Относительно недавно попалось мне на глаза хоть и студенческое, но все-таки, на мой взгляд, интересное видео из «Курилки Гутенберга» под названием «Психоакустика: звуковые иллюзии». Видео вдохновило меня порыться уже в своих студенческих конспектах и материалах…
Признаюсь честно, я не очень любил предмет Audio Coding, будучи студентом TU Ilmenau на программе Communication and Signal Processing — стресс и юношеский максимализм делали свое темное дело. Однако, со стороны чаще я слышал противоположную точку зрения: «Классный предмет, че ты жалуешься? Один из ваших лекторов — сам Карлхайнц Брандербург — лови момент!»
Один из главных разработчиков формата MP3, если вы не узнали, позирует в наушниках. (источник изображения)
По прошествии времени я, конечно, пересмотрел свой взгляд на данный предмет. Знание на стыке цифровой обработки сигналов, биологии, физики и вычислительной техники — это же круто! Одна тема уже упомянутой психоакустики чего только стоит.
И вот однажды мне пришла в голову очередная авантюрная мысль, и я сказал себе: «Почему бы не написать научно-популярную статью про аудиокодинг? Так сказать, «для самых маленьких» — для таких же студентов, коим был и я»?
Сказано — сделано.
Анатомия — это ужас как интересно
Прежде чем говорить о том, как именно человек воспринимает звук, и какие математические модели под это можно подвести, поговорим о главном: что вообще позволяет человеку воспринимать звук?
Конечно же, слуховая система (auditory system)! А если быть точным, то преимущественно внутреннее и среднее ухо и их конкретные составляющие:
- барабанная перепонка (eardrum): в виде вибраций передает колебания воздуха (звуковые волны) слуховым косточкам;
- слуховые косточки среднего уха (ossicular bones): молоточек, наковальня, стремя — передают механические колебания улитке;
- улитка (cochlear structure): индуцирует бегущие волны по длине базилярной мембраны;
- нервные рецепторы (neural receptors): преобразовывают колебания в химические и электрические сигналы (имеют соединения по всей длине базилярной мембраны).
Рис. 2. Внутреннее строение человеческого уха.
Всё, вроде бы, интуитивно понятно, при условии некоторого багажа школьных знаний. Затруднение обычно вызывает только улитка: что значит эта заумная фраза: «индуцирует бегущие волны по длине базилярной мембраны»?
Как это ни парадоксально, но тут тоже всё достаточно просто. Во-первых, перечислим из чего состоит ушная улитка:
- внутри улитки есть жидкости: перелимфа и эндолимфа;
- также внутри находится базилярная (базальная, основная) мембрана;
- к базилярной мембране прикреплены волосковые клетки (часть кортиева органа).
Барабанная перепонка передаёт звуковые колебания косточкам среднего уха; косточки среднего уха передают колебания переимфе и эндолимфе; под действием колебаний перелимфы и эндолимфы колеблется и базилярная мембрана; из-за движений базилярной мембраны волосковые клетки вырабатывают сигналы, которые передаются нервным клеткам.
Подробнее предлагаю прочитать здесь и здесь.
Рис. 3. Внутреннее строение человеческого уха: базилярная мембрана в «развернутом» виде (ссылка на источник иллюстрации).
Благодаря форме базилярной мембраны (сужается к основанию) и тому, что к разным участкам данной мембраны подсоединяются клетки, отвечающие за восприятие разных частот, ушная улитка — это нелинейная система с частотной избирательностью.
А что если посмотреть на ушную улитку глазами цифровой обработки сигналов?
С точки зрения ЦОС, ушная улитка — это банк полосовых фильтров. При этом фильтры сильно перекрывают друг друга.
Рис. 4. Отклики тона в разных местах базилярной мембраны [1, c. 63].
Что изображено на рисунке:
- Тон длительностью 1 мс, а значит частотой 1 кГц (временная функция обозначена на верхней плашке) производит отклики в пяти разных местах на базилярной мембране (пять функций ниже, изображенных напротив определенных мест на мембране).
