Ультразвуховая диагностика, или Есть ли жизнь выше 20 кГц?
АрхивСреднестатистический человек "в самом расцвете сил" слышит звук в частотном диапазоне от 16 до 20000 Гц.
Среднестатистический, «в самом расцвете сил» человек слышит звук в частотном диапазоне от 16 до 20000 Гц. Полоса частот от 16 до 20 кГц считается верхней границей непрерывной тон-шкалы слуха: некоторые люди воспринимают звук не выше 16 кГц, тем не менее, это признается нормальным.
С возрастом, как правило, высокочастотная граница опускается все ниже и ниже (так называемый пресбикузис). От этого особенно страдают жители больших городов, подвергающиеся воздействию вредных факторов цивилизации «по самое не хочу». А вот «натуральным аборигенам» — глубоко по барабану, их слуху ничего не грозит, разве что «дубинкой из бамбука» кто из соплеменников съездит.
Акустические колебания (подразумевается — в воздухе, если не оговорено иное) выше 20 кГц называются ультразвуком (далее — УЗ). Кстати, летучие мыши, ночные бабочки, киты, дельфины воспринимают его вплоть до 200 кГц, «генетически» используя божий дар для эхолокации.
Медицинские аспекты
По некоторым разрозненным сведениям, при подведении ультразвука к плотным (костным) тканям организма человек может воспринимать частоты до 100–200 кГц. Это свойство используется в медицинской практике для определения различных патологий слуха (в частности, нейросенсорной тугоухости) по методу Б. М. Сагаловича. Диагностическая ценность этого метода, разработанного в лаборатории патофизиологии и акустики МНИИ уха, горла и носа МЗ РФ, подтверждена многочисленными исследованиями. Так, из 56 обследованных пациентов с симметричной тугоухостью, возникшей из-за вредного воздействия звука в слышимом диапазоне частот, у 47 человек (84%) было выявлено повышение порога восприятия ультразвука приблизительно вдвое [1]. То есть оглохший продолжает воспринимать ультразвук, хотя и более высокой мощности.
Опуская сведения сугубо медицинского характера, отметим четкую закономерность: слух человека притупляется не на тех частотах, на которых происходит постоянное/ мощное воздействие, а на тех, где чувствительность слуха максимальна (в районе 4 кГц). В дальнейшем тугоухость распространяется на соседние области частот.
Тут впору спросить: если подвергаться чрезмерному «озвучиванию» на УЗ-частотах, чем это аукнется? Длительное воздействие УЗ на человека является вредным фактором и регламентируется федеральными санитарно-эпидемиологическими правилами. В России предельно допустимым уровнем (при воздействии не более сорока часов в неделю) воздушного УЗ для полосы частот выше 20 кГц считается 100 дБ. Для контактного УЗ (измеряемого по виброскорости) принятый порог несколько выше — 110 дБ.
Контактный ультразвук (от сотен килогерц до нескольких мегагерц) широко используется в терапии различных заболеваний. Помимо точечного массажа, он улучшает обмен веществ и вызывает позитивные физико-химические превращения. Причем в случае умеренной интенсивности УЗ необратимых повреждений клеток не наблюдается. Однако если переборщить с интенсивностью, то неминуем локальный перегрев и даже разрушение биологических тканей. Например, микроорганизмы простейших мощный ультразвук буквально разрывает на части.
До недавнего времени использование УЗ в медицинской диагностике для визуализации состояния внутренних органов считалось практически безвредным. Но теперь установлено, что он является мутагеном, хотя и гораздо более слабым, чем рентген. Исследования, проведенные в Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой мощности может повредить молекулу ДНК.
Ультразвук в музыке
Посмотрим на феномен УЗ с другой стороны. Имеются факты [2], подтверждающие, что многие музыкальные инструменты генерируют колебания частотой до 100 кГц. Правда, доля энергии, приходящаяся на полосу частот выше 20 кГц, составляет от 0,01 до 2% для звуков гармонической природы и от 0,02 до 68% для звуков, генерируемых кимвалом, треугольником, ударом о металлический обод барабана, звоном ключей и т. п. Даже речь и та на свистящих-шипящих звуках распространяется до 40 кГц.
Более того, исследования [3] свидетельствуют: при воспроизведении звука с полосой частот выше 26 кГц на энцефалограмме наблюдается активизация альфа-ритмов мозга человека. Это уже что-то осязаемое! (А то слышно, не слышно…) Любопытно, что активность мозга спадает не сразу после окончания звукового воздействия. По заявлению исследователей, согласно физиологическим ощущениям, звук в широкой полосе с высокочастотными компонентами (HFC, выше 20 кГц) приятнее, нежели такой же звук, но с низкочастотными компонентами (LFC, до 20 кГц). Авторы назвали свое открытие hypersonic effect [4].
