Почему мы все так музыкальны?

От уха до мозга

Городские власти Гамбурга не поскупились — без малого 400 миллионов евро выделено на строительство филармонии на Эльбе. Уже создан архитектурный проект футуристического здания, которое вознесется на 37 метров над самым высоким в городе. Смета неоднократно корректировалась в сторону увеличения, и лишь неисправимые оптимисты верят, что вышеуказанная сумма является окончательной.

Концертные залы предназначены для одной-единственной цели — исполнения музыки, точнее, классической музыки, поскольку джаз и рок звучат там не особенно выигрышно. И если раньше было принято музицировать во дворцах и храмах, то приблизительно 200 лет назад рвущаяся к власти, приобщившаяся к культурным ценностям буржуазия пожелала иметь собственные храмы искусства. Филармонические общества возникали, как грибы после дождя, началось строительство роскошных дворцов музыки, некоторые из которых функционируют до сих пор, например, «Мюзикферайн» в Вене, «Гевандхаус» в Лейпциге и «Концертгебау» в Амстердаме.

Первые концертные залы возводились методом проб и ошибок. Нередко случалось, что у зала с пышным убранством была ужасная акустика. В двадцатом столетии была разработана научно обоснованная технология строительства такого рода сооружений, но все равно лишь горстка специалистов владеет секретом создания условий для безупречного звучания классической музыки.

Храм музыки

Существует две методики акустического решения концертных залов — так называемые «виноградник» и «картонка для обуви». Ярким представителем первой из них является японец Ясухиса Тойота, которому поручено разработать акустику филармонии на Эльбе. В спроектированных им залах сцена находится в центре, и зрители располагаются вокруг нее. «Картонкой для обуви» называют традиционный параллелепипед со сценой в торце — так выглядят все крупнейшие залы, построенные в девятнадцатом столетии, а из современных — концертный зал Культурного центра в Люцерне (KKL), спроектированный архитектором Жаном Нувелем и акустиком Расселом Джонсоном.

В 2007 году мне выпало счастье слушать в этом зале Девятую симфонию Бетховена. Интерьер там скромный, но все сделано с большим вкусом, и ощущения, что пребываешь внутри обувной коробки, не возникает. Боковые стены выкрашены в белый цвет, кресла для зрителей деревянные. С точки зрения акустики бетховенский шедевр звучал отлично. Дирижировал Клаудио Аббадо. Оркестр Аюцернского фестиваля, насчитывающий 130 музыкантов, а также хор из сорока человек излучали мощную звуковую энергию. Четверо солистов-певцов стояли на возвышении позади оркестра, но их голоса были прекрасно слышны. Самым впечатляющим моментом вечера явилось соло в последней части, где звучит в первый раз знаменитая тема «Радость, прекрасная искра Божья». Исполняемая пианиссимо (то есть очень тихо), она была превосходно слышна даже в последних рядах зрительного зала.

На таком концерте органы слуха демонстрируют феноменальные способности, ведь перепад уровня звука между этим пианиссимо и мощными финальными аккордами симфонии очень велик.

Существует десять акустических параметров акустики концертного зала. Оптимальное соотношение этих физических характеристик: реверберации, объемности, четкости, тембра и т. д. обеспечивает качество звучания конкретного оркестра.

Наивно полагать, что все сводится к тому, чтобы без помех и искажений донести звук от музыкантов до слушателей. Древние римляне возводили амфитеатры так, что каждое слово оратора было отчетливо слышно. Но когда дело касается музыки, «чистый», или, иначе говоря, «сухой» звук нужен только в студиях звукозаписи, чтобы удобнее было привносить в фонограмму различные дополнительные эффекты. При отсутствии отраженных звуковых волн, которые дают человеку возможность ориентироваться в пространстве, в такой студии с непривычки чувствуешь себя неуютно.

В хорошем концертном зале всего пять процентов звуковой энергии доходит до слушателя напрямую со сцены, все остальное претерпевает хотя бы однократное отражение. Когда отдельные звуковые волны проходят расстояния различной длины, возникает эффект реверберации: исходный звук уже затих, а волновое колебание еще продолжается. В лекционных залах и тому подобных аудиториях реверберация длится доли секунды, в кафедральных соборах достигает 10 секунд, в концертном же зале она должна продолжаться примерно две секунды.

