Тембр и общие принципы распознавания слуховых образов

Тембр является идентификатором физического механизма образования звука по ряду признаков, он позволяет выделить источник звука (инструмент или группу инструментов), и определить его физическую природу.

Это отражает общие принципы распознавания слуховых образов, в основе которых, как считает современная психоакустика, лежат принципы гештальт-психологии (geschtalt, нем. - "образ"), которая утверждает, что для разделения и распознавания различной звуковой информации, приходящей к слуховой системе от разных источников в одно и то же время (игра оркестра, разговор многих собеседников и др.) слуховая система (как и зрительная) использует некоторые общие принципы:

- сегрегация - разделение на звуковые потоки, т.е. субъективное выделение определенной группы звуковых источников, например, при музыкальной полифонии слух может отслеживать развитие мелодии у отдельных инструментов;

- подобие - звуки, похожие по тембру, группируются вместе и приписываются одному источнику, например, звуки речи с близкой высотой основного тона и похожим тембром определяются, как принадлежащие одному собеседнику;

- непрерывность - слуховая система может интерполировать звук из единого потока через маскер, например, если в речевой или музыкальный поток вставить короткий отрезок шума, слуховая система может не заметить его, звуковой поток будет продолжать восприниматься как непрерывный;

- "общая судьба" - звуки, которые стартуют и останавливаются, а также изменяются по амплитуде или частоте в определенных пределах синхронно, приписываются одному источнику.

Таким образом, мозг производит группировку поступившей звуковой информации как последовательную, определяя распределение по времени звуковых компонент в рамках одного звукового потока, так и параллельную, выделяя частотные компоненты присутствующие и изменяющиеся одновременно. Кроме того, мозг все время проводит сравнение поступившей звуковой информации с "записанными" в процессе обучения в памяти звуковыми образами.Сравнивая поступившие сочетания звуковых потоков с имеющимися образами, он или легко их идентифицирует, если они совпадают с этими образами, или, в случае неполного совпадения, приписывает им какие-то особые свойства (например, назначает виртуальную высоту тона, как в звучании колоколов).

Во всех этих процессах распознавание тембра играет принципиальную роль, поскольку тембр является механизмом, с помощью которого экстрактируются из физических свойств признаки, определяющие качество звука: они записываются в памяти, сравниваются с уже записанными, и затем идентифицируются в определенных зонах коры головного мозга (Рис. 3).

Рис. 3 Слуховые зоны мозга

Тембр - ощущение многомерное, зависящее от многих физических характеристик сигнала и окружающего пространства. Были проведены работы по шкалированию тембра в метрическом пространстве (шкалы - это различные спектрально-временные характеристики сигнала, см. вторую часть статьи в предыдущем номере). В последние годы, однако, появилось понимание, что классификация звуков в субъективно воспринимаемом пространстве не соответствует обычному ортогональному метрическому пространству, там происходит классификация по "субпространствам", связанным с вышеуказанными принципами, которые и не метрические, и не ортогональные.

Разделяя звуки по этим субпространствам, слуховая система определяет "качество звука", то есть тембр, и решает, к какой категории отнести эти звуки. Однако следует отметить, что все множество субпространств в субъективно воспринимаемом звуковом мире строится на основе информации о двух параметрах звука из внешнего мира - интенсивности и времени, а частота определяется временем прихода одинаковых значений интенсивности. Тот факт, что слух разделяет поступившую звуковую информацию сразу по нескольким субъективным субпространствам, повышает вероятность того, что в каком-то из них она может быть распознана. Именно на выделение этих субъективных субпространств, в которых происходит распознавание тембров и других признаков сигналов, и направлены усилия ученых в настоящее время.

Заключение

Подводя некоторые итоги, можно сказать, что основными физическими признаками, по которым определяется тембр инструмента, и его изменение во времени, являются:

- выстраивание амплитуд обертонов в период атаки;
- изменение фазовых соотношений между обертонами от детерминированных к случайным (в частности, за счет негармоничности обертонов реальных инструментов);
- изменение формы спектральной огибающей во времени во все периоды развития звука: атаки, стационарной части и спада;
- наличие нерегулярностей спектральной огибающей и положение спектрального центроида (максимума спектральной энергии, что связано с восприятием формант) и их изменение во времени (Рис. 4);

Рис. 4 Общий вид спектральных огибающих и их изменение во времени

- наличие модуляций - амплитудной (тремоло) и частотной (вибрато);
- изменение формы спектральной огибающей и характера ее изменения во времени;
- изменение интенсивности (громкости) звучания, т.е. характера нелинейности звукового источника;
- наличие дополнительных признаков идентификации инструмента, например, характерный шум смычка, стук клапанов, скрип винтов на рояле и др.

Разумеется, все это не исчерпывает перечень физических признаков сигнала, определяющих его тембр. Поиски в этом направлении продолжаются.

Однако при синтезе музыкальных звуков необходимо учитывать все признаки для создания реалистичного звучания.

Интересная классификация инструментов была предложена в IRCAMe - "бинарное дерево" (рисунок 5). Если выделить пять признаков, и оценить их по 30-бальной шкале (негармоничность, форма атаки, форма спада, вибрато, тремоло, форма огибающей и др.), то все пять исследуемых инструментов можно расположить на "бинарном дереве", что может соответствовать их классификации по тембрам.

Рис. 5 "Бинарное дерево"

Приведенные в этих трех статьях сведения являются только несколькими первыми шагами в этом направлении, и далеко не исчерпывают проблемы. Надеюсь, что у нас будет возможность возвращаться к этим проблемам в дальнейшем, а также, надеюсь, что поставленные здесь вопросы заинтересуют наших читателей, и подтолкнут их к проведению научных и практических исследований в направлении анализа и восприятия тембра.