению к слуховым ощущениям установлено, что при удалении центра слуха навсегда теряются условные рефлексы на сложнокомплексные звуковые раздражители (аккорд, кличка собаки и т. п.). Однако простые звуковые раздражители продолжают действовать. Это происходит за счёт сохранившихся звуковых клеток, лежащих рассеянно в теменной, затылочной и других областях коры.

Все слышимые звуки разделяются на Шумы И музыкальные Звуки. Первые отражают непериодические колебания неустойчивой частоты и амплитуды, вторые — периодические колебания. Между музыкальными звуками и шумами нет, однако, резкой грани. Акустическая составная часть шума часто носит ярко выраженный музыкальный характер и содержит разнообразные тоны, которые легко улавливаются опытным ухом. Свист ветра, визг пилы, различные шипящие шумы с включёнными в них высокими тонами резко отличаются от шумов гула и журчания, характеризующихся низкими тонами. Отсутствием резкой границы между тонами и шумами объясняется то, что многие композиторы прекрасно умеют изображать музыкальными звуками различные шумы (журчанье ручья, жужжание прялки в романсах Ф. Шуберта, шум моря, лязг оружия у Н. А. Римского-Корсакова и т. д.).

В звуках человеческой речи также представлены как шумы, так и музыкальные звуки.

Основными свойствами всякого звука являются: 1) его Громкость, 2) Высота И 3) Тембр.

1. Громкость. Громкость зависит от силы, или амплитуды, колебаний звуковой волны. Сила звука и громкость — понятия неравнозначные. Сила звука объективно характеризует физический процесс независимо от того, воспринимается он слушателем или нет; громкость — качество воспринимаемого звука. Если расположить громкости одного и того же звука в виде ряда, возрастающего в том же направлении, что и сила звука, и руководствоваться воспринимаемыми ухом ступенями прироста громкости (при непрерывном увеличении силы звука), то окажется, что громкость вырастает значительно медленнее силы звука.

Согласно закону Вебера-Фехнера, громкость некоторого звука будет пропорциональна логарифму отношения его силы J к силе того же самого звука на пороге слышимости J0:

В этом равенстве K — коэффициент пропорциональности, a L выражает величину, характеризующую громкость звука, сила которого равна J; её обычно называют уровнем звука.

Если коэффициент пропорциональности, являющийся величиной произвольной, принять равным единице, то уровень звука выразится в единицах, получивших название белов (Б):

Б

Практически оказалось более удобным пользоваться единицами, в 10 раз меньшими; эти единицы получили название Децибелов (дБ). Коэффициент K При этом, очевидно, равняется 10. Таким образом:

дБ

Минимальный прирост громкости, воспринимаемый человеческим ухом, равен примерно 1 ДБ. Приводимая таблица может дать более конкретное представление о децибеле.

(Источник: Путилов, Курс физики, 1937, стр. 549-550.)

Известно, что закон Вебера-Фехнера теряет силу при слабых раздражениях; поэтому уровень громкости очень слабых звуков не даёт количественного представления об их субъективной громкости.

Согласно новейшим работам, при определении разностного порога следует учитывать изменение высоты звуков. Для низких тонов громкость растёт значительно быстрее, чем для высоких.

Количественное измерение громкости, непосредственно ощущаемой нашим слухом, не столь точно, как оценка на слух высоты тонов. Однако в музыке давно применяются динамические обозначения, служащие для практического определения величины громкости. Таковы обозначения: ppp (пиано-пианиссимо), pp (пианиссимо), p (пиано), mp (меццо-пиано), mf (меццо-форте), f (форте), ff (фортиссимо), fff (форте-фортиссимо). Последовательные обозначения этой шкалы означают примерно удвоение громкости.