Однако реверберация — еще не все, не менее важно то, что происходит в органах слуха в первые 80 миллисекунд после того, как его достигает звуковая волна. Речь идет о так называемых ранних отражениях — звуковых волнах, отраженных от, например, одной из боковых стен зала. Они позволяют нашему мозгу сориентироваться и понять, где находится источник звука. Первичный импульс регистрирует звук и определяет его высоту, следующий — обволакивает слушателя. Две эти составляющие должны быть четко отделены друг от друга, в противном случае возникает так называемое акустическое «болото».

Проблема узкоспециализированных концертных залов в том, что они были построены очень давно, а развитие музыкального искусства не остановилось на классике. Круглый год исполнять в концертном зале исключительно классический репертуар можно разве что в крупных мегаполисах, таких, Нью-Йорк, Лондон или Париж. Все настоятельнее становится потребность в универсальных залах, где могли было звучать этническая музыка, джазовые и рок-концерты или даже проводиться научные конгрессы. Но усиленная электроникой музыка, как и речь, требует иных акустических параметров зала, в частности, короткой по времени реверберации. Все необходимые эффекты добавляет звукорежиссер с помощью микшеров. Поэтому, когда в концертных залах, обладающих первоклассной акустикой для исполнения классики, проходит, к примеру, джазовый концерт, приходится затягивать стены звукопоглощающей тканью.

Не исключено, что филармония на Эльбе станет последним храмом классической музыки. Будущее принадлежит залам с вариабельной акустикой, позволяющим исполнять музыку любых стилей.

Непомерные затраты, которых требует строительство концертных залов, свидетельствуют: удовлетворить наш слух не так-то просто. А поскольку сегодня музыку слушают преимущественно в записи, огромную роль играет техническая составляющая.

Главным остается одно: слух, похоже, — наиболее капризный из всех органов чувств, зато он способен переработать колебания воздуха в бесконечное разнообразие звуков и вызвать неповторимые эмоции.

Тончайшее из чувств

Человеку даны пять чувств: зрение, слух, обоняние, вкус, осязание. В настоящее время ученые причисляют к ним и некоторые другие ощущения, скажем, чувство равновесия или кинестезию — «мышечное чувство», которое позволяет нам определять положение своего тела в пространстве.

Ограничимся пятью основными, о которых упоминал еще Аристотель. Два из них, осязание и вкус — можно назвать «контактными», а зрение, слух и обоняние, напротив — «дистанционными», ведь источники запахов и звуков могут находиться от нас на расстоянии от километров до миллиардов световых лет (как в случае со звездами, которые мы видим в ночном небе).

Слух занимает среди прочих чувств особое место. Во-первых, его труднее всего «отключить». Если осязание и вкус не работают при отсутствии контакта с предметом, запах не воспринимается, если дышать через рот, а взгляд можно отвести, то избавиться от нежелательных звуков можно лишь с помощью наушников или специальных затычек, беруш.

Второе отличие слуха от других чувств состоит в том, что ухо обрабатывает один-единственный сигнал. Осязание обеспечивают бесчисленные нервные окончания, вкус и обоняние тоже работают при помощи множества рецепторов. На сетчатке глаза помещаются 120 миллионов «палочек» и 5 миллионов «колбочек», создающих двухмерное, а за счет взаимодействия двух глаз — трехмерное изображение.

Наличие двух органов слуха необходимо только для стереоэффекта. Невероятно, но факт: звуковой сигнал, который исходит от всех инструментов симфонического оркестра и покашливания кого-то из зрителей в придачу, — это всего лишь волновые колебания. Воспринимая их, мы составляем для себя звучащую картину мира, и в частности — мира музыки.

Представьте себе, что вы получаете всю оптическую информацию за счет изменения яркости одной-единственной мерцающей лампочки. Или все тактильные ощущения — путем прикосновения к одной точке вашей кожи. Возможно ли не только получить таким образом информацию, но и испытать глубочайшие эмоциональные переживания?

