Иллюзии слухового восприятия: Тон Шепарда и другие слуховые иллюзии / Хабр

Тон Шепарда и другие слуховые иллюзии / Хабр

Фотография: Pawel Czerwinski. Источник: Unsplash.com

Все мы хорошо знакомы с оптическими иллюзиями. Встретить их можно в изобразительном искусстве, кино, видеоиграх и даже архитектуре. В то же время существуют направленные на обман других органов чувств иллюзии, которые известны гораздо менее широко. В этой статье мы хотели бы рассказать о примерах слуховых иллюзий.

Одним из наиболее часто упоминаемых примеров слуховых иллюзий является тон Шепарда. Назван он по имени создавшего ее в 1964 году американского психолога Роджера Шепарда, занимавшегося исследованиями в области когнитивистики. 

Данная иллюзия представляет собой бесконечно повышающуюся последовательность тонов. Создается она путем наложения двух синусоидальных волн, которые разделены октавой, то есть отличаются друг от друга по частоте в два раза. Для достижения эффекта необходимо, чтобы громкость звуков верхней октавы по мере движения вверх постепенно уменьшалась, а нижней – повышалась. Нижняя октава таким образом незаметно подменяет собой верхнюю, после чего верхняя октава перемещается вниз и продолжает свое восходящее движение, медленно нарастая в громкости. При постоянном повторении эта последовательность воспринимается слушателем как бесконечный подъем высоты тона. По аналогичному принципу возможно создать и иллюзию бесконечно понижающегося тона.

Французский композитор Жаном-Клод Риссе, известный своей работой в области акустики и компьютерной музыки, создал позже вариант лада Шепарда с непрерывным, а не ступенчатым, как в оригинале, изменением высоты тона, названный глиссандо Шепарда-Риссе. 

Его авторству принадлежит и еще одна иллюзия, под названием ритм Риссе, при прослушивании которой у слушателя возникает ощущение бесконечного ускорения или замедления темпа. Так же, как и тон Шепарда, эта иллюзия использует методику поочередной подмены друг другом двух последовательностей звуков, но уже с отличающимся в два раза темпом.

Практическое применение тона Шепарда можно найти сразу в нескольких фильмах Кристофера Нолана, которого можно считать фанатом этой иллюзии. Она использовалась при написании музыки к фильмам «Престиж» и «Дюнкерк» и при создании звука двигателя для мотоцикла Бэтмена в фильмах трилогии о Темном Рыцаре.

Среди других известных примеров использования эффекта можно отметить композицию Echoes прогрессив-рок-группы Pink Floyd, а также первую и последнюю песни альбома A Day at the Races группы Queen. В ставшей уже классической игре Super Mario 64 тоном Шепарда сопровождается восхождение по бесконечной лестнице, преграждающей путь к финалу. 

Множество слуховых иллюзий принадлежит авторству британско-американского психолога Дайаны Дойтч, проводившей исследования в направлении психологии музыки. Одна из обнаруженных ей иллюзий, основанная опять же на тоне Шепарда, называется парадокс тритона. Для ее создания используется чередование двух тонов Шепарда, которые воспроизводят ноты, отличающиеся по высоте на музыкальный интервал тритон. Хотя высота тонов остается неизменной, слушатели воспринимают их чередование как нисходящее или восходящее движение, причем то же направление сохраняется и при последующих прослушиваниях.

Большую практическую ценность представляет иллюзия отсутствующей или фантомной основной частоты, с которой мы сталкиваемся регулярно в повседневной жизни. Эта иллюзия позволяет слышать низкочастотную составляющую музыкального звука, даже когда фактически она отсутствует, например при прослушивании музыки через небольшие динамики или наушники-вкладыши. Работает она за счет того, что мозг достраивает отсутствующую основную частоту на основе ее более высоких призвуков. На этой иллюзии построена работа эффектов для обработки звука, предназначенных для адаптирования записи к воспроизведению на широком наборе устройств.

