Ученые получили новые знания о тембре, или красках звуков, которые могут улучшить слуховые аппараты

Инженеры университета имени Джонса Хопкинса ищут новые пути, чтобы помочь производителям слуховых аппаратов и кохлеарных имплантов улучшить тембр, или окраску звука, и позволить слабослышащим людям слушать музыку через их слуховые средства.

Новое исследование, опубликованное в журнале PLOS Computational Biology, посвящено тому, как мозг обрабатывает тембр звука. Этот термин, который трудно точно охарактеризовать,  например, в музыке объединяет то, что не является длительностью, громкостью или высотой тона. Например, речь о тембре (или краске звука) заходит в том случае, когда человек способен мгновенно определить, играет скрипка, тромбон или фортепиано.

Результаты исследования способны в один прекрасный день изменить конструкцию слуховых средств, надеются ученые. Они помогут слабослышащим людям использовать свою музыкальную интуицию таким способом, на который не способны современные слуховые средства, предлагаемые производителями. Так утверждает Эммануил Элхилали, ведущий автор исследования и доцент отделения электротехники и компьютерной техники инженерного колледжа Уайтинг.  

Полученный результат может прозвучать музыкой для ушей миллионов слабослышащих людей, которые жалуются на то, что их любимые песни звучат не так, как они звучали до тех пор, пока их слух не начал исчезать.

«Наши исследования имеют непосредственное отношение к тому, что вы хотите дать слабослышащим людям, - говорит Элхилали. – Сегодня люди, носящие слуховые аппараты или кохлеарные импланты, не могут реально наслаждаться музыкой, потому что значительная часть ее – это тонкие нюансы, которые отсекаются слуховыми средствами в процессе работы. Сосредоточившись на наиболее информативных характеристиках звука, мы получили результаты, помогающие улучшить стратегии его обработки и конструкцию слуховых средств так, чтобы они не отбрасывали слишком много значимой информации».

Наслаждение от концерта рок-звезды или симфонического оркестра не является приоритетом в разработке слуховых аппаратов и кохлеарных имплантов. Современные средства, как правило, смягчают потерю слуха во время повседневных разговоров в офисе, или помогают людям, которые испытывают трудности с восприятием близких голосов в море звуков шумной многолюдной толпы. Если разработчики смогут использовать знания о мозговых рецепторах тембра, возможно, им удастся улучшить качество жизни людей, которые полагаются на слуховые аппараты или кохлеарные импланты, считает Элхилали.
 
Способность узнавать музыкальные инструменты имеет и другие, немедицинские применения. Она может помочь при создании компьютерных систем, которые будут создавать комментарии к музыкальным мультимедийным данным или транскрибировать музыкальные выступления в целях образования, изучения музыкальной теории или улучшения кодирования и компрессии.  

Исследователи решили изучить нейронные основы обработки музыкального тембра, чтобы определить, что заставляет пианино звучать не так, как скрипка, а также разобраться в процессах, на основе которых мозг распознает тембр. Основная идея заключалась в том, чтобы разработать математическую модель, которая сымитировала бы то, как работает мозг при поступлении звука, как он ищет конкретные характеристики, и есть ли что-то такое, что позволяет мозгу различать эти качества.

На основании экспериментов, проведенных как на животных, так и на людях, ученые разработали компьютерную модель, которая может точно имитировать то, как конкретные регионы мозга обрабатывают звуки по мере их поступления в уши и преобразуют их в мозговые сигналы, позволяющие нам распознавать виды звука, которые мы слушаем. Модель сумела правильно определить, какой музыкальный инструмент играл (один из 13 инструментов), с точностью 98,7%.

Компьютерная модель также сумела отобразить то, как люди выносят свое суждение о тембре. В исследовании приняли участие 20 человек, которые по отдельности сидели в звукоизолированной кабине и слушали звуки музыки через наушники. Ученые попросили выслушать два звука, сыгранные на разных музыкальных инструментах. После этого слушатели должны были  оценить, насколько похожими кажутся эти звуки. Скрипка и виолончель воспринимались ближе друг к другу, чем скрипка и флейта. Исследователи также обнаружили, что духовые и ударные инструменты сильнее всего отличаются друг от друга. За ними следуют струнные и ударные, а затем струнные и духовые. Эти тонкие оценки характеристик тембра также были воспроизведены компьютерной моделью.