Весьма показательно мнение производителей продвинутой HiFi-аудиоаппаратуры, безапелляционно утверждающих, что «мы не слышим ультразвук, но можем распознать его по звучанию музыкальных инструментов» [5]. Насколько чистосердечно сие утверждение, сказать трудно. С приходом форматов DVD-Audio и SACD, знаменующих начало новой эры звука, мода на супертвитеры принимает серьезный коммерческий оборот. А для рекламы, как известно, все средства хороши.
Почитаемый в аудиофильских кругах Джон Аткинсон (John Atkinson) в статье «What’s Going On Up There?» [6] так увлекся раскопками в поисках ультразвука, что обнаружил якобы полезные частотные компоненты до 40 кГц на старой виниловой грампластинке. При всем уважении к регалиям Аткинсона, вынужден кинуть увесистый камень в его огород. В спектральном анализе Джон явно не дока. При такой «шитой белыми нитками» методике УЗ можно обнаружить даже на Луне. Помимо всего прочего, Аткинсон, лихо расписывая свою крутую аппаратуру, почему-то забывает указать рабочую полосу частот и динамический диапазон, например, для 16-дорожечного аналогового магнитофона с системой шумопонижения Dolby-A (!) на скорости ленты 15 дюймов в секунду.
Среди аудиофилов бытует мнение: чем шире полоса воспроизводимых частот, тем лучше, что называется, по определению. Мол, тогда пищалка, озвучивая слышимые частоты, будет работать в более благоприятном режиме. Очевидно, «ноги растут» из аналогии с запасаемой впрок мощностью акустики-усиления. Но там физика объясняет все просто. При динамическом диапазоне оркестра в 80 дБ (за вычетом фонового шума аудитории ~30 дБ) идеальный линейный усилитель должен выдавать, к примеру, от одного милливатта для самых тихих звуков до нескольких киловатт для самых громких. То есть большая пиковая мощность нужна, чтобы с минимальными искажениями воспроизводить всплески звука. Тогда как нужен или не нужен запас в диапазоне ультразвука — физика пока ничего внятного сказать не может, поскольку механизм восприятия слуховой системой человека разных (особенно высоких) частот изучен довольно поверхностно.
Зрим в корень
Один из исследователей — Георг фон Бекеши — в 1961 году был удостоен Нобелевской премии за изучение основной мембраны улитки внутреннего уха. Он показал, что высокочастотные звуки вызывают колебания мембраны на том участке, где она тоньше и наиболее натянута, а низкочастотные звуки — совсем в другой части, где мембрана толще и менее упруга. Получается, что мембрана выполняет роль частотного анализатора, в котором отклики разных частот обрабатываются одновременно.
В слуховой системе человека преобразованием механических колебаний вышеупомянутой мембраны в электрические импульсы ведает так называемый орган Корти. Код сего преобразования для передачи в мозг по слуховому нерву есть тайна за семью печатями.
Науке удалось выяснить, что начиная с некой критической частоты система слуха перестает регистрировать исходную форму звуковой волны, и в дело вступает биологическая обработка сигнала. Образно говоря, вычисляется огибающая во времени тех или иных высокочастотных составляющих аудиосигнала. Например, сглаженный во времени свист стохастического шума аэродинамической струи воспринимается как чистый тон! Очевидно, часть мембраны внутреннего уха, отвечающая за высокие частоты, откликается не на изменение акустического давления, а интегрирует оное за счет своих демпфирующих свойств. Как следствие, частоты выше 12 кГц становятся трудно различимы (зависит от индивида) между собой по высоте тона. Отсюда следует архиважный вывод: в высокой точности воссоздания (по форме сигнала) слышимых «верхов» особого смысла нет.
Согласно последним теориям, постулируется, что УЗ в музыке вызывает позитивные аллюзии у слушателей. Тем не менее, научного доказательства, разъясняющего механизм улучшения восприятия человеком звука от расширения частотного диапазона (например, до 40 кГц), пока не существует.
Ультразвук на DVD-Audio
Под диктатом рынка на DVD-Audio (да и на SACD) переиздается в основном «нетленка» — альбомы, проверенные и перепроверенные покупательским спросом и записанные в 50–70-х годах. Некоторые записи были сделаны на совесть и поныне являются образцами студийной работы, отчасти эталонами звукозаписи. К сожалению, не застал профессиональные магнитофоны той поры, а «индустриальный» Honeywell (до 80 кГц на ЧМ) и дюймовая лента Ampex на огромных алюминиевых бобинах, с которыми подружился, «контрача» в 94-м году в Шотландии, вряд ли могут служить основой для сравнения. Так что и рад бы поведать, каких частот ожидать от старых студийных лент, но увы… Одно могу сказать, качество звука было заложено колоссальное, и компакт-диск с его частотным диапазоном передавал далеко не все.