«Слуховые иллюзии»: самые странные звуки в мире

«Вас просили не перебивать меня? — спрашивает в тёмном подвале паба северного Лондона своих слушателей Софи Микинс. — Вы можете перебивать меня, если хотите. Просто в этом нет смысла, потому что я не услышу вас».

Она шутит только отчасти. Микинс практически ничего не слышит, и, чтобы разобрать разговоры, которые ведутся вокруг нее, ей нужно приложить очень много усилий. Тема её выступления — слух и странные шутки, которые могут сыграть с нами наши уши.

Чтобы проиллюстрировать свою тему, она воспроизвела несколько слуховых иллюзий, и это были самые странные звуки, которые я когда-либо слышал. Меня поразило, как легко эти жуткие футуристические звуки разделили мнение аудитории. Так же, как известная фотография #TheDress заставила весь мир спорить о цвете изображенного на ней платья, эти аудиозаписи бросили вызов нашим предположениям о том, как каждый из нас воспринимает мир.

Нам часто говорят, что видеть не значит верить, но я никогда не понимал, насколько хрупким и обманчивым может быть наш слух. Как только я вышел из подвала паба и оказался в давке и суматохе вокзала Кингс-Кросс, я задался вопросом, сколько из того, что я слышу, создано моим мозгом. Мое восприятие звуков никогда не будет прежним.

Желая узнать больше, две недели спустя я встретился с Микинс в ее лаборатории в Лондонском университетском колледже, и она немного больше рассказала о своей карьере.

Несмотря на поддержку со стороны преподавателей, сначала она отказывалась изучать нейробиологию слуха. Однако в итоге одному сотруднику колледжа удалось убедить её, объяснив, почему это может стать для неё весьма плодотворной работой. «Он польстил мне, сказав, что я могла бы открыть что-то новое о том, как слышат люди, — говорит она. — И я подумала: да, я могу».

Сегодня её исследования в основном заключаются в понимании, как мы ведём себя при высоком уровне шума, — например, во время оживленной вечеринки. Оказывается, что, даже когда мы поглощены беседой, наш мозг одновременно контролирует фон разговора, чтобы в определенные моменты делать нашу речь тише. Сейчас она проводит сцинтиграфию головного мозга, чтобы выяснить, каким образом осуществляется эта дополнительная работа, не делая нашу речь запутанной и косноязычной.

В конце беседы Софи рассказала о слуховых иллюзиях. «Люди действительно не знают, что звук, который я слышу, может не совпадать со звуком, который слышат другие», — говорит она.

Первый пример Микинс, который она приводила во время своего выступления, — «Парадокс тритона» — может показаться обманчиво простым, но он превосходно демонстрирует этот принцип. Ниже вы можете прослушать его.

Парадокс тритона

Вы можете услышать четыре пары нот. Вторая нота в каждой паре выше или ниже? Включив эту запись в темном подвале лондонского паба, Микинс попросила, чтобы мы поднимали руки, если слышим повышение или понижение нот. Аудитория разделилась — 50:50. В частности, музыканты настаивали на том, что они знали, куда идет звук.

И так же, как разное восприятие цвета платья, это вводило в замешательство, особенно когда я понимал, что стоявший рядом человек слышал не то же самое.

«Это потому вызывает беспокойство, что мы хотим чувствовать, что мы все одинаково воспринимаем мир», — говорит Микинс.

На самом деле никакого правильного ответа нет. Каждая нота представляет собой совокупность различных сгенерированных компьютером тонов, разделенных октавой. Таким образом, невозможно сказать, находится ли следующий тон выше или ниже по звукоряду.

Диана Дойч

Как ни странно, согласно исследованию Дианы Дойч из Калифорнийского университета Сан-Диего, наш ответ, вероятно, зависит от нашего акцента или языка: например, калифорнийцы, как правило, приходят к выводам, совершенно противоположным выводам людей из Англии. По этой причине она считает, что манера речи, заложенная в детстве, может так или иначе формировать способ, которым наш мозг сопоставляет музыкальные ноты. (По этому принципу Дойч обнаружила и то, что повторяющиеся слова могут звучать как пение, возможно напоминая древнюю связь между музыкой и языком.)

