Психоакустика

Эксперименты на лабораторных мышах выявили способность мозга подавлять акустические шумы на уровне слуховой коры. Дэвид Шнейдер (David Schneider) с группой исследователей из Медицинской школы Университета Дьюка и Нью-Йоркского университета провели серию опытов, которая приблизила ученых к пониманию механизмов шумоподавления на уровне восприятия звука центральной нервной системой. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature. Ученые считают, что их исследование поможет понять, каким образом люди учатся говорить и исполнять музыку на различных инструментах, определить связь особенностей слуха человека и животных с конкретными участками слуховой коры. В экспериментах была использована аудиальная иллюзия (виртуальная реальность), разработанная для лабораторных животных.

Предмет исследования

В процессе эксперимента мышей заставили бегать на тренажере, при этом подменили звуки их шагов звуком, который существенно тембрально отличался от него. Известно, что источником шумов может быть как внешняя среда, так и действия индивида, например, шаги, речь и дыхание.

У человека, как и у животных в процессе эволюции развилась способность подавлять фоновые шумы, отличая их от внешних аудиальных раздражителей. Иными словами, мы предпочитаем не слышать постоянно шум нашего дыхания, а скорее будем прислушиваться к тому, что за неведомая бяка прискачет из внешней среды, может ли она нас съесть или, напротив, сгодится в пищу.

Эта способность стала одной из базовых основ нашего слуха. Сегодня нейронные цепи в слуховой зоне коры, которые учатся распознавать внешние и собственные звуки, а также маскируют и компенсируют их в восприятии, остаются малоизученными, если не сказать хуже, практически неизвестны нейробиологам.

Эксперимент

Ученые использовали 11 лабораторных мышей, сформировав у них ассоциацию постороннего звука с их шагами. Для этого было создано некое подобие виртуальной реальности, но не визуальной, а акустической. Животным фиксировали голову и ставили на миниатюрную беговую дорожку. В такт шагам воспроизводилась запись специальных звуков, которые назначались в качестве звукового сопровождения движений. Звук был принципиально новым и не похожим на естественный шум. При этом новый стимул от аудиального раздражителя постоянно отслеживался при помощи регистрации изменения локального потенциала поля (LFP).

Со временем кора перестала реагировать на раздражитель, а стимул с измененной частотой (изменение в пол октавы) был достаточно сильно подавлен и не вызывал столь выраженного возбуждения нервной ткани, как на старте эксперимента. Эффект был четко связан с движением мыши и не наблюдался в её отсутствие. В покое сенсорные нейроны слуховой зоны реагировали на тестовые звуковые раздражители также, как на прочие внешние звуки. Датчики также зафиксировали, что в инфрагранулярной части коры тестовые звуки вызывают более сильные изменения, нежели в супрагранулярной. Такая локализация ответной реакции свидетельствует, что в шумоподавлении принимают участие именно нейроны слуховой коры, а подавление происходит вне когнитивных процессов, как предполагалось в некоторых гипотезах ранее.

Подтверждение по Павлову и эволюционные закономерности

Для проверки результатов было проведено ещё несколько экспериментов. Мышей обучили поиску награды, который должен был начинаться после двух различных звуковых сигналов. Равно как и в первом эксперименте один из тестовых звуковых раздражителей ассоциативно привязали к двигательной активности.

Было отмечено, что сигнал, привязанный к движению, распознавался мозгом хуже, чем тот, что не был с ними связан. При этом в состоянии относительного покоя они одинаково хорошо распознавали оба сигнала.

В исследовании дополнительно упоминается эволюционная важность подавления собственных шумов. Особенно для мышей, которые являются потенциальными жертвами разнообразных хищников, а звук один из важнейших сенсорных индикаторов опасности. Многочисленные исследования подтверждают, что для человека аудиальные маркеры опасности также крайне значимы, что отмечается в исследовании о психоакустическом влиянии низких частот, работах о локализации источников звука в пространстве и т.д.

Система нейронного шумоподавления у человека, очевидно, выполняет и более сложные функции, уже привязанные к высшей нервной деятельности, таким как овладение устной речью, а также освоение исполнения на музыкальных инструментах. Дело в том, что этот, казалось бы, простой механизм на прямую связан с музыкальной памятью, которая в свою очередь имеет механизм репрезентативного предсказания звуков и способов их извлечения. Именно этот механизм позволяет связать слух, восприятие, память и моторные реакции в таких сложных комплексных процессах.