В частности, через мои руки прошли (так уж судьба распорядилась) несколько версий одной и той же записи — альбома «Rumours» 1977 года калифорнийской группы Fleetwood Mac. Виниловой пластинки, у которой, помнится, разноцветный такой пятачок-лэйбл с пальмочками, и компакт-диска (сохранилась лишь копия на хромовой кассете) уже было достаточно, чтобы убедиться: запись относится к числу образцовых по праву. Наконец, дошло до DVD-Audio — спасибо коллеге, перебравшемуся в корпорацию Sun (Сан-Диего) и по щедрости души подбрасывающему преинтересный материальчик. Эх, если бы все три носителя сейчас сравнить на одной акустике!..
Но вернемся к нашим баранам. Вместимость DVD позволяет впихнуть несколько форматов-версий одного и того же музыкального материала. Шестиканальный Dolby Digital, ясненько, для совместимости, чтобы не скучали те, кто DVD-Audio-плейерами не успел обзавестись. Наличие стереодорожки (в том числе в «трейлерной» версии) мне кажется излишним, разве что прожженные аудиофилы не захотят из шести каналов ненаглядные два «даунмиксить».
В буклетах, прилагаемых к большинству DVD-Audio, понапечатано множество фото и расчудесных funny stories, но ни слова о процессе создания исходной мастер-записи. И про цифровой ремастеринг ничегошеньки толком не пишут. Скромную ремарку типа «Этот альбом был смикширован специально для DVD-Audio» полезной информацией не назовешь. Судя по всему, каждая запись, причем сделанная не только в аналоге, прошла суровые грабли цифровой обработки, прежде чем лечь на диски новой эры. Ясно, «воскрешение» центрального и тыловых каналов без колдовства в цифре было бы крайне проблематично. Однако увлекшись без меры цифровыми выкрутасами, выхолостить звук — проще пареной репы… Посему не удивляйтесь, если, поставив вожделенные диски на своей слаженной доброй аппаратуре, обнаружите некоторые странности в звучании. А если обзавестись аппаратурой с расширенным диапазоном частот, то…
О воспроизведении УЗ-диапазона на примере DVD-Audio
Разведать, какой сигнал увековечен на музыкальном DVD-Audio, не нахватав влияния ЦАПа конкретного плейера аль звуковой карты, крайне сложно из-за необходимости лицензирования технологии распаковки MLP.
Звучание (до акустики-усиления еще не дошли) обусловлено спецификой ЦАПа, качеством его выходного фильтра и развязкой цепей питания. Бюджетный фильтр и экономная развязка могут испоганить хороший ЦАП. Некоторые дельта-сигма-ЦАПы (например, используемые в Creative SB Audigy 2 ZS [7]) демонстрируют тенденцию нарастания амплитуды спектральных составляющих по мере роста частоты за рубежом в 24 кГц. При этом все сваливается в одну кучу: шум, наводки и полезный УЗ-сигнал. Помимо прочего, добавляются огрехи передискретизации — либо компьютерной, либо ремастеринговой. В результате при сочетании со специфическими особенностями записанных звуков можно видеть картину, как на скриншоте чуть выше.
По обе стороны от 24 кГц чуть ли не зеркально-симметрично встает лес «резонирующих» пиков. Слушателя спасает лишь их относительно небольшая амплитуда. Иногда они залазят в слышимый диапазон, но в основном отсиживаются в области ультразвука. На развернутой спектрограмме (см. цветастые скриншоты слева внизу: частота влево и вправо от центра по горизонтали, время — по вертикали, относительная амплитуда — цветовая шкала) хорошо видно, что картина идентична для левого и правого фронтальных каналов. Следует также отметить, что частоты злополучных пиков могут слегка плавать во времени, а порой «резонансы» и вовсе исчезают.
На том же DVD-Audio «Rumours» имеются треки, в течение которых в районе 24 кГц наблюдается практически полное отсутствие каких либо частотных составляющих. Это наиболее заметно после конвертации в 16 бит (см. второй скриншот, черные и темно синие участки). Зато в области УЗ просматривается масса информативных обертонов (параллельные голубые линии), причем с изменяющимся по ходу произведения частотным интервалом.
Другая чрезвычайно важная деталь: амплитуда УЗ-составляющих на большинстве DVD-Audio весьма мала, особенно если учесть высокочастотный задир, вызываемый некоторыми ЦАПами. Вычленение УЗ-составляющих с последующим прослушиванием в замедленном темпе показало, что они не оригинальны, а в лучшем случае только повторяют звуки из слышимого диапазона. В худшем же — извлеченный ультразвук, будучи усиленным, воспринимался на слух как крайне неприятный.
