Цвета шума - математическая абстракция, приписывающая сигналу определённый исходя из свойств и параметров этого сигнала. Одним из таких свойств, с помощью которого можно различать виды шума, может быть (распределение мощности по ). Эта абстракция широко используется в отраслях техники, имеющих дело с шумом ( , и т. д.).

Многие из следующих определений рассматривают спектр сигнала на всех частотах.

Определения

Цветовые соответствия различных типов шумового сигнала определяются при помощью аналогичных типов электромагнитного сигнала. То есть, если шумовой сигнал называется «синим», то соответсвующий электромагнитный сигнал с длинами волн видимого света будет иметь синий цвет.

Белый шум - это сигнал с гладким частотным спектром на всех частотах. Другими словами, такой сигнал имеет одинаковую в любой полосе частот. К примеру полоса сигнала в 20 герц между 40 и 60 герц имеет такую же мощность, что и полоса между 4000 и 4020 герц. Неограниченный по частоте белый шум возможен только в теории, так как в этом случае его мощность бесконечна. На практике сигнал может быть белым шумом только в ограниченной полосе частот.

Розовый шум Частотный спектр является гладким в масштабе. То есть мощность сигнала в полосе частот между 40 и 60 герц равна мощности в полосе между 4000 и 6000 герц. Спектральная плотность такого сигнала по сравнению с белым шумом затухает на 3 на каждую . То есть его спектральная плотность обратно пропорциональна частоте.

Синий шум Синий шум - вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 3 дБ на октаву в ограниченной полосе частот. То есть его спектральная плотность пропорциональна частоте.

Серый шум Термин относится к шумовому сигналу, который имеет одинаковую громкость для человеческого уха на всём диапазоне частот.

Глоссарий Федерального стандарта 1037C по телекоммуникациям даёт определения белому, розовому, синему и чёрному шуму.

Звуковые волны имеют разную природу, а следствием их хаотичного колебания является шум.

Мы всегда сталкиваемся с шумами в повседневной жизни, будь это звуки авто, дождя, метро, моря, ветра. Существует разнообразное множество видов шумов. Их различают даже по цвету.

Шум белого цвета – это «ежедневный шум». Сюда входят:

• шум моря;
• звучание дождя;
• ночные шорохи;
• журчанье реки;
• шум автомагистрали;
• гул поездов.

Он не является негативным для человека, но непрерывное влияние звуков разной частоты может послужить причиной к повышению или понижению давления, боли в области головы. Для отдельных людей белый шум является неотъемлемым условием крепкого сна. Большинство не способно окунуться в ночные сны, в случае если отсутствует известное «ш-ш-ш» на фоне. Отчего замещение ежедневных звуков так пленительно влияет на людей? Бывает ли других цветов шум?

Мысль о смене одного шума другим, может показаться, на первый взгляд, нелепой. Есть ли в этом толк? «Я не могу уснуть из-за мешающих звуков, включу-ка я посторонние шумы». Удивительно. И тем не менее большинство людей заверяют, что не готовы полноценно засыпать без описываемого шума. А некоторые компании готовы предложить вам купить приспособление, воссоздающее приспособленные шумы для крепкого сна. Что происходит с нашим телом в эти моменты?

Суть краткого ответа состоит в следующем: шум белого цвета является комфортным для отдельных индивидов.

А сейчас развернутый ответ. Шум белого цвета является стационарным звуком. Он состоит из многоспектральных элементов. Они одинаково размещены по целому спектру вовлеченных частот.

Что-нибудь ясно? Давайте представим концерт с большим числом музыкантов. Любой из них играет по ноте. Подобный ансамбль воспроизводит в одно и то же время многочисленные звуки, которые доступны нашему уху. Это представляет собой шум белого цвета.

Бывает так, что вы пробуждаетесь от шума, его вины здесь нет. Вас будит появившаяся несогласованность и модификация звукового тона. Шум белого цвета блокирует аналогичные острые перемены, словно защищает вас от внезапных или неприятных звуков.

«Самый элементарный вариант состоит в том, что наш слух всегда находится в рабочем состоянии, даже во время сна», - поясняет Сэт Горовиц, автор книг. Потому и многие люди выбирают слушать шум белого цвета, создаваемый любым механизмом, а не интенсивный, а затем спадающий храп мужа.

Это действительно похоже на истину. Если вдруг вам не по душе конкретно шум белого цвета, то попытайтесь слушать звуки прочих тонов.

В прикладных областях шум розового цвета известен как фликкер-шум. Звучание пролетающего вертолета – это яркий пример шума такого типа. Он обладает прекрасным лечебным эффектом при депрессиях и неврозах. Недавние исследования выявили, что если фильмы построены на закономерностях розового шума, то они являются более притягательными для кинозрителей, так как отвечают рисунку разделения внимания людей.

