噪聲有“顏色”

江雪

五顏六色的聲音

我們已經知道，人眼看到的顏色其實是可見光。光是一種電磁波，人眼可見光的波長在380納米～780納米，可以刺激人眼產生電信號，最終由大腦“翻譯”成顏色。頻率低的光波被“翻譯”成暖色調，頻率高的光是冷色調的，而所謂白色，其實是各種不同頻率的光混合而成的顏色。無獨有偶，科學家用相同的方法定義了噪聲的“顏色”。

“白噪聲”與白光相似，是一種不同頻率的聲音混合而成的噪聲。我們在聽收音機或看電視時，如果聽到一片沙沙聲或看到滿屏“雪花”，這時候我們聽到的聲音就是白噪聲。因為此時收音機或電視機無法接收到固定電臺的頻率，而是接收到了許多來自多個電臺或其他干擾的無線信號，這些不同頻率的信號疊加在一起，就成了白噪聲。

粉紅色是一種由紅色和白色混合而成的顏色，為了讓白噪聲更柔和，科學家也“混搭”出了“粉噪聲”。聲音有著不同的頻率，而人耳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。所以，人們在聽到白噪聲時，往往會覺得尖銳刺耳，這是因為人耳對白噪聲中的高頻信號更敏感。為了解決這個問題，專家對白噪聲做了以下處理：增強低頻信號強度，減弱高頻信號強度，這樣就誕生了“溫柔”的粉噪聲。

如果我們進一步強化這個處理措施，即把低頻信號增強得比粉噪聲更強，進一步弱化高頻信號，就會得到更“紅”的噪聲——褐噪聲。在英文中，褐色（brown）作為人名可以譯為“布朗”，因此褐噪聲也被稱為“布朗噪聲”。因為褐噪聲的頻率信號跟液體中的微粒很類似，沒有固定的模式，而是隨機變化的，這種運動方式被稱為“布朗運動”。褐噪聲的低頻信號相對于其他顏色的噪聲更強，因此也更柔和。

藍色是一種高頻的冷色調，而“藍噪聲”也是高頻信號占主導的噪聲。人們把白噪聲的低頻部分加以抑制，增強高頻部分，這樣處理后就得到了藍噪聲。相似地，如果這種操作進一步強化，藍噪聲就會變成紫噪聲。

顏色不同，作用不同

科學家之所以把噪聲分成這么多種“顏色”，是因為它們有著不同的作用。

白噪聲是最早被人類發現并應用的，我們認為下雨的聲音、海浪拍打巖石的聲音或者風吹樹葉的沙沙聲都是白噪聲。這些聲音都有讓人忽略其他聲音、放松身心的效果，因此可以用來治療精神疾病，比如能讓失眠患者盡快入睡，安撫多動癥兒童躁動不安的情緒等。在鬧市學習和上班的人可以利用白噪聲來屏蔽雜聲，提高工作效率。某種很大聲的特定聲音，會很容易吸引人們的注意力，讓人們不自覺地想一探究竟，但如果聽到的是一片嘈雜而無意義的嗡嗡聲，人們的好奇心就會下降，這更有利于他們集中注意力。

在科研工作中，研究人員甚至會主動在探測信號中加入白噪聲。當需要探測的原始信號強度很弱時，研究人員可以選擇在原始信號中加入一段白噪聲。由于白噪聲中包含著各種頻率的信號，其中那些與原始信號頻率相近的信號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。與此同時，白噪聲的信號強度保持不變。這樣，在后期信號處理時，也可以很容易地將白噪聲與原始信號分離開來，簡化了信號探測工作的步驟。

粉噪聲與白噪聲同為多音頻噪聲，但聲能相對較低，可用于揚聲器低頻部分的聲學功能測試和調節，比如我們常說的“煲機”。煲機指的是在正式使用新耳機前，先播放幾個小時的音樂激活耳機的過程，“煲”過的耳機使用起來性能更穩定。這是為什么呢？耳機之所以會發出聲音，是因為內部的振膜在聲波的作用下產生振動而發聲，而新耳機的振膜在使用前彈性不大，不太能跟得上聲波的變化，這導致其播放的聲音會比較“僵硬”。而用多種音頻共存的粉噪聲煲機，就像用不同力道全方位捶打我們過勞后僵硬的肌肉一樣，能快速地松弛振膜，提高振膜的彈性，之后播放的音樂就會更顯自然了。

低頻能量小、高頻能量集中的藍噪聲，在多媒體處理和計算機圖形學領域有很大的作用。電子圖像和視頻是由很多像素點按特定的規律集合而成，而采樣正是成像的必備過程，是指在給定區域內產生滿足一定分布特性的點集圖案。其中，藍噪聲采樣是最重要的一種采樣技術，因為藍噪聲采樣能使像素點分布既滿足隨機性又滿足均勻性，這些性質在圖像點繪、渲染、紋理合成、幾何處理等方面有著廣泛的應用。可以說，我們現在看到的這些高清圖像和視頻都離不開藍噪聲的幫助。

除了以上“各色”噪聲，還有紅噪聲、橙噪聲、灰噪聲和黑噪聲等。噪聲無處不在，好好認識并利用噪聲，世界將會更精彩。

（張愚摘自《大科技·科學之謎》2020年第9期，Raven圖）