Воспринимаемая высота звука становится выше, когда увеличивается частота акустических колебаний. Частота 440 вибраций в секунду – камертон (эталон высоты), которым пользуются для настройки традиционных западных музыкальных инструментов, – соотносится с нотой ля первой октавы. Ученые пользуются герцами (Гц), чтобы обозначать число вибраций в секунду – камертон ля первой октавы обладает частотой 440 Гц. Мы способны слышать частоты до 20 Гц, а более низкие частоты мы скорее ощущаем, чем слышим. Частоты ниже порога слышимости называются инфразвуком. Инфразвук возникает из-за естественных явлений природы – прибоя, землетрясения, грозы. Эти звуки вызывают странные психологические реакции: чувство беспокойства, отвращения, тревоги и благоговейного ужаса. Им приписывают способность порождать «сверхъестественные» переживания. Из-за способности инфразвука внушать тревогу его часто применяют в современной музыке, как, например, поступили создатели саундтрека к французскому триллеру «Irréversible» («Необратимость» – прим. ред.). Использовать музыку для возбуждения эмоций как-то не очень честно.
Рис. 3.1 Звуковые волны в воздухе являются волнами более и менее плотного воздуха.
Верхний лимит частот, различимых человеческим ухом, находится обычно в районе 20,000 Гц, но с возрастом порог слышимости снижается, так как у пожилых людей слуховые рецепторные клетки теряют подвижность. Частоты, превышающие этот порог (ультразвук), человеческое ухо расслышать не в состоянии, но их различают многие животные: летучие мыши пользуются ультразвуком для эхолокации. Между названными крайними точками находится диапазон из десяти октав, воспринимаемых человеческим ухом. У фортепиано с 88 клавишами самая низкая нота ля, она рычит на 27,5 Гц, а самая высокая до – визжит на 4,186 Гц. Нам сложнее воспринимать четко определенную высоту звука нот по краям фортепианной клавиатуры, чем в ее середине – поэтому музыку в основном исполняют именно на средних клавишах, и расположение этих нот в центре клавиатуры тоже объясняется их свойствами. Частота основного тона мужского голоса обычно составляет 110 Гц, а женский голос на октаву выше – 220 Гц. Когда мужчина и женщина поют «в унисон», то они на самом деле поют в октавную гармонию.
Орган, преобразующий вибрации воздуха в нервные импульсы и направляющий их в мозг для дальнейшей обработки, называется ушной улиткой. Это спиралевидный полый канал с костным стержнем во внутреннем ухе, который выглядит как маленькая раковина улитки (рис. 3.2). Внутри нее располагается длинная плоская мембрана – базилярная мембрана – покрытая звукочувствительными «волосковыми клетками». Они носят это название из-за мелких пучкообразных выростов на их поверхности. Эти клетки напоминают механические переключатели: когда «волоски» раскачиваются под воздействием акустических вибраций внутри жидкости, которая заполняет улитку, из-за движения открываются крохотные поры в стенках клетки. Через них в клетку поступают электрически заряженные атомы металла из соли, которая растворена в окружающей жидкости, и мембранный потенциал клетки изменяется.
В результате возникает нервный импульс, который устремляется по нервным волокнам к мозгу.
Различные волосковые клетки откликаются на различные звуковые частоты. Они расположены на базилярной мембране способом, поразительно напоминающим позицию фортепианных струн на резонансной деке. Базилярная мембрана колеблется под действием низкочастотных звуков с одной стороны и постепенно переходит к реагированию на высокие частоты на другом конце.