Напомню: звук есть не более чем колебательное движение частиц упругой среды. Когда в новогоднюю ночь взрывается хлопушка, ее взрыв инициирует шарообразную ударную волну, которая, достигнув нашей барабанной перепонки, заставляет ее прогнуться, в результате чего мы и слышим хлопок.

Гитарная струна колеблется, скажем, 400 раз в секунду, вызывая движение молекул воздуха, и возникает звуковая волна, которая распространяется все дальше. Колеблющаяся на расстоянии, предположим, десяти метров гитарная струна производит волну достаточной силы, чтобы ее восприняло человеческое ухо.

Звуковая волна может распространяться лишь в том случае, если между источником и приемником звука существует материальная среда, передающая колебания, — воздух, вода или твердое тело (при землетрясениях). Так что не верьте, когда в каком-нибудь научно-фантастическом фильме увидите, как подбитый вражеской ракетой космический корабль, взрываясь, производит неимоверный шум.

На нашу барабанную перепонку постоянно действует давление воздуха. Это единственный параметр, изменяющийся во времени. Потому, если в десяти метрах от нас играет гитарист, сосед справа громко сопит носом, а по улице проезжает трамвай, все исходящие от них звуковые волны сливаются в одну. Но при этом мы в состоянии без труда различить каждый звук. Такое становится возможным в результате сложнейших процессов, сравнимых с разделением готового теста на исходные компоненты — яйца, молоко и муку.

Распознавать еще более слабые сигналы не имеет смысла, это означало бы слышать шелест при движении молекул. То есть, как видим, чувствительность уха отрегулирована идеально.

Самый громкий звук, который мы в состоянии воспринять без ущерба для нашего слуха, производит давление в 100 паскалей. Эта величина в пять миллионов раз превышает порог слуховой чувствительности. В технике громкость звука измеряется в децибеллах (дБ) — при усилении громкости на 10 децибелл давление звуковой волны возрастает втрое. Порог слуховой чувствительности лежит, таким образом, на уровне 0 дБ, а болевой порог — на уровне 134 дБ.

На сегодняшний день таким диапазоном не обладает ни одна воспроизводящая звук техника, поэтому грампластинка или лазерный диск не в состоянии заменить живое исполнение, когда музыкант полностью использует возможности своего инструмента.

Субъективное восприятие громкости звука зависит от количества возбужденных звуковой волной рецепторов. Подвергаясь в течение длительного времени воздействию громкого звука, они делаются менее восприимчивы и восстанавливают свою чувствительность только после некоторой паузы. Поэтому отдельные кратковременные импульсы громкого звука раздражают сильнее, чем непрерывный шум.

Музыкальные и немузыкальные звуки

Высота звука определяется частотой периодических колебаний соответствующей звуковой волны, но взаимосвязь эта не столь однозначна.

Шумовой сигнал — скажем, шорох листвы в лесу или звук морского прибоя — не имеет высоты. Мы не воспринимаем его в качестве музыки. В нем перемешаны множество звуковых волн различных частот, и выделить какую-либо закономерность невозможно. Это явление называют «Белый шум», и его примером принято считать шум водопада, но в чистом виде он в природе не встречается.

В современной поп- и техно-музыке очень часто используется шум. Экспериментальная музыкальная группа «Einsturzende Neubauten» использует для производства звуков самые разнообразные предметы, а гамбургские музыканты Христиан фон Рихтгофен и Кристиан Бадер в шоу «AutoAuto» разбирают на запчасти автомобиль среднего класса. «У автомобиля, — утверждает Рихтгофен, — много прекрасно звучащих поверхностей: капот, облицовка радиатора, дверные ручки, ветровое стекло — такого разнообразия звуков не в состоянии обеспечить ни один ударный инструмент». Лучше всего, между прочим, звук у «Опеля Кадет».

Такого рода эксперименты доказывают: различать шум и музыку только на основе физико-технических характеристик невозможно. Музыка — это «упорядоченный звук», — как говорит композитор Эдгар Варез, и для ее создания можно использовать любой предмет. Музыкант-ударник, играющий на установке, редко ее настраивает, и его мало интересует, в какой тональности написана вещь, в исполнении которой он участвует. Правда, если большому барабану предстоит солировать, его настраивают. А вот малому барабану или тарелкам высота звука, напротив, не важна.