- Максимальный отклик соответсвует середине мембраны — там, где она откликается на частоты в 1 кГц (логично).
- Минимальные отклики — по краям мембраны (x4, x2, x1 обозначают, насколько увеличили графики для иллюстрации).
Добрые люди нарисовали уже и полезные структурные схемы:
Рис. 5. Часть схемы модели восприятия (см. PEMO Model), касающаяся базилярной мембраны.
Перекрывающиеся фильтры показаны, на мой взгляд, очень наглядно.
В какой-то момент знание об ушной улитке, как о банке фильтров, решили как-то уложить в простую и доступную модель. В ходе ряда аудиторных экспериментов [1, c.82-85] ученые определили, что:
- у частотных групп, на которые базилярной мембраной разбивается аудио-сигнал, фиксированная ширина полосы;
- ширина полосы частотной группы зависит от средней частоты группы нелинейно.
Более того, для удобства, договорились считать, что фильтры нашей слуховой системы прямоугольные.
Всё вышеперечисленное в конечном итоге было обобщено в понятие шкалы Барков — шкалы критических диапазонов частот (см. RWTHxCA101 — Critical bands), ширина которых нелинейно зависит от средней частоты:
Рис. 6. Шкала Барков ().
Давайте, запомним этот факт, он нам еще пригодится.
Не мог не поделиться!
Пока искал иллюстрации по шкале Барков наткнулся на это изображение:
bark scale by spooninglive
Bark!
Хорошо, теперь мы чуть лучше представляем, что за система позволяет нам слышать. Более того мы выяснили, что органы слуха — это нелинейная частотно-избирательная система. Мы даже выяснили как устроена ее избирательность с точки зрения ширины критических диапазонов.
Но мы пока не говорили, одинаково ли мы слышим те или иные частоты. Быть может, есть какие-то подходящие эксперименты?
Полезное чтение. 10 книг от музыканта и исследователя звука Стаса Шарифуллина
В рубрике «Полезное чтение» мы просим экспертов в области образования, друзей «Цеха» и известных людей рассказать нам о нон-фикшн книгах, которые помогли им в карьере, саморазвитии и самообразовании. В новой подборке своим списком любимой и полезной литературы делится сооснователь лейбла Klammklang и руководитель нового магистерского профиля Sound Art & Sound Studies Школы дизайна НИУ ВШЭ Стас Шарифуллин.
Это подборка книг о том, как научиться слушать мир вокруг нас. Для кого-то эти книги могут стать руководством к действию — и это замечательно, потому что звуковые практики сегодня доступны как никогда; к тому же мы все музыканты, просто почему-то не хотим этого признавать. Другие, надеюсь, найдут в этих книгах полезные советы о том, как практики слушания могут помочь обрести спокойствие в наше тревожное время.
«Книга звука. Научная одиссея в страну акустических чудес», Тревор Кокс
Никто не пишет о природе звука так увлекательно и с таким энтузиазмом, как это делает Тревор Кокс. Это книга о поющих песках и шпионских прослушивающих станциях, о погребальных камерах и лающих рыбах, о миграции китов и судоходстве. Используя столь нетривиальные примеры, Кокс, практикующий инженер-акустик, простым языком объясняет, как звук ведет себя в различных пространствах и, например, рассказывает о шумовом загрязнении. Отличная книга для погружения в тематику.
«Sound. A Very Short Introduction», Майк Голдсмит
Научная база для тех, кто хочет зарыться поглубже. Майк Голдсмит окончил отделение физической и прикладной акустики и даже некоторое время возглавлял Национальную физическую лабораторию Великобритании, после чего решил стать популяризатором науки. Его книга из известной многим серии — это краткое и доступное введение в физику колебаний и волн, акустику, психоакустику и физиологию слуха. Вдобавок к этому Голдсмит описывает основы работы со студийным и звукозаписывающим оборудованием, а еще вполне уместно ссылается на работы известных культурных теоретиков — например, на Ролана Барта.
