Мозг позволяет обмануть себя — но мы ведь ему это простим? Если одновременно зазвучат несколько тонов, принадлежащих обертоновому ряду более низкого басового тона, басовый тон возникнет исключительно благодаря физике, хотя на самом деле мы его не играем. Так образуется комбинационный тон. Это явление широко известно, и в течение многих веков им пользуются создатели органов. Инструменту необязательно нужны большие басовые трубы — ведь достаточно просто сыграть аккорд из обертонового ряда для нужного тона, и получившийся комбинационный тон будет соответствовать отсутствующему основному. Орган будет звучать точно так же, как и с настоящей басовой трубой, а этот практичный метод позволит сэкономить место и снизить стоимость инструмента. Еще один пример — мобильные телефоны: многие из них не могут воспроизвести тоны с частотой ниже 300 Гц, а мужские голоса зачастую еще более низкие. Благодаря явлению отсутствия основного тона низкие частоты мужских голосов слышны по мобильному телефону.
Мы слышим звуки с частотой от 16–20 до 16 000–20 000 Гц. Поэтому у более низких звуков ряды обертонов богаче и сложнее, чем у более высоких. Первый обертон для тона частотой 5000 Гц имеет частоту 10 000 Гц, следующий обертон — 15 000 Гц, а третий — 20 000 Гц (мы его едва слышим). Следовательно, высокие звуки имеют более скудный обертоновый ряд, чем низкие. Как мы уже говорили, именно третий, четвертый и пятый обертоны важны для идентификации тона. А у относительно высокого тона, например частотой 5000 Гц, четвертый и пятый обертоны находятся уже за пределами восприятия. Из-за этого мозг не сможет выстроить в нашем восприятии тон (он зависит от третьего, четвертого и пятого обертонов). Мы как бы потеряем ощущение тона! Самый высокий тон клавиатуры фортепиано имеет частоту 4440 Гц. Он настолько высок, что его обертоновый ряд выходит за границу нашего восприятия. Поэтому нет смысла добавлять еще одну октаву. Мы в состоянии услышать ee основную частоту, однако ощущения тона у нас не будет. Все тоны будут казаться нам писком, не являющимся частью аккорда или гаммы и не имеющим для нас никакого значения.
Мы слышим гораздо больше обертонов у тонов басового регистра, и между ними чаще возникает диссонанс (к этому явлению мы вернемся в следующей главе). Это означает, что интервалы баса будут казаться более диссонантными по сравнению с интервалами верхнего регистра. Как мы уже говорили в предыдущей главе, мозг может различать тоны, для которых расстояние между ответственными за их восприятие волосковыми клетками на базилярной мембране улитки составляет около 0,02 мм. Но басовый регистр отличается от верхнего. Если мы вспомним пример с ковриком, то увидим, что волны при его вытряхивании станут длиннее при «медленных» частотах, как у баса. Для сравнения: если вы будете трясти коврик быстро, появится много мелких волн, как в верхнем регистре. То же самое происходит на базилярной мембране улитки: низкие тоны дают длинные волны («медленные» частоты), а если они расположены плотно, становится непросто их различать. Басовые тоны отделить друг от друга сложнее, чем тоны верхнего регистра. Следовательно, низкие тоны мы различаем хуже, чем высокие. Это легко проверить, если рядом есть фортепиано: терция (например, ноты до и ми, взятые одновременно) в нижнем регистре покажется нам не такой четкой, как в верхнем. Исходя из этого, в произведениях большинства жанров композиторы используют басовые аккорды с открытыми интервалами (тоны расположены на большом расстоянии друг от друга — на октаву и квинту) — и уменьшают их в дисканте.
Если два тона верхнего регистра находятся так близко друг к другу, что мозг не различает их, возникает еще одно явление — интерференция. Сыграйте два расположенных близко друг к другу чистых тона, например с частотой 1000 и 1004 Гц. Вы услышите расположенный между ними «средний» тон с частотой 1002 Гц, но с отчетливой «пульсацией», или «колебанием», в 4 Гц — как если бы мы увеличивали и уменьшали громкость звука четыре раза в секунду. Такое можно услышать на концертах: на пикколо-флейте, например, очень сложно играть абсолютно чисто. Если два флейтиста хотя бы незначительно не попадают в унисон, мы почувствуем, что сила тона меняется и тон «колеблется». Обратите на это внимание, если вдруг услышите оркестр янычар с семью медными трубами!
Тот же самый эффект можно наблюдать, слушая расстроенное фортепиано. Каждый молоточек должен одновременно бить по нескольким струнам, настроенным на одну и ту же частоту. Если перенастроить эти струны, тем самым изменив частоту, из-за интерференции сила тона будет казаться неоднородной. Вот почему звук расстроенного пианино кажется нам «разбитым».
Слуховая кора головного мозга
Слуховая кора мозга организована по принципу тонотопии. Это означает, что клетки мозга реагируют на разные частоты и расположены друг за другом, как клавиши на клавиатуре. Подобным образом устроена и ушная раковина (улитка), улавливающая звуковые сигналы.
Необработанные данные, поступающие в ухо, передаются в первичную слуховую кору, расположенную в задних отделах верхней височной извилины в височной доле (gyrus temporalis superior) в обоих полушариях мозга. Как мы уже говорили, слуховая кора организована по принципу тонотопии — а это значит, что своим расположением клетки, реагирующие на различные частоты, напоминают клавиши на клавиатуре.
Но у слуховой коры есть еще одна функция: перед тем как снова сложиться в понятную картину, все характеристики звука отделяются друг от друга (декомпонуются). Анализ различных характеристик звука проходит в областях возле первичной слуховой коры — их называют слуховыми ассоциативными зонами. Там частоты объединяются, становятся тонами, аккордами и мелодиями — и приобретают смысл.
Высота тона
С момента обнаружения того, что восприятие высоты тона строится в мозге, наука ищет отвечающий за это центр. Довольно долго исследования в этой области проводились в основном на животных. Игольчатые электроды, вживленные разным животным в слуховую кору, помогли зарегистрировать ответную реакцию отдельных нервных клеток на различные виды звуковой стимуляции. Так ученые выяснили, что кроме нервных клеток, реагирующих на особые частоты и организованных по тонотопическому принципу, в коре головного мозга есть также нервные клетки, которые откликаются только на сложные тоны, то есть тоны с обертоновым рядом. Исследования, проведенные на животных, показали, что только около 20 % нервных клеток слухового отдела мозга реагируют на такую сложную стимуляцию. Именно эти клетки можно обмануть с помощью обертонового ряда и услышать отсутствующий основной тон. Возможность понять, в какой части мозга образуются такие конструкции, нам дают современные технологии визуализации, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), а также электрофизиологические исследования, например электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ) (см. текст в рамке на следующей странице). Благодаря этим технологиям можно заглянуть в мозг живого человека, выполняющего различные задачи. Однако проводить исследования по-прежнему сложно. Результаты напрямую зависят от того, какие выполняются задания и какой применяется метод. Также не в последнюю очередь они зависят от выбранной группы испытуемых (например, совсем разные результаты будут у музыкантов и у тех, кто никогда не обучался музыке).