Анализ, который провел профессор Jue Zhang из Университета Пекина, выявил, что шум наиболее привлекательным наименованием «розовые шумы» может помочь окунуться в сон намного стремительнее.

Розовые шумы - это вид звука, в котором все октавы обладают равной мощью, или полностью согласованными частотами. Вообразите себе звук дождя, падающего на асфальт или ветра, который шелестит листву деревьев.

Шумы других цветов

• Коричневый шум похож на звучание водопада. Знаменит он тем, что вступая в резонанс с органами человека, коричневый шум создает нарушение деятельности ЖКТ. При ярко выраженной насыщенности шум может причинить вред людям.
• Шум синего цвета согласно звуковым чувствам наиболее резкий, чем шум белого цвета. Данный вид образуется вследствие изменений розового шума.
• В мире не существует не только шума синего, но и фиолетового цвета. Возникает он благодаря спектральному анализу шумов коричневого и белого цвета.
• Уникальность шума серого цвета состоит в том, что в целом диапазоне частот он содержит идентичную громкость для ушей людей. Спектр шума серого цвета возникает при сочетании шумов коричневого и белого цвета. Человек расценивает его аналогично белому.
• Апельсиновый или шум оранжевого цвета обладает весьма трудным изложением с научной точки зрения. Но произвести его достаточно легко – вручите детям пластиковые сопрано-дудки и позвольте им погреметь.
• Шум красного цвета присущ для водных ресурсов. Такого рода звук мы слышим от отдаленных объектов, которые есть в океане с берега.
• Шумом природный среды является зеленый шум.
• Черный шум – это то, чего иногда нам не хватает в городской суете: черный шум – это тишина.

Бесспорно, далеко не все в восторге от шума такого типа. Отдельные люди, напротив, становятся восприимчивее к фоновым звучаниям. Вероятно, кто-то из нас воспринимает бесконечный шум, как умиротворяющий поток, а кто-то выхватывает из него резкие отдельные ноты.

Влияние звуков на людей зависит от:

• степени шума;
• его характеристик и диапазона;
• периода воздействия;
• резонансных явлений.
• состояния самочувствия;
• личных особенностей людей и приспособленности организма.

Негативное воздействие шума проявляется во влиянии на эмоциональную установку, мотивацию, инициативу, бывает, но обычно никак не выражается в ухудшении работы, но тем не менее причиняет неудобство людям.

Могут быть неприятными шипение, колеблющийся шум, грохот и скрип; они уменьшают способность быстро и четко осуществлять координированные движения.

Мощный шум вызывает проблемы в распознавании цвета, способности определить время и расстояние, уменьшает качество зрения, изменяет визуальное восприятие.

В период с 18-45 мы способны с меньшими проблемами выдержать мощные шумы, чем более молодые или, наоборот, пожилые люди. Женщины намного лучше мужчин переносят шумы. Если вы обладаете повышенным давлением, то мощный шум будете переносить тяжелее, чем люди, у которых оно в норме. С другой стороны, в обычном жизненном пространстве люди не воспринимают обычные шумы. Без звуков человек существовать не может.

Если вокруг человека слишком тихо и спокойно, то это негативно воздействует на эмоциональный фон, ведь такого рода тишина непривычна для любого из нас.

2017, . Все права защищены.

До сих пор мы говорили о признаках когнитивного порядка, сигнатурах , которые можно наблюдать, если изучаемое явление представлено дискретно, как множество элементов-экземпляров. Если какие-то индивидуальные параметры этих элементов соответствуют степенной статистике, и особенно закону Зипфа , мы можем предполагать, что для этого явления когнитивный порядок является значимой упорядочивающей силой, во всяком случае, в некоторых его аспектах. В наших примерах такими множествами выступали города России с их населением, слова русского языка с их частотностью, озёра России с их площадью.

Однако, не всегда возможно представить изучаемое явление дискретно, как множественную структуру, состоящую из отдельных элементов. Иногда структура изучаемого явления слабо различима, так что оно не представляется как множество, в других случаях мы просто не можем получить статистическую сводную информацию по индивидуальным параметрам элементов явления. В такой ситуации мы должны опираться на целостные наблюдаемые характеристики явления, в числе которых особую роль играют шумы .

Шумами мы называем любое нерегулярное изменение одного из целостных параметров наблюдаемого явления. Например, для горящего костра такими нерегулярно изменяющимися параметрами являются интенсивность звука и интенсивность излучения (вероятно, есть и другие) - при этом мы не различаем, какая часть костра производит звук или излучение, мы берём его как целое. Но примеров шумов различной природы можно привести сколько угодно: интенсивность потока автомобилей на автотрассе, биржевые котировки, уровень грунтовых вод, электрическая активность клеток, сила тока в проводнике, тектоническая активность и.т.д. В каждом из этих примеров мы имеем дело с измеримой величиной, которая подвержена флуктуациям.