«Разговоры с Кейджем», Ричард Костелянец
Джон Кейдж не только научил весь мир слушать тишину, но и подсказал нам, почему все звуки, которые в этой тишине звучат, можно считать музыкой. Ричард Костелянец собрал интервью с Кейджем разных лет, порезал их на части и объединил в разные тематические блоки. Получилось что-то вроде автобиографии, в которой мэтр рассказывает о разных этапах творчества, своей работе с различными видами искусства и многом другом — например, о собирании грибов. Эта книга для меня в первую очередь сборник идей: в прошлом веке Кейдж был главным современным художником из тех, кто работал со звуком, и нам всё ещё есть чему у него поучиться.
Тишина — это изменение моего сознания. Это принятие звука, который уже существует, а не желание выбирать и навязывать свою собственную музыку. С тех пор, как я это осознал, тишина занимает центральное место в моей работе. Когда я сочиняю музыку, я стараюсь делать это так, чтобы не нарушать тишину, которая уже существует
— Ричард Костелянец
«Шум. Политическая экономия музыки», Жак Аттали
К разговору о больших идеях прошлых лет, не утративших актуальности: в 1977 году французский экономист и политолог, будущий советник президента страны Жак Аттали пишет книгу о том, как, исследуя музыкальную культуру, можно выявить основные принципы функционирования общества в определенную эпоху, и даже предугадать важные изменения, которые могут произойти в будущем. Предсказательный потенциал впечатляет больше всего. Например, здесь встречаются размышления о том, что технологический скачок в области средств звукозаписи вскоре приведет к тому, что музыка превратится в товар массового производства, станет бесплатной или очень дешевой и вследствие потеряет свой политический потенциал. Достаточно точное описание стриминга за тридцать лет до его появления, не правда ли? И эта лишь одна из множества идей.
«Sound (Documents of Contemporary Art)», под редакцией Калеба Келли
Небольшая, но содержательная хрестоматия для тех, кто хочет разобраться во взаимоотношениях звука и современного искусства. Здесь собрано много текстов разных лет — от ранних манифестов футуристов до выдержек из работ современных теоретиков. Если возьметесь за эту книгу, обратите внимание на раздел, посвященный нашей теме — слушанию. Там есть эссе пионера саунд-арта Элвина Люсье, название которого, как мне кажется, должно стать новым правилом для всех, кто сегодня устраивает все эти бесконечные онлайн-трансляции: «Важнее внимательно слушать, чем производить звуки». Печатая эти строки, я слушаю пение птиц за окном — и кажется, это лучшая музыка, которую я услышал во время самоизоляции.
«Sonic Meditations», Полин Оливерос
Перейдем от теории к практике. Если Аттали пишет о том, что мы все только должны стать «композиторами своего собственного слушания», то для Полин Оливерос мы все уже являемся композиторами и музыкантами от рождения. Как и у предыдущих авторов, нам осталось научиться слушать, и для этих целей одна из ключевых представительниц американской авангардной сцены предлагает свои «стратегии для внимания» — сборник поэтично оформленных упражнений в музыкальной импровизации и медитации, для большей части которых не требуется никаких специальных инструментов или навыков. Некоторые из них, кажется, идеально подходят для режима самоизоляции: «Выйдите на прогулку ночью. Шагайте так тихо, чтобы ступни ваших ног стали ушами».
«A Sound Education: 100 Exercises in Listening and Sound-Making», Рэймонд Мюррей Шейфер
Еще один сборник упражнений для тренировки осознанного отношения к звучащему. Канадский композитор и исследователь звука Рэймонд Мюррей Шейфер был в числе тех, кто впервые попытался обратить внимание человечества на проблемы звуковой экологии, связанные с нарастающим уровнем антропогенного шума. Раньше он с горящими глазами готовил резолюции для ЮНЕСКО, а сегодня уединился в лесной хижине, откуда иногда отправляет свои немногословные призывы наконец-то замолчать и прислушаться к окружающему нас миру.
