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.