Такие же машинно-генерируемые, неоднозначные тона помогают создать следующий оглушительный звук:

Иллюзия повышения звука

Что вы слышите? Многие люди слышат постоянно повышающийся звук. Фактически это цикл — новое повышение тона начинается, когда заканчивается предыдущее.

Это создает звуковой и визуальный эквивалент вечного движения. Кристофер Нолан использовал этот же трюк в «Тёмном рыцаре», создавая ощущение постоянного ускорения оборотов двигателя Бэтпода. И, как замечает Микинс, с помощью этой уловки с использованием звукового ряда была создана головокружительная «бесконечная лестница» в видеоигре «Марио 64»:

Во время нашего разговора Микинс показала мне сайт Дианы Дойч, который является кладезью других галлюциногенных звуков. Рассмотрим, например, этот:

Иллюзия призрачного слова

Что вы слышали? Мне кажется очевидным, что женский голос бесконечно повторяет фразу: «No way». Но другие слушатели расходятся во мнениях, утверждая, что слышат одно из этих слов: window, welcome, love me, run away, no brain, rainbow, raincoat, bueno, nombre, when oh when, mango, windowpane, Broadway, Reno, melting, Rogaine.

Это иллюстрирует то, как наши ожидания формируют наше восприятие, говорит Дойч. Мы ожидаем услышать слова, и наш мозг превращает нечеткие данные во что-то более определенное. Сила ожидания также может лежать в основе тех неловких ситуаций, когда вы неправильно расслышали нечетко произнесенную фразу.

Аналогичным образом рассмотрим этот спорный звук:

Шкала иллюзии

Дойч обнаружила, что правши обычно слышат высокие тона правым ухом, а левши — левым или двумя ушами одновременно. Это яркий пример того, как небольшие индивидуальные различия в структуре мозга могут радикально изменить наше восприятие. Но мы совершенно забываем, что наши ощущения сильно отличаются от ощущений человека рядом с нами.

Способность мозга формировать и совершенствовать наши чувства обычно помогает нам ориентироваться в мире, поэтому, например, мы можем услышать крик «стоп» через шум потока едущих машин. Микинс сравнивает этот слуховой беспорядок с тарелкой спагетти, в которой, так или иначе, мозг может распутать каждую «нить» звука.

«Вы каждый день становитесь своего рода детективом, идущим по следу звуков, потому что получаете множество неоднозначной информации и расшифровываете её, делая это настолько хорошо, что даже не замечаете этого», — говорит она.

«Это исследование заставило меня испытать огромное чувство уважения к своим ушам, потому что все достигающие их звуки мой мозг удивительным образом превращает во что-то имеющее смысл», — добавляет Микинс. Иллюзии, думает она, могут заставить всех нас немного больше ценить это чудо: «Только услышав эти странные звуки, вы внезапно понимаете, что делаете что-то действительно сложное».

Еще:

Интересные факты о человеке

Слуховые иллюзии: как обмануть уши

• Что такое слуховые иллюзии?
• Понимание эффекта МакГурка: то, что вы видите и слышите, не одно и то же
• Иллюзия Шепарда: то, что поднимается, должно опускаться
• Парадокс Тритона: каждый слышит что-то немного другое
• То, что вы слышите редко вся история
• Почему мы испытываем все эти слуховые иллюзии?
• Имеют ли слуховые иллюзии отношение к дизайну слухового аппарата и рецепту?

Как ваши уши позволяют себя одурачить

Большинство людей знакомы с оптическими иллюзиями. Это обман зрения, заставляющий мозг думать, что что-то есть, когда на самом деле ничего нет. Но знаете ли вы, что уши можно так же легко обмануть? Слуховые иллюзии, возможно, не так известны, как их оптические собратья, но они столь же увлекательны. Более того, изучая их, мы можем получить гораздо лучшее представление о том, как работает слуховая система человека, помогая разработать более эффективные методы лечения и технологии для распространенных проблем со слухом.