«The Great Animal Orchestra», Берни Крауз
Книга о большой любви к животным и к звукам, которые они издают, а еще неплохой практикум для тех, кто хочет выучить наизусть все существующие звукоподражательные слова в английском языке. Для Берни Крауза все животные на планете — это огромный оркестр, который мы должны научиться слушать во всем его многообразии, пока у нас еще есть возможность. Это и есть основная идея автора, посвятившего почти всю свою жизнь полевым записям голосов животных: звуковой ландшафт становится тише, и в этом виноваты мы, люди. По сути, это продолжение идей Шейфера, и как и в предыдущем случае для полноценного эффекта Берни нужно не только читать, но и смотреть — например, вот это выступление на TEDx разбило мое сердце. Еще один грустный, но очень показательный пример того, как мы можем помыслить окружающий мир через звук.
Уже намного позже я узнал, что все живые организмы производят уникальные, свойственные только им звуки. Например, когда вирусы отцепляются от клеточной поверхности, они издают короткий звуковой импульс — резкое и быстрое изменение амплитуды, которое мы можем обнаружить только с помощью самых чувствительных приборов
— Берни Крауз
Spectres: Composer l’écoute / Composing listening
Сборник эссе, посвященных различным аспектам слушания и звукового творчества. Авторы текстов и составители сборника — известные музыканты-экспериментаторы прошлого и настоящего, чья практика в той или иной степени восходит к наследию пионера в области исследований звука Пьера Шеффера, одного из важнейших деятелей послевоенного музыкального авангарда. Получилась отличная подборка вдохновляющих текстов, большую часть из которых можно воспринимать как руководство к действию. В этом, по словам составителей, заключается основная цель книги: напомнить нам о том, что эксперимент это метод, а не эстетика, и пригласить в «путешествие по неизведанным территориям». И это работает.
«The Order of Sounds: A Sonorous Archipelago», Франсуа Бонне
Напоследок хочу посоветовать не самое простое чтиво от Франсуа Бонне — философа, музыканта, хранителя архивов Пьера Шеффера и одного из составителей предыдущего сборника. Это не только крайне детальное исследование природы звука с философской точки зрения, но и своеобразный проект по эмансипации слуха, освобождения его от влияния различных социокультурных конструктов, к которым автор относит, например, музыку. А еще это напоминание о всепроникающей природе звука: он был, есть и будет появляться вне зависимости от того, хотим мы этого или нет.
Порог в тишине
Конечно же, такие эксперименты есть. Более того, проведены такие эксперименты уже давно. Например, Эберхард Цвикер описывает один из них следующим образом [1, c. 63]:
Перед испытуемым, регистрирующим порог слышимости, ставится задача изменять при помощи переключателя уровень звукового давления так, чтобы с уверенностью отмечались моменты едва заметного появления и исчезновения звука. При этом перо самописца вычеркивает на бумаге зигзагообразную полосу, состоящую из вертикальных штрихов, в пределах которой окажутся те значения давления, для которых нет уверенности, был ли слышен звук или нет.
В конечном итоге, собрали 100 таких замеров от людей обоих полов в возрасте 20-25 лет и посчитали усредненные значения.
Рис. 7. Усредненные кривые порога слышимости для молодых испытуемых со здоровым слухом. [1, c. 64]
А потом медиана (кривая между 10% и 90% на рис. 7) была названа порогом слышимости (или «порогом в тишине«) и вошла в стандарты (в том числе и наш ГОСТ).
Рис. 8. Порог слышимости в тишине (threshold in quiet, hearing threshold), уровень риска повреждения органов слуха (risk of damage), уровень болевых ощущений (threshold of pain) (источник). Да, боль не предупреждает об опасности, а просто констатирует факт негативного влияния на слух.
Под это есть даже специальная формула:
где — это, как нетрудно догадаться, частота в килогерцах.
Проговорим суть порога слышимости ещё раз: чтобы какой-либо звук мог быть услышан, он должен превысить значение «порога в тишине». То есть эволюция все расставила так, что мы почти гарантированно услышим звуки вблизи 2-4 кГц, однако, почти так же гарантированно не услышим слишком низкие и слишком высокие частоты.
А помните ультразвук на телефонах?