Во многих случаях флуктуации являются периодическими, например, периодически изменяется расстояние Солнца от Земли, периодически меняется уровень приливов, положение маятника и т.д. Однако, периодическая динамика обычно появляется в очень простых системах, управляемых физическим порядком. Мы же сосредоточимся на сложных системах и явлениях, в которых флуктуации параметров обычно являются иррегулярными, не-периодическими. Напомню, именно в сложных системах возникают "тепличные" условия для действия когнитивного порядка.

Итак, шум – не-периодическое, иррегулярное изменение параметра явления любого рода. При этом особый интерес для нас представляют шумы целостных параметров (шумы, которые производятся явлением как целостностью), потому что они позволяют услышать "суть явления", даже если оно не поддаётся нормальному структурному анализу. В частности, параметры шумов позволяют определить, какой порядок управляет явлением - физический или когнитивный.

Классическим и хорошо разработанным методом анализа шумов является спектральный анализ. Упрощённо, этот метод основан на преобразовании Фурье, которое представляет изменяющуюся в течение выделенного промежутка времени величину S(t) как сумму гармоник кратной частоты:

Пусть, например, мы исследуем шумовой сигнал длительностью 1 сек. Его можно представить как сумму периодических (гармонических) сигналов с частотами 1, 2, 3, 4, 5 ... герц. Каждый из членов этой суммы имеет вид косинусоиды и является частотным компонентом исходного сигнала. При этом, в зависимости от сигнала, вклад различных компонентов будет разным, что отражается в разных коэффициентах A1 , A2 , А3 ,...

Построив диаграмму, на которой по оси X мы откладываем частоту компонентов (это число совпадает с количеством раз, сколько соответствующая косинусоида укладывается в исходном промежутке длительностью в 1 сек.), а по оси Y - соответствующий коэффициент A , возведённый в квадрат, мы получим частотный спектр мощности исходного шумового сигнала, который наглядно отражает вклад каждой гармоники в мощность общего сигнала.

Если вы не слишком хорошо понимаете, о чём тут идёт речь, рекомендую сначала ознакомиться с очень простым введением в теорию периодических процессов и преобразований Фурье . Оно написано так, чтобы в этом разобрались даже люди гуманитарных специальностей. Если вы будете интуитивно понимать, что такое спектр мощности флуктуаций и шумов, это очень поможет в дальнейшем чтении Прологов.

Обратим внимание на связь между частотными компонентами ряда Фурье и гармоническим рядом. Если длительность исходного сигнала равна 1 сек, то первая гармоника имеет частоту 1 гц. и длительность 1 сек. Вторая гармоника имеет удвоенную частоту по сравнению с первой 2 гц. и период 1/2 сек. (то есть, в течение 1 сек. она совершает два полных колебания). Третья гармоника имеет частоту 3 гц. и период 1/3 сек. и т.д. Ряд периодов гармоник точно соответствует важному для нас гармоническому ряду:

Иррегулярные изменения параметров различных явлений чрезвычайно распространены и уже давно изучаются, в том числе и с помощью спектрального анализа. Выяснилось, что с точки зрения спектра наибольшее распространение имеют три типа шумов. Оказалось также, что спектры этих шумов соответствуют степенным функциям. Эти шумы получили цветовые обозначения: белый шум , коричневый шум и розовый шум . Далее мы поговорим о каждом из них.

Белый шум

Белый шум - это шум, частотные компоненты которого имеют примерно одинаковую мощность во всех диапазонах частот . Благодаря этому свойству он и получил своё обозначение: считается, что белый солнечный свет представляет собой равномерную смесь электромагнитных колебаний различных частот. По аналогии, белым шумом стали именовать любые сигналы, обладающие характерным плоским спектром. Например, вот типичный образец белого шума и соответствующий ему спектр мощности:

Как мы видим, в спектре не наблюдается каких-то систематичных отклонений от горизонтальной плоской линии. А усредняя спектры большого числа образцов белого шума или усредняя по соседним частотам, мы бы получили плоскую горизонтальную линию.

В природе этот тип шумов чаще всего наблюдается в связи с тепловыми флуктуациями, например, такой спектр имеют тепловые шумы в полупроводниках - если включить на полную громкость какой-нибудь электронный усилитель, то мы услышим мягкое шипение - это и есть тепловой белый шум.