Человек может без всякой предварительной тренировки оценивать изменения громкости в некоторое (небольшое) число раз (в 2, 3, 4 раза). При этом удвоение громкости получается примерно как раз при прибавке около 20 ДБ. Дальнейшая оценка увеличения громкости (более чем в 4 раза) уже не удаётся. Исследования, посвященные этому вопросу, дали результаты, резко расходящиеся с законом Вебера-Фехнера. [Расхождение закона Вебера-Фехнера с опытными данными объясняется, по-видимому, тем, что интегрирование закона Э. Вебера, произведённое Г. Фехнером, является не вполне законной математической операцией. Фехнер принял разностный порог за величину бесконечно малую, между тем как в действительности это величина конечная, да к тому же быстро растущая при слабых звуках.] Они показали также наличие значительных индивидуальных отличий при оценке удвоения громкостей.

При воздействии звука в слуховом аппарате происходят процессы адаптации, изменяющие его чувствительность. Однако в области слуховых ощущений адаптация очень невелика и обнаруживает значительные индивидуальные отклонения. Особенно сильно сказывается действие адаптации при внезапном изменении силы звука. Это так называемый эффект контраста.

Измерение громкости производится в децибелах. С. Н. Ржевкин указывает, однако, что шкала децибелов не является удовлетворительной для количественной оценки натуральной громкости. Так, например, шум в поезде метро на полном ходу оценивается в 95 ДБ, а тикание часов на расстоянии 0,5 М — в 30 ДБ. Таким образом, по шкале децибелов отношение равно всего 3, в то время как для непосредственного ощущения первый шум почти неизмеримо больше второго. В настоящее время с различных сторон подходят к созданию натуральной шкалы громкости, которая будет несомненно более пригодной для практических целей.

2. Высота. Высота звука отражает частоту колебаний звуковой волны. Далеко не все звуки воспринимаются нашим ухом. Как ультразвуки (звуки с большой частотой), так и инфразвуки (звуки с очень медленными колебаниями) остаются вне пределов нашей слышимости. Нижняя граница слуха у человека составляет примерно 15—19 колебаний в секунду (герц — Гц); верхняя — приблизительно 20 000 Гц, причём у отдельных людей чувствительность уха может давать различные индивидуальные отклонения. Обе границы изменчивы, верхняя в особенности в зависимости от возраста; у пожилых людей чувствительность к высоким тонам регулярно падает. У животных верхняя граница слуха значительно выше, чем у человека; у собаки она доходит до 38 000 Гц.

При воздействии частот выше 15 000 Гц Ухо становится гораздо менее чувствительным; теряется способность различать высоту тона. При 19 000 Гц Предельно слышимыми оказываются лишь звуки, в миллион раз более интенсивные, чем при 14 000 Гц. При повышении интенсивности высоких звуков возникает ощущение неприятного щекотания в ухе (осязание звука), а затем чувство боли. Область слухового восприятия охватывает свыше 10 октав и ограничена сверху порогом осязания, снизу порогом слышимости. Внутри этой области лежат все воспринимаемые ухом звуки различной силы и высоты. Наименьшая сила требуется для восприятия звуков от 1 000 до 3 000 Гц. В этой области ухо является наиболее чувствительным. На повышенную чувствительность уха в области 2 000—3 000 Гц Указывал ещё Г. Л. Ф. Гельмгольц; он объяснял это обстоятельство собственным тоном барабанной перепонки.

Величина порога различения, или разностного порога, высоты (по данным Т. Пэра, В. Штрауба, Б. М. Теплова) в средних октавах у большинства людей находится в пределах от 6 до 40 центов (цент — сотая доля темперированного полутона). У высокоодарённых в музыкальном отношении детей, обследованных Л. В. Благонадёжиной, пороги оказались равны 6—21 центам.

Приводим таблицу порогов различения высоты у учащихся «особой детской группы» Московской государственной консерватории (по Л. В. Благонадёжиной).

Существует собственно два порога различения высоты: 1) порог простого различения и 2) порог направления (В. Прейер и др.). Иногда при малых различениях высоты испытуемый замечает различия в высоте, не будучи, однако, в состоянии сказать, какой из двух звуков выше.