Порог в тишине в том виде, в котором он представлен на рисунке 5, актуален как правило для усредненной группы именно молодых людей. С возрастом восприятие высоких частот меняется:
В свое время этот факт, насколько я знаю, стал основой для тиражирования среди подростков ультразвукового сигнала вызова телефона: предполагалось, что взрослые (например, учителя) его слышать не будут, и поэтому не станут раздражаться на посторонние шумы. Ну, в годы моей молодости ничего, кроме «пыток» одноклассников раздражающим и назойливым звуком посреди урока со стороны кучки «пассионариев», эта идея не принесла…
Почему к данной кривой применяется словосочетание «в тишине»?
Потому что предполагается, что так люди воспринимают звук в отсутствии посторонних шумов. При появлении шума порог будет, как бы, «приподниматься». В случае широкополосного шума картина станет такой:
Рис. 8. Уровни порогов маскирования (термин обсудим ниже) белым шумом в зависимости от частоты тестового тона. Пунктиром отмечен уклон (slope) кривых на высоких частотах. [2, c. 62]
А в случае узкополосных шумов?
И. Алдошина — Лекции по психоакустике
Часть 1. Основы психоакустики (архив журнала «Звукорежиссер» : 1999 : №6) Часть2 Нелинейные свойства слуха (архив журнала «Звукорежиссер» : 1999 : №7) Часть 3 Слуховой анализ консонансов и диссонансов (архив журнала «Звукорежиссер» : 1999 : №9) Часть 4 Бинауральный слух и пространственная локализация (архив журнала «Звукорежиссер» : 1999 : №10) Часть 5 Бинауральный слух (продолжение) (архив журнала «Звукорежиссер» : 2000 : №1) Часть 6 Слуховая маскировка часть 1 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2000 : №2) Часть 7 Слуховая маскировка часть 2. Бинауральное маскирование (архив журнала «Звукорежиссёр» : 2000 : №3) Часть 8 Слуховые пороги, часть 1 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2000 : №4) Часть 9 Слуховые пороги, часть 2 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2000 : №6) Часть 10 Аурализация — виртуальный звуковой мир (архив журнала «Звукорежиссер» : 2000: №7) Часть 11 Громкость, часть 1 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2000 : №8) Часть 12 Громкость сложных звуков, часть 2 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2000 : №9) Часть 13.1 Субъективные критерии оценки акустики помещений.ч.1(архив журнала «Звукорежиссер» : 2000 : №10) Часть 13.2 Субъективные критерии оценки акустики помещений, часть 2 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2001 : №1) Часть 14.1 Тембр, часть 1 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2001 : №2) Часть 14.2 Тембр, часть 2 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2001 : №3)
Часть 14.3 Тембр, часть 3 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2001 : №4) Часть 15.1 Слуховое восприятие пространственных систем, часть 1 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2001 : №8) Часть 15.2 Слуховое восприятие пространственных систем, часть 2 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2001 : №9) Часть 16 Взаимодействие акустических систем и помещения – стереофоническое прошлое и многоканальное будущее (архив журнала «Звукорежиссер» : 2001 : №10) Часть 17.1 Слух и речь, часть 1(архив журнала «Звукорежиссер» : 2002 : №1) Часть 17.2 Слух и речь, часть 2 (архив журнала «Звукорежиссер» : 2002 : №3) Часть 17.3 Слух и речь, часть 3 Акустические характеристики речи (архив журнала «Звукорежиссер» : 2002 : №4) Часть 17.4 Слух и речь, часть 4 Субъективные и объективные методы оценки разборчивости речи (архив журнала «Звукорежиссер» : 2002 : №5) Часть 17.5.1 Слух и речь, часть 5.1 Акустические характеристики вокальной речи (архив журнала «Звукорежиссер» : 2002 : №9) Часть 17.5.2 Слух и речь, часть 5.2 Акустические характеристики вокальной речи (архив журнала «Звукорежиссер» : 2002 : №10)
https://cloud.mail.ru/public/BXHe/ENPrbkvSW
Post Views: 1 458