Воспринимаемая высота тона во многом определяется его частотой. Частота относится к тому, сколько циклов в секунду колеблется звуковая волна. Чем быстрее колеблется звуковая волна, тем выше воспринимаемая высота. И наоборот, более медленные колеблющиеся звуки воспринимаются как имеющие более низкую высоту.
Чтобы понять, как частота определяет воспринимаемую высоту, полезно начать с некоторых основных физических принципов работы звука. Звук возникает, когда объект вибрирует в среде, такой как воздух или вода. Эта вибрация нарушает среду и создает узор из областей высокого и низкого давления, называемых сжатием и разрежением. По мере того, как сжатие и разрежение распространяются через среду, они образуют звуковую волну.
Частота звуковой волны относится к тому, сколько полных циклов сжатия и разрежения происходит каждую секунду. Один цикл в секунду называется 1 Герц (Гц). Большинство людей могут слышать частоты от 20 Гц до 20 000 Гц.
Звуки с более высокой частотой имеют больше циклов в секунду, в то время как звуки с более низкой частотой имеют меньше. Например, звук с частотой 440 Гц будет колебаться 440 раз в секунду. Звук с частотой 220 Гц будет колебаться в два раза медленнее, со скоростью 220 циклов в секунду.
Когда звуковые волны достигают наших ушей, они заставляют наши барабанные перепонки вибрировать с той же частотой. Слуховая система специально адаптирована для анализа этих входящих колебаний.
Во внутреннем ухе колебания преобразуются в электрические сигналы, которые передаются в слуховую кору головного мозга через слуховой нерв. Слуховая кора способна различать разные частоты на основе времени и интенсивности нервных сигналов.
Это позволяет мозгу определять высоту исходной звуковой волны. Звуки с более высокими частотами быстрее вибрируют наши барабанные перепонки, что приводит к более быстрым сигналам слухового нерва. Эти быстрые сигналы интерпретируются как высокочастотные звуки. Вибрации с более низкой частотой вызывают более медленные нервные сигналы, которые воспринимаются как низкочастотные звуки.
Точная связь между частотой и воспринимаемой высотой тона была впервые официально исследована Джоном Тиндалем в 1867 году. Тиндалль показал, что каждое удвоение частоты (в Гц) приводило к воспринимаемому увеличению высоты тона примерно на одну октаву. Современные ученые по-прежнему принимают эту связь, известную как шкала Мела, как близкое приближение.
Однако важно отметить разницу между воспринимаемой высотой тона и основной частотой. Хотя они тесно связаны, они не идентичны. Вот некоторые ключевые различия:
Таким образом, хотя основная частота дает близкое приближение к высоте тона, воспринимаемая высота тона также зависит от физиологических и психологических факторов.
Из-за взаимосвязи между частотой, высотой тона и октавами были разработаны стандартизированные частоты в качестве эталонов. Наиболее распространенным стандартом, используемым в западной музыке, является A440, который относится к ноте A выше средней C, вибрирующей на частоте 440 Гц.
Используя октаву и множественные отношения, этот стандарт A440 позволяет определять частоты других нот. Например:
| Нота | Частота (Гц) |
|---|---|
| A220 | 220 |
| A440 (стандарт) | 440 |
| A880 | 880 |
Эти частоты, связанные с октавой, определяются как имеющие одинаковый класс высоты тона — в данном случае класс высоты тона A. Однако они будут восприниматься как имеющие последовательно более высокие высоты тона. Это демонстрирует сложность восприятия высоты тона.
В то время как частота является основным фактором, определяющим воспринимаемую высоту тона, другое качество, называемое тембром, также оказывает влияние. Тембр относится к характеру или окраске звука. На него влияет интенсивность обертонов выше основной частоты.
Разные инструменты, играющие на одной и той же основной частоте, могут звучать по-разному из-за разного тембра. Например, гитара и фортепиано, играющие одну и ту же ноту, будут звучать ярче или глуше, даже если они имеют одну и ту же частоту.
Тембр также тонко влияет на наше восприятие высоты тона. Известный как спектральный сдвиг высоты тона, звуки с более яркими тембрами могут восприниматься как немного более высокие по тону, чем более глухие звуки с той же основной частотой.
Громкость также может влиять на воспринимаемую высоту тона, явление, известное как динамизм высоты тона. Когда воспроизводятся два тона с одинаковой частотой, но разной интенсивностью, более громкий тон часто воспринимается как немного более высокий.
Этот эффект был подробно изучен DE Robinson и CS Watson в 1962 году. В их исследовании тестовые тоны 500 Гц воспроизводились с разной громкостью. Результаты показали, что воспринимаемая высота тона увеличилась до 0,7% для тонов, которые были на 20 дБ громче.
Однако более поздние исследования предполагают, что динамический эффект высоты тона может быть не таким заметным, как показало знаменательное исследование 1962 года. Многие факторы, такие как тембр и частота, по-прежнему требуют дальнейшего изучения, чтобы понять их точное влияние на восприятие высоты тона.
Помимо физических качеств, таких как частота и громкость, психологические факторы также играют важную роль в восприятии высоты тона. К ним относятся:
Таким образом, хотя физические свойства звука определяют его частоту, психологические факторы также влияют на то, как воспринимается высота звука этой частоты. Слуховая система и мозг выполняют значительную бессознательную обработку для перевода звуков в восприятие высоты тона.
Понимание того, как люди воспринимают высоту тона, имеет множество практических применений, включая:
Воспринимаемая высота тона — это сложный психоакустический феномен. Хотя частота является основным определяющим фактором, такие свойства, как громкость и тембр, также имеют тонкие эффекты. Психологические факторы, такие как возраст, культура и музыкальный опыт, еще больше формируют индивидуальное восприятие высоты звука.
Понимание нюансов восприятия высоты звука приведет к инновациям, таким как более естественно звучащие кохлеарные имплантаты и надежное аудиокодирование. Как и в случае со всеми чувствами, восприятие не всегда соответствует физической реальности. Наш феноменологический опыт мира опирается на сложные бессознательные механизмы сенсорной обработки в мозге.
Подводя итог, можно сказать, что воспринимаемая высота звука в первую очередь определяется его частотой или количеством циклов звуковой волны в секунду. Более высокие частоты воспринимаются как более высокие. Однако на восприятие высоты звука также влияют такие качества, как громкость, тембр и психологические факторы. Хотя частота дает близкое приближение воспринимаемой высоты звука, слуховая система обрабатывает звуки сложными способами, прежде чем они достигнут нашего сознания. Исследования восприятия высоты звука привели ко многим инновациям и продолжают стимулировать открытия в областях от музыки до инженерии.