По данным целого ряда исследователей (Джильберта, Гентшеля, Мейснера, Майнуоринга и др.), чувствительность к различению высоты вырастает с возрастом (у детей от 6 до 14 и 17 лет). Притом это возрастание чувствительности (и, значит, снижение порогов) находится в значительной зависимости от занятия музыкой; у детей, занимающихся музыкой, оно увеличивается больше, чем у тех, которые музыкой не занимаются (Мейснер). Упражнение заметно повышает чувствительность к различению высоты. Об этом свидетельствуют данные ряда авторов (начиная со К. Штумпфа). Особенно показательны в этом отношении опыты Б. М. Теплова. В результате специально проведённых очень простых упражнений, на которые в общем затрачивают лишь несколько часов, Теплов получил резкое снижение порогов. У одного его испытуемого при первом испытании порог равнялся 32 центам, при втором 28, при третьем 22, при четвёртом 16 центам (всего на упражнение с этим испытуемым было потрачено около 4 часов). У другого испытуемого порог снизился с 20 до 12, у двух других с 14 до 10, у одного испытуемого с исключительно большим порогом в 226 центов он в результате 7 сеансов, на которые было потрачено 8 часов, снизился до 94 центов. Таким образом, чувствительность к различению высоты является функцией, весьма поддающейся упражнению.

Отчётливое восприятие высоты требует некоторого минимума колебаний. Этот минимум при различных частотах различен. Данные различных авторов по этому вопросу не вполне однородны. Абрагам указывает как минимум два полных колебания. Позднейшие авторы указывают большее число колебаний — 4, 5, 30 и более, до 300, — в зависимости от частоты.

Высота звука, как она обычно воспринимается в шумах и звуках речи, включает два различных компонента — собственно высоту и тембровую характеристику.

В звуках сложного состава изменение высоты связано с изменением некоторых тембровых свойств. Объясняется это тем, что при увеличении частоты колебаний неизбежно уменьшается число частотных тонов, доступных нашему слуховому аппарату. В шумовом и речевом слышании эти два компонента высоты не дифференцируются. Вычленение высоты в собственном смысле слова из её тембровых компонентов является характерным признаком музыкального слышания (Б. М. Теплов). Оно совершается в процессе исторического развития музыки, как определённого вида человеческой деятельности.

Один вариант двухкомпонентной теории высоты развил Ф. Брентано и вслед за ним Г. Ревеш, исходя из принципа октавного сходства звуков. Ревеш различает качество и светлость звука. Под качеством звука он понимает такую особенность высоты звука, благодаря которой мы различаем звуки в пределах октавы. Под светлостью — такую особенность его высоты, которая отличает звуки одной октавы от звуков другой. Так, например, все ноты «до» качественно тожественны, но по светлости отличны. Ещё К. Штумпф подверг эту концепцию жёсткой критике. Конечно, октавное сходство существует (так же, как и сходство квинтовое), но оно не определяет никакого компонента высоты.

М. Мак-Маер, К. Штумпф и особенно В. Келер дали другую трактовку двухкомпонентной теории высоты, различив в ней собственно высоту и тембровую характеристику высоты (светлость). Однако эти исследователи (так же как и Е. А. Мальцева), проводя различение двух компонентов высоты, оставались в чисто феноменальном плане: к одной и той же объективной характеристике звуковой волны они соотносили два различных и отчасти даже разнородных свойства ощущения. Б. М. Теплов указал на объективную основу этого явления, заключающуюся в том, что с увеличением высоты изменяется число доступных уху частичных тонов. Поэтому различие тембровой окраски звуков различной высоты имеется в действительности лишь в сложных звуках; в простых тонах она представляет собой результат переноса. [Б. М. Теплов, Ощущение музыкального звука. «Учёные записки Госуд. научно-иссл. института психологии», т. I, M. 1940, стр. 115—150.]

В силу этой взаимосвязи собственно высоты и тембровой окраски не только различные инструменты отличаются по своему тембру друг от друга, но и различные по высоте звуки на том же самом инструменте отличаются друг от друга не только высотой, но и тембровой окраской. В этом сказывается взаимосвязь различных сторон звука — его звуковысотных и тембровых свойств.

3. Тембр. Под тембром понимают особый характер или окраску звука, зависящую от взаимоотношения его частичных тонов. Тембр отражает акустический состав сложного звука, т. е. число, порядок и относительную силу, входящих в его состав частичных тонов (гармонических и негармонических).

