Физика и лирика: что такое психоакустика и как нас обманывает наш слух

Мы уже неоднократно рассказывали об особенностях восприятия музыки и звука меломанами: некоторые способны услышать мельчайшие нюансы при смене акустического кабеля, других же вполне устраивает стриминг в формате MP3, запущенный с телефона. Кстати, немного забегая вперед, скажем, что вышеупомянутый формат тоже основывается на психоакустике. Итак, что же это такое?

Психоакустика — это наука, изучающая то, как человек воспринимает звук, то есть взаимосвязь между физическими, абсолютными характеристиками звука и их субъективным – физиологическим и психологическим восприятием. Задачи этой науки – понять, как система слухового восприятия человека расшифровывает тот или иной звуковой образ, установить соответствия между физическими стимулами и слуховыми ощущениями, которые возникают при прослушивании, а еще – понять, какие именно параметры звукового сигнала являются наиболее значимыми для передачи смысловой и эстетической, эмоциональной информации.

Зачем все это? Дело в том, что когда мы слышим музыку, шум дождя или голос близкого человека, нам кажется, что восприятие звука — это что-то простое и естественное. На самом же деле за этим стоит напряженная работа мозга. И поскольку мозг каждого человека уникален, разные люди могут по-разному воспринимать один и тот же звук.

Слияние и поглощение

Физиологически и в идеале наш слуховой аппарат способен воспринимать звуковые колебания в диапазоне примерно от 20 Гц до 20 кГц, но чувствительность уха к разным частотам неодинакова. Кстати, о человеческом слухе как о главном элементе любой аудиосистемы мы рассказывали в одной из предыдущих статей. Так вот, например, звуки средней частоты (около 1–5 кГц) мы слышим особенно хорошо — это диапазон человеческой речи.

Интересно и явление маскировки: один звук может поглотить или спрятать другой, если они близки по частоте или времени. Этим эффектом активно пользуются разработчики аудиокодеков, таких как MP3 — при сжатии данных удаляются звуки, которые всё равно не слышны из-за маскировки другими, например, когда после громкого звука сразу следует тихий. Это называется сжатием с потерями или lossy-форматом – в отличие от lossless – сжатия без потерь, когда файл или звуковой поток сокращается математическими методами и алгоритмами.

Откуда звук?

Как мы понимаем, откуда идет тот или иной звук? Способность локализовать источник звука жизненно важна для человека. Мозг сравнивает сигналы, поступающие в левое и правое ухо, анализируя микросекундные различия во времени и уровне громкости. Даже минимальная разница (около 10 микросекунд) позволяет достаточно точно определить направление источника. Кроме того, форма ушной раковины помогает формировать частотные искажения, которые мозг использует для определения высоты источника звука.

Этими знаниями пользуются создатели различных форматов «окружающего» звука, пытаясь воссоздать полную звуковую картину при использовании ограниченного количества громкоговорителей. Были и вполне удачные попытки воспроизвести «звук вокруг» при помощи всего лишь двух аудиоканалов и динамиков.

Разработчики пришли к выводу, что если человек способен воспринимать звуки, идущие из разных направлений, всего лишь двумя ушами, то и двух колонок будет вполне достаточно. Проблема заключалась в сложности расположения громкоговорителей и адаптации аудиосистемы к конкретному помещению, и в какой-то момент многоканальные системы просто стали настолько доступными, что смысл в экспериментах с двумя каналами пропал.

Кругом обман

Психоакустика выявила множество звуковых иллюзий, которые показывают, что восприятие звуков не всегда соответствует физической реальности. Например, тон Шепарда создаёт впечатление бесконечно восходящего, повышающегося звука, хотя на деле это повторяющийся цикл частот. Или тритоновый парадокс, когда один и тот же интервал воспринимается то как восходящий, то как нисходящий — в зависимости от слушателя. Эти эффекты показывают, что мозг активно интерпретирует сигналы, а не просто их регистрирует, а с некоторыми акустическими задачами справиться не может.

Сплошные эмоции

Звуки не только передают информацию, но и вызывают эмоции – разумеется, при их интерпретации нашим мозгом. Тембр, громкость, гармонические отношения между тонами — всё это влияет на эмоциональное состояние. Музыка может вызывать радость, тревогу или спокойствие, даже если человек не понимает все происходящее рационально. Психоакустические исследования помогают объяснить, почему определённые интервалы или ритмы действуют на нас особенно сильно.

Недавно мы рассказывали о «теплом ламповом» звуке, который многим кажется особо приятным именно за счет искажений, «подмешиваемых» в сигнал лампой. Или голос – вы задумывались, почему одни голоса кажутся нам приятными, а другие вызывают раздражение и отторжение? Что же касается громкости, вспомним «живые» концерты с их потрясающей энергетикой и громким саундом или дискотеки, когда ноги сами пускались в пляс.

Зачем мне это?

Знания психоакустики активно применяются в самых разных областях. Например, в музыкальной индустрии они помогают улучшать качество записи и мастеринга, сжимать и передавать звуковые данные. В виртуальной и дополненной реальности эти знания дают возможность создавать реалистичные трёхмерные звуковые сцены. В медицине — разрабатывать слуховые аппараты, которые подстраиваются под особенности восприятия того или иного пациента. Даже в технологиях шумоподавления и звукового дизайна используются психоакустические принципы, чтобы сделать звучание более комфортным для человека.

Психоакустика напоминает нам, что слышать — значит не просто улавливать звуковые волны, а понимать, интерпретировать их. Наш мозг активно создаёт звуковую картину мира, добавляя в неё внимание, память, эмоции и ожидания. Изучая эти процессы, учёные не только раскрывают тайны восприятия, но и открывают новые возможности для технологий будущего — от умных слуховых систем до виртуальных акустических пространств.

Наверное, можно сказать, что психоакустика – это дисциплина, помогающая нам понять, как физика звука превращается в лирику нашего эмоционального его восприятия.