По словам Шнайдера В процессе речевого обучения и получения исполнительских навыков, мы прогнозируем извлекаемые звуки, которые намерены услышать. Например, перед тем, как нажать клавишу пианино. В дальнейшем (прим. авт.) сравниваем их с результатом в действительности. Несоответствие между ожиданиями и реальностью используем, чтобы корректировать исполнение. Со временем у нас получается все лучше, так как мозг стремится уменьшить количество ошибок.

В качестве заключения

Исследование Шнайдера и его коллег демонстрирует прямую зависимость между нейробиологическими возможностями слуха человека и животных с эволюционными механизмами, влияющими на их развитие. Полагаю, что пристальное изучение таких явлений и связей ключ к максимально глубокому пониманию феноменов и явлений, связанных с человеческим слухом.

Реклама
В нашем каталоге нет лабораторных мышей, литературы по нейробиологии, а в шоурумах не проводятся научные эксперименты, но мы готовы предположить широкий ассортимент аудио и видео электроники для бытовых и профессиональных нужд

В комментариях не впервые нарвался на рассуждение о том, что равномерность АЧХ выше 16 кГц это чуть ли не самый главный параметр для верности воспроизведения. По крайней мере очень и очень значимый. С подобным мнением от людей, которым больше тридцати лет от роду, а иногда и за сорок, мне приходится сталкиваться часто. И, как правило, те же люди утверждают, что частотный диапазон записей на виниле, якобы, выше, чем у CDDA (равно как и верность воспроизведения). Они же совершенно безапелляционно заявляют, что не просто слышат до 20 кГц (а порой и выше), но и приводят спектрограммы, где любимый многими Ник Мейсон (ударные золотого состава Pink Floyd), якобы, извлекает из своих тарелок эти самые 20 + кГц.



Когда людям в комментах пытаешься объяснить, что они упорствуют в заблуждении, начинаются рассказы, что они великие практики, на спектрограмме всё видели, их мутью теоретической не обманешь. В силу образования, я знаком с физиологией слуха, а в силу увлечений с практикой звукозаписи. Под катом постараюсь подробно объяснить, почему рассказы про 20 кГц в тарелках у Pink Floyd, волшебную широту диапазона виниловых записей и способность слышать 20 кГц после 30 лет, не имеют ничего общего с реальностью.

Стартуем с возможностей слуха и его возрастной потери

Всем известно, что человек способен слышать в диапазоне от 20 Гц (по другим данным, от 16) до 20 кГц (по другим данным, до 21 кГц). При этом многие забывают, что этот диапазон со временем уменьшается, и чем старше становится, тем ниже частоты способен услышать. Отоларингологи, в частности, сурдологи считают, что потолок в 8000 Гц является нормой и позволяет человеку нормально жить (я, конечно, уточнил бы, что аудиофилы не смогут, но сурдологи пишут, что 8 кГц хватит). Те же сурдологи не редко оперируют упрощенной возрастной таблицей, где приблизительно описано снижение слуха с возрастом:

до 19000 Гц младше 20 лет.
до 17000 Гц младше 24 лет,
до 16000 Гц младше 30 лет,
до 15000 Гц младше 40 лет,
до 12000 Гц младше 50 лет,
до 8000 Гц должны слышать все,.

Эти данные достаточно условны. Например, мне 35 лет и я слышу 17500 Гц, а кто-то в моем возрасте с трудом различает 15,5 кГц, а на 16 уже ничего не слышит. В среднем, для большинства людей усредненно пороговым значением считаются 16 кГц. На эту частоту опираются практически все, в том числе и звукооператоры. Но существуют также индивидуальные особенности, такие как собственная АЧХ.



Психоакустические эксперименты демонстрируют, что люди слышат не одинаково, и есть индивидуальные различия в частотном восприятии. Иногда диапазон может ограничиваться частотой в 15 кГц, он не слышит всё, что выше, но способен, например, избирательно услышать звуки с частотой 18,5 кГц. Я не встретил точно объяснения такого феномена, но факт в том, что он описан и существует.

Интенсивность возрастного снижения слуха зависит от целого ряда факторов, и, пожалуй, основным является регулярное воздействие шума, а также громких звуков, травм, воспалений. Деградация слуха в современных условиях в той или иной степени происходит у всех (по крайней мере, если говорить о жителях городов), так как регулярное шумовое воздействие поражает ресничные клетки улитки.