Что такое слуховые иллюзии?

В слуховых иллюзиях человеческий мозг думает, что он может слышать что-то, чего либо нет «там», либо существует в форме, совершенно отличной от того, как это воспринимается. Обычно мы полагаемся на способность переводить окружающий мир в точное чувственное восприятие. Но при определенных обстоятельствах связь между стимулами и чувствами нарушается, что приводит к некоторым интересным результатам. Почему мы можем слышать «фантомные» звуки?

Чем больше мы узнаем о сложности повседневного слуха, тем больше смысла обретают слуховые иллюзии. Это могут быть просто мгновенные разъединения в том, как наш разум и уши взаимодействуют, поскольку мозг обрабатывает фрагменты звука в непрерывное целое. В любом случае, эти иллюзии интересно исследовать, поэтому давайте взглянем на некоторые из самых известных.

Понимание эффекта МакГурка: то, что вы видите и слышите, не одно и то же

Удивительно, но то, как мы визуализируем мир, оказывает существенное влияние на то, что мы слышим. Это прекрасно иллюстрируется одной из самых известных слуховых иллюзий: эффектом Мак-Герка. Эффект, названный в честь одного из его первооткрывателей (британского психолога Гарри Макгерка), особенно часто встречается в разговоре. Оказывается, то, как слова формируются говорящим, так же важно для их восприятия, как и звук, который они издают. Итак, если вы сформируете рот двумя разными способами, но произнесете одно и то же слово, зрители вполне могут услышать два разных звука.

Ниже вы можете увидеть пример Эффекта МакГурка:

Сложно воссоздать это в реальной жизни. Когда вы произносите слова, ваш рот имеет очень похожую форму, но опытные обманщики могут использовать эффект Мак-Гурка, чтобы заставить людей услышать то, чего они на самом деле не могут. Ключ к тому, что на самом деле происходит, находится в мозгу слушателя. Мы не просто поглощаем звуковые волны и мгновенно превращаем их в звук, как это может сделать радиомикрофон. Вместо этого наш мозг предвосхищает и интерпретирует то, что он видит и слышит, сокращая путь к восприятию звука. Когда то, что мы видим и слышим, не совпадает, могут возникнуть иллюзии.

Иллюзия Шепарда: то, что поднимается, должно опускаться

Иногда слуховые иллюзии глубоко укоренены в музыке, которую мы обожаем. Возьмем, к примеру, знаменитого Тона Шепарда. Названный в честь калифорнийского нейробиолога Роджера Шепарда, тон представляет собой сложную смесь «синусоидальных волн» (извилистые звуковые волны, с которыми вы, вероятно, сталкивались на уроках геометрии). Эти волны постоянно поднимаются по высоте только для того, чтобы понизиться на октаву, подобно механизму водяного колеса.

Ниже вы можете увидеть пример иллюзии Шепарда:

Когда вы впервые слышите звук, который это создает, все, что вы слышите, это базовая гамма с постоянным повышением высоты тона. Но если вы воспроизведете эту гамму, произойдет нечто удивительное. Вместо того, чтобы начинать с базовой ноты, звучит так, как будто гамма постоянно поднимается по высоте, чего на самом деле нет, потому что синусоидальные волны постоянно возвращаются вниз. То, что мы слышим, — это бесконечно возрастающая шкала, немного похожая на полоски на шесте парикмахера. Но это связано с тем, что наш мозг не может усвоить сложную звуковую информацию. Возможно, вы слышали шкалу Шепарда в действии, даже не подозревая об этом. Например, он обычно используется для создания гнетущей атмосферы в фильмах (военный фильм «Дюнкерк» 2017 года использовал его повсюду, чтобы создать ощущение опасности и страха). Электронные поп-музыканты тоже регулярно его использовали.