Отдельные моменты, выявляемые с помощью более сложного математического анализа, указывают на неблагополучную «рукотворность» УЗ компонент при воспроизведении некоторых DVD-Audio на определенной аппаратуре. Думаю, сия закономерность распространяется на абсолютное большинство издаваемых ныне «продвинутых» дисков. Исключение составят лишь те, которые слеплены из 24-битных студийных записей с частотой дискретизации выше 88,2 кГц и с использованием микрофонов и прочей промежуточной аппаратуры, имеющей расширенный диапазон рабочих частот.
Никаким ультразвуком ни на одном сидюке, разумеется, и не пахнет, как бы ни исхитрялся композитор-электронщик. Судя по черному савану ультразвукового поля спектрограммы (см. скриншоты справа), там — гробовая тишина. И даже нет «залетных» составляющих, отраженных от частоты дискретизации. Хотя в плане УЗ как раз электронная музыка Жарра могла бы задать жару...
Эксперимент
Так какими должны быть ультразвуковые составляющие, чтобы благотворно влиять на восприятие музыки? Выяснить это непросто, поскольку передискретизация туда-сюда записи любой музыки, оцифрованной на тех же 96 кГц, может все испортить. Если какой-нибудь фрагмент записать дважды с разными частотами дискретизации, то сама музыка будет отличаться. Если же прибегнуть к чисто электронной музыке, то слушатель все равно будет сбиваться из-за субъективного отношения к тому или иному стилю-навороту.
Просматривается один логически верный путь: математическое моделирование музыкального инструмента, желательно простейшего с точки зрения физики, но при этом гармонично звучащего и однозначно интерпретируемого слушателем.
Я смоделировал (24 бит/96 кГц) разные комбинации звучания одного инструмента — без УЗ-составляющих и с ними. Варьировалась амплитуда, длительность и переходные процессы УЗ. Прослушивание производилось лично мною и контрольной группой неподготовленных людей разного возраста с помощью Creative GigaWorks S750 (до 40 кГц) и наушников до 30 кГц, а также двух разных звуковых карт.
Добавление «музыкального» (не случайного) ультразвука фиксировалось в 100% случаев. Нарушения в гармонии УЗ по отношению к слышимым составляющим могут приводить к тому, что добавка УЗ перестанет восприниматься на слух. Важную роль играет соотношение уровней УЗ и слышимых составляющих. Звук с постоянными во времени УЗ-составляющими (в качестве фоновой добавки) не вызывал позитивных эмоций. Чрезмерный уровень перманентно излучаемого синусоидального УЗ сказывался на слуховых ощущениях негативно. Разумеется, окончательный приговор можно вынести только после верификации моделирования звуков в продуманном сравнении с живым инструментом.
Заключение
Итак, определенный УЗ и вправду эффективно стимулирует восприятие в музыке частотных компонентов из слышимого диапазона. Благодаря «правильному» ультразвуку звучание в целом становится ярче и гораздо реалистичнее. Хотя разница на смоделированных звуках, пожалуй, не столь велика по сравнению с тем, насколько хорошо может быть записан оригинал. Так что главное в звуке — качественная исходная мастер-запись в студии, «а остальное — купишь».
Однако ультразвук ультразвуку рознь. Не факт, что искусственно созданные УЗ-составляющие пойдут во благо. Даже наоборот, неумелый и чрезмерный УЗ может стать причиной разного рода расстройств. Многие сегодняшние аудиоустройства с расширенной полосой частот грешат кошмарными шумами в УЗ-области, что, мягко говоря, не способствует реалистичности звучания (по меньшей мере, не исключены случаи повышенной утомляемости).
В руках ловкачей переиздание аналоговых записей, содержащих полезные частотные составляющие лишь до 16–20 кГц, в формате 24 бит 96/192 кГц — не более чем еще один способ привлечь-заманить неискушенного покупателя. Особенно чреват и непредсказуем ресэмплинг музыкальных записей из одной частоты дискретизации в другую и обратно, как бы тщательна ни была промежуточная цифровая обработка. Целесообразность реинкарнации УЗ-компонентов с использованием информации, содержащейся в звуке слышимого диапазона, — тема отдельного расследования.
Пишите письма.
Ссылки
[1] www.expo.medi.ru/spo_materials_4.htm&text .
[2] www.cco.caltech.edu/~boyk/spectra/spectra.htm .
[3] Tsutomi Oohashi, Emi Nishina, Norie Kawai, Yoshitaka Fuwamoto, Hiroshi Imai, «High-Frequency Sound Above the Audible Range Affects Brain Electric Activity and Sound Perception». Audio Engineering Society preprint No. 3207 (91st convention, New York City).
[4] Tsutomu Oohashi et al., «Inaudible High-Frequency Sounds Affect Brain Activity: Hypersonic Effect», Journal of Neurophysiology, June of 2000.
[5] www.dom.hi-fi.ru/doc .
[6] www.stereophile.com/thinkpieces .
[7] www.terralab.ru/multimedia/32161 .