А как же «нормальные» инструменты? Даже если речь идет о фортепиано, флейтах, скрипках или трубах, приходиться констатировать: высота звука субъективно фиксируется головным мозгом. Причина тому — самый «чистейший» звук этих инструментов содержит в себе колебания нескольких частот, правда, в отличие от шума, не хаотические, а строго упорядоченные. И дело тут в наличии так называемых обертонов.

Физический смысл этого явления легче всего представить на примере гитарной струны. Ее колебания — сложное сочетание многих колебательных движений.

Но мы уже выяснили, что барабанной перепонки достигают не две, три, четыре и т. д. звуковые волны, а лишь одна.

Почему мы слышим только один звук? Причина в меньшей интенсивности обертонов. Имей они такую же, что и основной тон, мы слышали бы несколько звуков. Сочетание обертонов определяет уникальный тембр конкретного инструмента. Они придают звучанию едва заметные придыхание, дребезжание, рокот.

Настроенный на восприятие музыки мозг стремится распознать в мешанине частот основной тон. Это желание настолько сильно, что мы можем слышать звуки, которых нет! Если вырезать из фонограммы базовую частоту, слух реконструирует ее и «слышит».

Приносит ли эта удивительная способность мозга реконструировать несуществующие звуки практическую пользу? Несомненно — при телефонном разговоре, например. Телефоны передают частоты, начиная приблизительно с 300 Герц, то есть выше базовой частоты голоса взрослого мужчины. Тем не менее, мы не воспринимаем звучащий в телефонной трубке мужской голос как детский — базовая частота реконструируется на основании спектра обертонов. Органисты, умеющие извлекать определенный спектр обертонов, могут симулировать такие низкие звуки, какие органу в силу его конструкции неподвластны. А производители громкоговорителей с помощью технических приспособлений добиваются эффекта излучения низких тонов, с точки зрения физики невозможных.

Так что высоту сложного звука определить не так легко, в этом немалую роль играют субъективные факторы. Один и тот же тон воспринимается по-разному в зависимости от окружающей среды, и на этом основан удивительный эффект так называемого звукоряда Шепарда — создающего иллюзию бесконечно повышающегося или понижающегося тона, в то время как на самом деле его высота не меняется.

Звукоряд Шепарда напоминает знаменитую лестницу Маурица Эшера. Если там зрительная иллюзия обманывает привычное ощущение перспективы, то звукоряд Шепарда делает то же самое с восприятием высоты звуков. Еще более сильное впечатление производит эффект, называемый «глиссандо Шепарда-Риссета»: кажется, что звук, как у сирены, непрерывно повышается, хотя на самом деле он остается на том же уровне. Этот прием использовали некоторые композиторы-модернисты, а также группа «Pink Floyd» в композиции «Echoes» и группа «Queen» — в альбоме «A Day at the Races».

Как же выделить из комплексного сигнала каждую из составляющих его частот? Подобный подход требует сложных расчетов с применением интегрального и дифференциального исчислений, но наш мозг не решает никаких уравнений. Для сравнения вспомним: чтобы поймать мяч, нам не нужно вычислять его траекторию — наша рука сама окажется в нужный момент в нужном месте.

Каким образом поступающий извне сигнал раскладывается во внутреннем ухе на исходные частоты, выяснил физик Георг фон Бекеши, удостоенный за это в 1961 году Нобелевской премии. До него считалось, что внутри органа слуха имеется нечто вроде струн, которые, принимая звуковой сигнал, колеблются с ним в резонансе. Бекеши доказал, что колебания мембраны происходят по типу бегущей волны.

Диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот достаточно широк. И здесь надо пояснить, что такое октава. Это одно из фундаментальных понятий в музыке: у каждого восьмого звука частота вдвое больше, чем у первого, но они воспринимаются очень похожими друг на друга, хотя различаются по высоте. Поэтому когда одну и ту же ноту поют хором женщина и мужчина, их голоса отличаются на октаву, но на слух эта разница не слышна. Итак, в одной октаве соотношение частот между нижним и верхним звуками составляет 1:2, он охватывает примерно 10 октав, опережая по этому показателю все другие органы чувств, — диапазон световых частот, которые мы воспринимаем, охватывает всего одну «октаву» (свет с самой короткой длиной волны имеет частоту всего лишь вдвое большую, чем свет с самой длинной).