Парадокс тритона: каждый слышит что-то немного свое

Парадокс тритона — один из самых известных вариантов иллюзии Шепарда, и это слуховая иллюзия, которая лучше всего работает, когда вы пробуете ее на друзьях. В обычном тоне Шепарда шкала восходит, казалось бы, навсегда. Но с Triton Paradox вы услышите пару нот, сыгранных непосредственно друг за другом, с небольшим промежутком между ними, называемым «тритоном».

Но это не обычные банкноты. Как вы могли догадаться, они представляют собой пару Тонов Шепарда и обладают теми же магическими свойствами, что и их восходящие соотечественники. По словам британского музыковеда Дайаны Дойч, эти два тона можно услышать либо как восходящие, либо как нисходящие ноты. Но вот что интересно: когда вы будете слушать их вместе, вы, вероятно, придумаете разные интерпретации того, какая нота была высокой, а какая низкой. Почему это? Это еще не совсем ясно. Однако, по словам Дойча, язык, на котором вы говорите, и культура, в которой вы выросли, играют важную роль.

Ниже вы можете увидеть пример Парадокса Тритона:

То, что вы слышите, редко бывает исчерпывающим

Существует множество других замечательных слуховых иллюзий помимо Парадокса Тритона, Эффекта Мак-Герка, тона Шепарда и многого другого. обнаруживаются все время. Например, Диана Дойч также исследовала то, что известно как «парейдолия» — восприятие слов или изображений, которые имеют смысл на хаотичном, неорганизованном фоне. Дойч установил пару стереодинамиков и воспроизвел через них фразу из двух слов с одним смещением, так что первое слово постоянно перекрывалось вторым. Какие результаты не должны иметь смысла, но в экспериментах люди слышали «фантомные» слова, появляющиеся, когда их мозг изо всех сил пытается понять то, что они слышат. Еще одна увлекательная иллюзия — эффект «Речи в песню». В этом случае мозг превращает обычную речь в форму песни, если фраза повторяется достаточно часто. Но не всякая фраза подойдет. Видимо, это должна быть фраза, взятая из более длинного предложения, а затем тут же повторенная. Примерно после пяти или шести повторений мозг начинает интерпретировать это в музыкальном ключе — то, что аудиологи до сих пор не могут объяснить.

Почему мы испытываем все эти слуховые иллюзии?

Основная причина слуховых иллюзий проста: человеческое ухо и мозг способны на некоторые удивительные достижения, но они могут сделать не так много. Внешний мир постоянно меняется и невероятно сложен. Уху и мозгу предстоит проделать большую работу, если они хотят интерпретировать это и подготовить тело к действию. Эволюция пошла на множество коротких путей, чтобы люди могли интерпретировать окружающую среду, но этот процесс оставил после себя множество шероховатостей. Они часто проявляются как слуховые иллюзии. А еще есть тот факт, что наш слух ограничен. Мы можем (обычно) слышать звуки только в диапазоне от 20 Гц до 20 000 Гц. Когда тоны выскальзывают из этого диапазона или входят в него, происходят странные вещи (отсюда бесконечное ощущение тона Шепарда).

Абсолютно. В некотором смысле, современные слуховые аппараты сами по себе являются формой слуховой иллюзии. Производители постоянно пытаются воспроизвести то, как работает человеческое ухо. Они также стремятся понять, как создавать электронные представления данных, которые может воспринимать человеческий мозг. Многие слуховые аппараты используют алгоритмы для обработки человеческой речи, выбирая звуки, которые кажутся подходящими для речи, и усиливая их. Знание того, как ведут себя звуки и как их можно представить математически, является решающим аспектом проектирования устройств, воспроизводящих надежную и точную версию реальности. Итак, нам нужно знать, как создаются иллюзии. Даже если с ними интересно разобраться, эти иллюзии — больше, чем просто уловки. Помимо помощи в создании экзотических музыкальных звуков и звуковых эффектов для фильмов, они также способствуют развитию слуховых аппаратов.