По Гельмгольцу, тембр зависит от того, какие верхние гармонические тоны примешаны к основному, и от относительной силы каждого из них.

В наших слуховых ощущениях тембр сложного звука играет очень значительную роль. Частичные тоны (обертоны), или, по терминологии Н. А. Гарбузова, верхние натуральные призвуки, имеют большое значение также и в восприятии гармонии.

Тембр, как и гармония, отражает звук, который в акустическом своём составе является созвучием. Поскольку это созвучие воспринимается как единый звук без выделения в нём слухом акустически в него входящих частичных тонов, звуковой состав отражается в виде тембра звука. Поскольку же слух выделяет частичные тоны сложного звука, возникает восприятие гармонии. Реально в восприятии музыки имеет обычно место и одно и другое. Борьба и единство этих двух взаимопротиворечивых тенденций — анализировать звук как Созвучие И воспринимать Созвучие как единый звук Специфической тембровой окраски — составляет существенную сторону всякого реального восприятия музыки.

Тембровая окраска приобретает особенное богатство благодаря так называемому Вибрато (К. Сишор), придающему звуку человеческого голоса, скрипки и т. д. большую эмоциональную выразительность. Вибрато отражает периодические изменения (пульсации) высоты и интенсивности звука.

Вибрато играет значительную роль в музыке и пении; оно представлено и в речи, особенно эмоциональной. Поскольку вибрато имеется у всех народов и у детей, особенно музыкальных, встречаясь у них независимо от обучения и упражнения, оно, очевидно, является физиологически обусловленным проявлением эмоционального напряжения, способом выражения чувства.

Вибрато в человеческом голосе как выражение эмоциональности существует, вероятно, с тех пор, как существует звуковая речь и люди пользуются звуками для выражения своих чувств. [Вибрато специально изучалось в последнее время К. Сишором, в течение ряда лет применявшим в этих целях фотоэлектрические снимки. См. C. E. Seaschore, Psychology of the Vibrato in music and speech, «Acta psychologica», vol. 1, № 4. Hague 1935. По данным К. Сишора, вибрато, будучи вообще выражением чувства в голосе, не дифференцировано для различных чувств.] Вокальное вибрато возникает в результате периодичности сокращения парных мышц, наблюдающейся при нервной разрядке в деятельности различных мышц, не только вокальных. Напряжение и разрядка, выражающиеся в форме пульсирования, однородны с дрожанием, вызываемым эмоциональным напряжением.

Существует хорошее и дурное вибрато. Дурное вибрато такое, в котором имеется излишек напряжения или нарушение периодичности. Хорошее вибрато является периодической пульсацией, включающей определённую высоту, интенсивность и тембр и порождающей впечатление приятной гибкости, полноты, мягкости и богатства тона.

То обстоятельство, что вибрато, будучи обусловлено изменениями Высоты И Интенсивности Звука, воспринимается как Тембровая Окраска, снова обнаруживает внутреннюю взаимосвязь различных сторон звука. При анализе высоты звука уже обнаружилось, что высота в её традиционном понимании, т. е. та сторона звукового ощущения, которая определяется частотой колебаний, включает не только высоту в собственном смысле слова, но и тембровый компонент светлоты. Теперь обнаруживается, что в свою очередь в тембровой окраске — в вибрато — отражается высота, а также интенсивность звука.

Различные музыкальные инструменты отличаются друг от друга тембровой характеристикой. Н. А. Римский-Корсаков так характеризует тембр различных деревянных духовых инструментов в низком и высоком регистрах:

(Источник: А. Римский-Корсаков, Основы оркестровки с партитурными образцами, т. 1, Пб., 1913.)

В последнее время все бОльшую роль отводят также так называемым комбинационным тонам.

Комбинационные тоны возникают при одновременном звучании двух сильных тонов. Это так называемые разностные тоны. Они были открыты в 1740 г. немецким органистом Зорге и независимо от него итальянским скрипачом Гартини. Число колебаний этих тонов равно разности чисел колебаний первичных тонов.