Как известно, острота слуха с возрастом ослабевает, в особенности в области высоких частот. У 60-летнего человека верхняя граница лежит на две октавы ниже, что, тем не менее, позволяет ему слышать все музыкальные звуки и, само собой, речь.

88 клавиш современного концертного рояля охватывают не весь диапазон частот, доступный восприятию человека, причем в экстремальных зонах, когда нажимаешь крайние клавиши, различить ноты почти невозможно — нижняя рокочет, верхняя визжит.

И все же наш слух способен поразительно быстро настраиваться на определенный тон и чувствовать его высоту. Низкий звук распознается за одну сотую долю секунды, в диапазоне более высоких частот идентификация происходит за четыре тысячные доли секунды. При этом в зоне средней октавы мы (я имею в виду не экспертов, а любого из нас) в состоянии различить до 350 звуков, хотя в европейской музыке используется только двенадцать из них.

Очень важно подчеркнуть, что при ноте «ми» возбуждается всегда одна и та же группа слуховых рецепторов, при «до» — другая. И все же большинство из нас не в состоянии точно определить высоту звука, хотя мы легко узнаем мелодию, если она транспонирована, то есть звучит в другом регистре. Как происходит превращение абсолютного слуха в относительное восприятие, предстоит еще объяснить!

Описанные процессы представляют собой акустическую составляющую восприятия звукового сигнала — от возникновения звуковой волны до вызванного ею нервного импульса. Затем начинается его анализ в головном мозге — определение таких параметров, как ритм, тембр, мелодия и гармония.

Кончерто гроссо[6] в голове

Если путь акустического сигнала в ухе поддается описанию, то объяснить, каким образом исходящие от слуховых рецепторов электрические импульсы перерабатываются в головном мозге, значительно труднее. Слуховой нерв, по которому они передаются в мозг, это не просто «провод». Он, к примеру, дифференцирует частоты и ни в коем случае не является улицей с односторонним движением — информация передается по нему в обоих направлениях.

Сложность процессов обработки акустической информации в мозге иллюстрирует тот факт, что в слуховом центре головного мозга дешифровкой сигналов заняты миллионы нейронов в разных отделах, каждый из которых специализируется на обработке определенных аспектов звука.

Чтобы понять, как происходит усвоение музыкальной информации в мозге, не требуется ни вскрывать черепную коробку, ни применять какие-либо сканирующие устройства, — в этом помогает изучение историй болезни.

О последствиях черепно-мозговых травм собран богатый материал. Исходя из того, какие нарушения наблюдаются у пострадавших, Изабель Перес из Монреальского университета смогла установить кое-какие закономерности. Некоторые пациенты потеряли способность различать высоту звуков, хотя по-прежнему без труда понимали речь. Другие, лишившись в результате инсульта способности говорить, тем не менее, были в состоянии напеть какую-то мелодию, иногда даже со словами. Подобные наблюдения позволяют сделать вывод, что за речевые функции и за обработку акустической информации отвечают разные отделы головного мозга.

Существуют также способы сделать процессы, происходящие в мозге при переработке разного рода информации, видимыми. Созданы приборы, представляющие их в форме графических изображений. Наиболее часто применяется измерение электрических сигналов с помощью укрепленных на голове электродов — так называемая энцефалограмма (ЭЭГ). Прибор регистрирует реакцию мозга на некий сигнал в течение нескольких миллисекунд. Однако достоверность информации о том, в какой именно области происходит этот процесс, невелика.

Второй метод, функциональная магниторезонансная томография (МРТ), дает пространственное многоцветное изображение участков головного мозга, построенное на основе вычислений. Поскольку магнитные свойства крови различаются в зависимости от степени насыщения ее кислородом, в возбужденном участке головного мозга идет более активный обмен веществ, который обуславливает приток насыщенной кислородом крови, что и регистрирует томограф.

Однако многие процессы в головном мозге протекают постоянно, и чтобы определить, какие из них происходят во время прослушивания музыки, необходимо сравнить два изображения: в норме и в ситуации, подлежащей изучению.