Звуковые эффекты: пять великих слуховых иллюзий

Plainpicture/Mielek

В рамках нашего специального выпуска о музыке Даниэль Левитин написал «Музыкальную иллюзию», в которой рассматриваются слуховые иллюзии и то, как они могут помочь нам понять работу человеческого мозга. Здесь мы собрали пять самых поразительных слуховых иллюзий, обнаруженных до сих пор.

У нас был большой выбор: от загадочной квинтины (пятого голоса), слышимой в некоторых видах горлового пения, до саксофонного брейка, которого нет на 9-м. 0077 Lady Madonna (на самом деле это Битлз поют в сложенные ладошки — не путать с настоящим соло на саксофоне) и парящий гитарный звук Дэйва Гилмора из Pink Floyd. Послушайте наши лучшие 5 ниже и прочитайте наши объяснения вовлеченных эффектов.

Реклама

1 Иллюзия парикмахерской (Слушайте в наушниках)

Это демонстрация стереоэффекта. Слушая это, вы чувствуете, как будто вы находитесь в парикмахерском кресле, а парикмахер двигается вокруг вас, состригая вам волосы. Когда парикмахер «двигается» вправо, громкость немного увеличивается в правом канале и уменьшается в левом. Точно так же увеличение громкости звука от клипперов создает впечатление, что он подносит их все ближе и ближе к каждому уху. Иллюзия демонстрирует нашу способность локализовать звуки в пространстве; сравнивая входы в два уха, мы можем понять, откуда исходит звук.

2 Иллюзорные слова (Слушайте через разделенные стереодинамики, лучше всего расположенные на некотором расстоянии друг от друга)

Впервые эту иллюзию продемонстрировала Дайана Дойч из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Основываясь на описанном выше стереоэффекте, в записи представлены перекрывающиеся последовательности повторяющихся слов или фраз, расположенных в разных областях стереопространства. Слушая его, вы начнете выделять определенные фразы. Однако на самом деле ни одна из фраз не существует. Ваш мозг строит их, пытаясь разобраться в бессмысленном шуме. Действительно, вы можете обнаружить, что фразы, которые вы слышите, связаны с тем, что у вас на уме — например, люди, сидящие на диете, часто слышат фразы, связанные с едой.

3 Временная индукция речи

Большая часть человеческого восприятия является результатом того, что мозг заполняет пробелы в данных, поступающих от наших органов чувств. Это означает, что если часть аудиозаписи отсутствует, наш мозг часто соображает, что там должно было быть. В этой записи Ричарда Уоррена из Университета Висконсина в Милуоки произнесенная фраза прерывается кашлем. Одна из фонем полностью удаляется при кашле. Но мало того, что большинство людей слышат предложение полностью, им обычно очень трудно понять, какая фонема была удалена. Если фонема заменяется периодом тишины, а не кашлем, делеция очень очевидна.

Иллюзия масштаба — это пример того, как наш мозг группирует похожие ноты вместе

4 Масштабная иллюзия (Слушайте через стереонаушники или отдельные стереофонические громкоговорители, лучше всего расположенные на некотором расстоянии друг от друга)

Еще один эффект, впервые продемонстрированный Дайаной Дойч, это пример того, как наш мозг «группирует» похожие ноты вместе. Играются две мажорные гаммы: восходящая и нисходящая. Однако ноты чередуются от уха к уху — например, правое ухо слышит первую ноту одной гаммы, а затем вторую ноту другой (см. схему вверху справа).

Есть несколько способов, которыми люди воспринимают эти звуки, но наиболее распространенным является объединение высоких и низких нот вместе. Вместо того, чтобы слышать две гаммы, люди слышат нисходящую и восходящую мелодию в одном ухе и восходящую и нисходящую мелодию в другом. Другими словами, мозг переназначает некоторые ноты другому уху, чтобы составить связную мелодию.