那些有“顏色”的噪聲

Owl+of+Minerva

說起噪音，大概許多人都會(huì)皺起眉頭。畢竟在我們的印象里，噪音總是和刺耳喧鬧的聲音聯(lián)系在一起，讓人焦躁煩悶。但如果你打開最近網(wǎng)絡(luò)上流行的歌單，會(huì)漸漸發(fā)現(xiàn)，一些名為“白噪聲”“粉紅噪聲”的歌單已經(jīng)被很多人點(diǎn)贊收藏。明明是噪聲，為什么又有了顏色呢？為什么人們又會(huì)對(duì)這些有顏色的噪音如此追捧呢？讓我們一起來揭開關(guān)于噪聲的秘密吧。

“噪聲”的意義和內(nèi)涵

從字面意義上來看，“噪聲”僅僅屬于聲音信號(hào)的范疇，然而在更為寬泛的意義上，“噪聲”還可以是任何形式的信號(hào)：振動(dòng)、電磁波、數(shù)字信號(hào)等等。

在環(huán)境工程范疇，“噪聲”是一個(gè)非常重要的概念。在很多工程問題中，工程師經(jīng)常要面對(duì)的一個(gè)問題是，如何從眾多的背景信號(hào)（噪聲）中提取出想要得到的信息，這涉及到所謂的信號(hào)增強(qiáng)，以提高“信噪比”。在這個(gè)意義下，“噪聲”可以是任何干擾我們提取有用信息的信號(hào)，比如我們?cè)陔娪霸河^看電影時(shí)鄰座的細(xì)聲談話就是噪聲，因?yàn)闀?huì)影響我們對(duì)電影的理解。

最純凈的噪聲：白噪聲

最嚴(yán)格意義上的，也就是最純凈的“噪聲”，指的是完全隨機(jī)的信號(hào)，可以是聲音、圖像，也可以是振動(dòng)等。在環(huán)境工程中，隨機(jī)性意味著不可預(yù)測(cè)性，而對(duì)于人們來說，盡管獲得了信號(hào)，但對(duì)于預(yù)測(cè)信號(hào)未來的變化卻完全沒有幫助，那么這樣的信號(hào)也就不含有任何的信息。

當(dāng)我們碰到這樣“不蘊(yùn)含任何信息”的信號(hào)時(shí)，這樣的信號(hào)就被稱為“白噪聲”了。而我們知道，純色均勻地混合在一起就形成了“白色”，白噪聲的命名正是類比于白光。在信號(hào)處理的頻率分析方面，“白噪聲”信號(hào)在頻率分布上是均勻的，也就是說其各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的能量相互之間相等。

白噪聲的作用

千萬別小瞧白噪聲，它在我們生活中的方方面面，都起著令人想象不到的作用。在一些音樂錄制的后期，調(diào)音師們會(huì)有意地加入一些白噪聲，這樣會(huì)使人聽到時(shí)感覺更輕松，更容易集中注意力到音樂上。這大概是因?yàn)榘自肼暿撬蓄l率信號(hào)均衡的情況，而我們的感知系統(tǒng)對(duì)它最適應(yīng)——我們對(duì)白噪聲的感受是中性的，不包含信息和結(jié)構(gòu)，所以不會(huì)讓我們分神，從而也有助于睡眠。相反地，如果真的把我們放在絕對(duì)安靜的環(huán)境之中，我們反而會(huì)感到奇怪，無法入眠。