Помимо шумового и травматического поражения А. Саксен и Н. Фианд установили другие распространенные причины естественной возрастной деградации слуха (пресбиакузиса). Выделим две основные. Первая нарушение кровоснабжения лабиринта улитки в результате ишемии (сужение просвета кровоснабжающих улитку сосудов), нарушению кровообращения может способствовать также изменения реологических свойств крови (в т.ч. тромбоза), атеросклероза и т.д.

В результате таких нарушений волосковые клетки улитки (аудиальные рецепторы) испытывают кислородное голодание, функция рецепторов нарушается. Иногда возникает местная гибель клеток некроз, которая приводит к значительной тугоухости. Но чаще просто нарушается корректная трансформация звуков в электроимпульсные и синаптические процессы нервной ткани, от которых зависит передача информации в центры слуха в коре головного мозга.

Вторая дегенеративные процессы в нервных клетках, которые сегодня изучены недостаточно для выводов об их механизмах. Известно при этом, что при нейронной дегенерации возникает не только изменение электрических характеристик импульсов, генерируемых при нарушенной работе волосковых клеток (в качестве патологически измененного ответа на звуковую стимуляцию), но и проблемы со скоростью обработки сигналов в центральной нервной системе, которые сегодня считаются основной причиной сужения диапазона.

Также доказано, что эффект возрастного сужения частотного диапазона характерен для всех людей, разница лишь в скорости наступления изменений. Последняя, с высокой вероятностью, обусловлена индивидуально (особенностями нервной ткани, качеством жизни, сторонним негативным влиянием). Между тем, сурдологи и специалисты по психоакустике отмечают снижение верхней границы частотного диапазона минимум на 1 кГц каждые 8 -10 лет (что вполне соотносится с приблизительными цифрами, приведенными выше).

Т.е. даже если предположить, что кто-то смог в 2 раза снизить скорость этого процесса по сравнению с той, что отмечается в исследованиях (такое не описано в литературе, но гипотетически представим), то к 30 годам такой гипотетический человек при всем желании не сможет слышать за пределами 18500 Гц. Тут следует сделать оговорку по поводу феномена избирательной чувствительности к конкретным высоким частотам, который не влияет на картину в целом. При этом всё это время он должен проживать в сельской местности, а лучше в лесу, и тщательно беречь слух от сильных раздражителей, которые могут способствовать ускорению дегенеративных процессов.

Для того, чтобы оценить собственный слух, я рекомендую использовать онлайн генератор. Важно также применять наушники (акустику), которые точно способны воспроизводить эти частоты. Некоторые недобросовестные малоизвестные производители бюджетных звуковоспроизводящих устройств порой завышают воспроизводимый диапазон для того, чтобы показать красивые цифры.

Вывод 1: таким образом, стареющие аудиофилы, рассуждающие о недостаточном воздухе у тарелок в районе 20 кГц и провале на частоте 24 кГц это картина для юмористического шоу. Ну или предмет интереса для психиатра, слуховые галлюцинации о частотах, которые человек физиологически не способен слышать это симптом.

Немного о частотах инструментов

В сети достаточно информации о частотах звучания инструментов, включая разнообразные обертона, призвуки и прочие нюансы. Учебники для звукоинженеров также изобилуют такой информацией. Что интересно, нигде, кроме пары филофонистских форумов нет разного взгляда на частоты звучания и обертонов инструментов (разница в оценках обертонов не превышают 1 кГц).



Один из аргументов аудиофилов в пользу необходимости воспроизведения 20+ кГц часто звучит так: Диапазон обертонов тарелок (хайхет, крэш, райд, чина и т.д.) заканчивается за пределами 20 кГц. Действительность разительно отличается от этого представления, так, все без исключения источники, описывающие эквализацию и диапазон ударных инструментов (кроме 2-х аудиофильских форумов рунета), дают следующую информацию (я брал максимальные из найденных значений):

диапазон стандартных тарелок, как правило, не определяется, в зависимости от типа звукоизвлечения и размера тарелки стандартного комплекта (хэт, крэш, райд, чина) способны звучать в диапазоне от 300 10 000 Гц, воздух до 15000 Гц.
Эквализация оркестровых тарелок имеет более точные значения:
Диапазон также определять не принято
Раструб оркестровой тарелки 220 Гц (с обертонами до 3,5 кГц)
Ясность 7,5 кГц
Воздух 10 кГц -13 кГц

Все редкие перкуссионные тарелки и нестандартные тарелки также не выходят за пределы этих значений. Кроме знатоков с аудиофильских форумов нет упоминаний о том, что тарелки могут давать воздух, а тем более обертона выше 15 кГц.

