那些有“顏色”的噪聲

Owl+of+Minerva

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

“噪聲”的意義和內涵

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

在環境工程范疇，“噪聲”是一個非常重要的概念。在很多工程問題中，工程師經常要面對的一個問題是，如何從眾多的背景信號（噪聲）中提取出想要得到的信息，這涉及到所謂的信號增強，以提高“信噪比”。在這個意義下，“噪聲”可以是任何干擾我們提取有用信息的信號，比如我們在電影院觀看電影時鄰座的細聲談話就是噪聲，因為會影響我們對電影的理解。

最純凈的噪聲：白噪聲

最嚴格意義上的，也就是最純凈的“噪聲”，指的是完全隨機的信號，可以是聲音、圖像，也可以是振動等。在環境工程中，隨機性意味著不可預測性，而對于人們來說，盡管獲得了信號，但對于預測信號未來的變化卻完全沒有幫助，那么這樣的信號也就不含有任何的信息。

當我們碰到這樣“不蘊含任何信息”的信號時，這樣的信號就被稱為“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。在信號處理的頻率分析方面，“白噪聲”信號在頻率分布上是均勻的，也就是說其各個頻率對應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，調音師們會有意地加入一些白噪聲，這樣會使人聽到時感覺更輕松，更容易集中注意力到音樂上。這大概是因為白噪聲是所有頻率信號均衡的情況，而我們的感知系統對它最適應——我們對白噪聲的感受是中性的，不包含信息和結構，所以不會讓我們分神，從而也有助于睡眠。相反地，如果真的把我們放在絕對安靜的環境之中，我們反而會感到奇怪，無法入眠。

在環境工程中，當需要探測的原始信號在強度很弱的時候，科研人員可以選擇在信號中加入一定強度的白噪聲，從而方便信號的處理，提高對信息的識別能力，也就是利用隨機共振現象。這樣的信號中加入白噪聲之后，在與原始信號相對應的頻段，會跟原始信號產生共振，使原始信號的強度增加，上升到可探測的水平，而同時白噪聲的信號強度保持不變。在后期信號處理時，白噪聲也很容易被過濾掉。這樣處理的結果就是，在增加輸入信號（有用信號）的強度的同時，并不太影響該信號的特征。隨機共振現象并不是遮蔽或者抵消了其他信號，而是增強了想要的信號。一些高端的模數轉換器芯片常常內置白噪聲信號發生器，從而方便探測微弱信號——聲音、振動等。

而在動物界中，噪音信號的影響也是顯而易見的。比如匙吻鱘能利用其吻部的數千個電感受器來探測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生的。實驗證明，在引入一定電場噪聲信號的情況下，匙吻鱘的捕獵（探測）距離要高于沒有噪聲信號的時候。

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。

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

而在音頻處理上，如果我們把低頻增強得比粉紅噪聲更強，而高頻部分抑制得更多，那就得到了所謂的“褐噪聲”。如果我們對白光也加以這樣的處理，得到的光的顏色實際上是深紅色（接近褐色），之所以被稱為褐噪而不是深紅噪，是因為這種噪聲跟物理上的布朗運動類似，而布朗的英文Brown還有褐色的意思，所以被叫做“褐噪聲”?！昂衷肼暋钡牡皖l相對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，就能得到“藍噪聲”，這名字也是來源于對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”。