在環(huán)境工程中，當(dāng)需要探測(cè)的原始信號(hào)在強(qiáng)度很弱的時(shí)候，科研人員可以選擇在信號(hào)中加入一定強(qiáng)度的白噪聲，從而方便信號(hào)的處理，提高對(duì)信息的識(shí)別能力，也就是利用隨機(jī)共振現(xiàn)象。這樣的信號(hào)中加入白噪聲之后，在與原始信號(hào)相對(duì)應(yīng)的頻段，會(huì)跟原始信號(hào)產(chǎn)生共振，使原始信號(hào)的強(qiáng)度增加，上升到可探測(cè)的水平，而同時(shí)白噪聲的信號(hào)強(qiáng)度保持不變。在后期信號(hào)處理時(shí)，白噪聲也很容易被過濾掉。這樣處理的結(jié)果就是，在增加輸入信號(hào)（有用信號(hào)）的強(qiáng)度的同時(shí)，并不太影響該信號(hào)的特征。隨機(jī)共振現(xiàn)象并不是遮蔽或者抵消了其他信號(hào)，而是增強(qiáng)了想要的信號(hào)。一些高端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片常常內(nèi)置白噪聲信號(hào)發(fā)生器，從而方便探測(cè)微弱信號(hào)——聲音、振動(dòng)等。

而在動(dòng)物界中，噪音信號(hào)的影響也是顯而易見的。比如匙吻鱘能利用其吻部的數(shù)千個(gè)電感受器來探測(cè)極為微弱的電場變化。通常這種電場變化是由水中的大群浮游生物產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)證明，在引入一定電場噪聲信號(hào)的情況下，匙吻鱘的捕獵（探測(cè)）距離要高于沒有噪聲信號(hào)的時(shí)候。

各式各樣的“彩色噪聲”

除了白噪聲，還有其他一些噪聲也被賦予了顏色的屬性，它們是怎么來的呢？總體上可以理解為，這些色彩的噪聲來自于對(duì)白噪聲的濾波，但這樣的“濾波”僅僅是說它們不是純粹的白噪聲，而不是說能從它們中提取出什么信息來。

對(duì)于外界的聲音信號(hào)，人耳朵的感知范圍在20Hz～20000Hz，而且對(duì)高頻信號(hào)比對(duì)低頻信號(hào)更敏感，也就是說，對(duì)于同樣能量的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，人們會(huì)感覺高頻信號(hào)的聲音聽起來更大。這樣的話，當(dāng)人聽到“所有頻率能力均等分布”的白噪聲聲音信號(hào)時(shí)，實(shí)際上人的耳朵對(duì)這噪聲加了處理，使得高頻顯得相對(duì)更強(qiáng)。從而，人感知到的信號(hào)就不再符合“白噪聲”信號(hào)的定義了。為了抵消掉人耳對(duì)白噪聲聲音信號(hào)的這種處理，使最終感知到的信號(hào)符合白噪聲的定義，在音頻處理上，我們對(duì)低頻部分做了增強(qiáng)，對(duì)高頻信號(hào)做了抑制，這樣得到的信號(hào)仍然包含每個(gè)頻率的聲音，但是聲音的平衡就發(fā)生了變化。舉個(gè)類似的例子，當(dāng)我們對(duì)白光信號(hào)（所有頻率信號(hào)的均勻混合）進(jìn)行低頻抑制高頻的處理時(shí)，得到的顏色就會(huì)發(fā)生變化——白光變成粉色光了，因此這樣的增強(qiáng)低頻抑制高頻的噪聲信號(hào)被稱為“粉紅噪聲”。

而在音頻處理上，如果我們把低頻增強(qiáng)得比粉紅噪聲更強(qiáng)，而高頻部分抑制得更多，那就得到了所謂的“褐噪聲”。如果我們對(duì)白光也加以這樣的處理，得到的光的顏色實(shí)際上是深紅色（接近褐色），之所以被稱為褐噪而不是深紅噪，是因?yàn)檫@種噪聲跟物理上的布朗運(yùn)動(dòng)類似，而布朗的英文Brown還有褐色的意思，所以被叫做“褐噪聲”。“褐噪聲”的低頻相對(duì)于其他顏色的噪聲更大。

相反地，如果把白噪聲的低頻部分加以抑制，高頻部分增強(qiáng)，就能得到“藍(lán)噪聲”，這名字也是來源于對(duì)白光做這樣處理之后的變化。如果這樣的處理做得更加明顯，那么就變成了“紫噪聲”。