Ради справедливости, следует отметить, что существуют инструменты, которые способны давать обертона выше 16 кГц, это:

• скрипка пикколо обертона до 18000 Гц
• флейта пикколо обертона до 17000 Гц
• человеческий голос (Колоратурное сопрано) обертона до 16500 Гц

Приведены максимальные значения, найденные в авторитетной литературе. У Алдошиной в Основах психоакустики, материалах www.otsema.ru, zwook.ru и других, практически везде указаны частоты ниже, но я беру возможный максимум.

Вывод 2:Тарелочки легко выше 20к улетают не улетают.

Немного про винил

Подробно останавливаться на том, почему грамзапись не имеет шансов в соревновании даже с mp3 320 kb/s по верности воспроизведения, при сравнении объективных параметров не стану. Могу лишь напомнить о детонации, убогом динамическом диапазоне, ограничении по записи низких частот, а также о записи оных в моно, причем и в той области, в которой уже можно локализовать источник НЧ, а также о пределе грамзаписи по соотношению сигнал/шум.

Вопрос исключительно о частотном диапазоне записей на виниловых дисках. Если речь идёт о старых грампластинках, выпущенных во времена расцвета индустрии (60-е, 70-е, 80-е) то в них, на уровне мастеринга частота ограничена максимум 20 кГц, иногда 16 кГц. В любом случае RIAA-стандарт частоты за пределами 20 кГц в записи не предполагает (до 1978-го стандарт гарантировал 15 000 Гц). Откуда же тогда на спектрограммах виниловых хайрез-рипов, улетающие в дали пики под 100 и 200 кГц?, спросят пытливые аудиофилы.



И начнут ссылаться на волшебные тарелки, сверху ощущения высоких частот и золотые уши, способные определить воздух на частотах за пределами, определенными недалекими физиками и сурдологами.



Ответ на этот вопрос очень прост. Это ничто иное, как гармонические искажения, появившиеся при оцифровке винила. В силу хайрезности формата, искажения остались в том спектре частот, на которых это самый хайрез рассчитан. В первоначальном произведении этих ультразвуковых составляющих просто не было, как минимум потому, что мастер-лента, с которой записывали винил, имеет ограничения по частоте.

Мифология сверхвысокого диапазона записей на пластинках перекликается с данными о том, что на винил можно записать ультразвук с частотой до 100 кГц. Это действительно так, например, квадрозаписи конца 70-х делали, записывая при помощи модуляции сигнала на частотах выше 40 кГц. Именно для этого, а не для неведомых пространственных эффектов повышался частотный диапазон картриджей и использовались иглы с заточкой шибата.

Вывод 3: Верхняя граница частотного диапазона записей на виниле до 70-х годов (до появления стандарта RIAA-78) редко находится выше 15 кГц, для 1970-х 80-х в лучшем случае достигает 20 кГц, при первых прослушиваниях.

В сухом остатке

Условный потолок, который способен слышать человек, несколько выше реального плюс-минус на 3-4 кГц. Тридцати сорокалетние люди утверждающие, что способны слышать 20 кГц, вероятнее всего лгут или заблуждаются(допускаю крайне маловероятный казуистический единичный случай). Обертона выше порога 15, 5 16 кГц имеют только 3 инструмента (скрипка-пикколо, флейта-пикколо, человеческий голос колоратурное сопрано, нет зафиксированного случая, чтобы обертона этих инструментов (звуков) достигали отметки в 20 кГц (потолок 18 кГц у скрипки-пикколо). Пластинки, выпущенные с 1952-го до 1978-го года не гарантируют частотный диапазон 20 кГц, в них стандартом определен потолок в 15 кГц. Именно к этому периоду относятся т.н. эталонные альбомы Pink Floyd, про которые так любят рассуждать аудиофилы.

В увеличении воспроизводимого частотного диапазона за пределы слышимого частотного спектра в акустических системах и наушниках действительно есть технический смысл. Но это не попытка передать метафизические особенности музыки неведомым науке способом, а известный способ улучшить переходную характеристику, которая не настолько очевидна как АЧХ, но сильно влияет на верность воспроизведения. Именно по этой причине многие студийные мониторы и дорогие hi-fi колонки имеют заявленную верхнюю границу частотного диапазона значительно выше, чем условно слышимые 20 кГц.

Прошу поделиться в комментариях, а какой у вас порог высокочастотного восприятия. Напомню, что генератор можно найти здесь. onlinetonegenerator.com

Использованы фото:
rmmedia.ru