Белый шум знаменателен тем, что имеется очень простой числовой способ его генерации. Возьмём какой-нибудь числовой диапазон и будем совершенно случайно выбирать из него числа. Составив результаты в один ряд, мы получим последовательность чисел, имеющую спектр белого шума. Это приводит к естественному объяснению белого шума как результата совершенно случайных процессов. Например, так можно объяснить тепловые шумы в полупроводниках.

Коричневый шум

Спектр коричневого шума соответствует степенной функции с показателем -2 . Своё название этот шум получил по фамилии Brown, которую носил первооткрыватель "броуновского" движения. Разглядывая под микроскопом пыльцу растений в воде, он обнаружил, что частицы хаотически движутся, а не остаются неподвижными. Это было объяснено случайными ударами молекул воды, налетающих на частицы пыльцы. В результате частицы медленно хаотически дрейфовали, блуждали. Идею случайного блуждания хорошо иллюстрирует сам внешний вид коричневого сигнала:

Однако, построив этот же спектр в двойных логарифмических координатах, мы вполне проясняем соответствие спектра степенной функции:

Несмотря на случайные отклонения, спектр очевидно укладывается на прямую линию, соответствующую показателю степени -2. Усредняя по многим образцам шума или сглаживая по соседним точкам, мы получим практически прямую линию.

Коричневый шум получается числовым методом настолько же простым, как и в случае белого шума - и он демонстрирует их глубокую родственность. Чтобы получить коричневый шум, на каждом шаге следует не просто брать случайные числа в качестве следующего значения сигнала, а прибавлять случайное значение к предыдущему значению сигнала. Например, если на предыдущем шаге сигнал имел значение 100, и у нас выпало случайное число -7, то следующее значение сигнала будет равно 93.

Говоря иначе, в белом шуме случайной величиной является каждое следующее значение сигнала, а в коричневом случайной величиной является изменение сигнала (поэтому говорят, что белый шум - это дифференциал, производная коричневого шума).

Характерный блуждающий вид коричневого шума демонстрирует его важное отличие от белого: белый шум представляет собой флуктуации, которые лежат в определенной полосе, за пределы которой они практически не выходят. Напротив, коричневый шум, если есть достаточно времени, гарантировано покинет любую, даже очень большую полосу значений:

В связи с этим принято говорить, что белый шум - стационарный , а коричневый - нестационарный . (Обратим внимание, как это напоминает понятие сходящихся и расходящихся числовых рядов).

Коричневый шум широко распространён в явлениях различной природы. Он возникает повсюду, где имеется случайный прирост каких-либо параметров. Например, в броуновском движении микрочастиц таким параметром является координата частиц. Коричневому спектру хорошо соответствует нормальное движение биржевых котировок, которое также состоит из приростов стоимости акций, близких к случайным. Вообще, там, где мы имеем величину, которая по каким-то причинам не склонна меняться мгновенно, а только относительно небольшими приростами, мы встречаем флуктуации, обладающие спектром коричневого шума. Естественно, что физическая реальность, в которой множество таких инерционных величин (координаты тел, их импульсы и т.д.), даёт массу примеров коричневого шума.

Если белый шум на слух похож на шум сыплющегося песка или шум в электронном усилителе, то коричневый шум, из-за огромного превосходства низких частот, похож на шум в цехе машиностроительного завода, который наполнен громким и "тяжёлым" гулом огромных агрегатов.

Розовый шум

Розовым шумом или фликкер-шумом называют шум, спектр мощности которого соответствует степенной функции с показателем -1 . Формально, по промежуточному показателю степени (у коричневого он равен -2, у белого - 0), розовый шум находится ровно посредине между коричневым и белым шумом. Это же иллюстрирует и типичный вид розового шума:

Шум не такой "плоский" как белый, но и не так сильно бродит, как коричневый.

Своё название розовый шум получил благодаря аналогии с цветовым спектром электромагнитных волн. Белый свет имеет равномерный плоский спектр и если усилить мощность низкочастотных компонентов - а они отвечают за красную область цветового спектра - то белый свет превратится в красноватый, розовый. Спектр розового шума этим и отличается: более мощными в нём являются низкие частоты. (но нужно помнить, что если мы взглянем на спектр не в логарифмических, а в обычных координатах, мы увидим, что в действительности самые низкочастотные компоненты многократно мощнее прочих. По аналогии, это соответствует ситуации, когда излучение красного цвета многократно сильнее других, перебивает их, так что точнее розовый шум следовало бы называть красным ).

Розовый шум наблюдается в самых разных явлениях. Впервые на него обратили внимание в физике полупроводников, во флуктуациях тока через полупроводники, когда было обнаружено, что кроме обычного теплового шума, в них присутствует шум, имеющий степенной спектр с показателем около -1. Особенно он становится заметен на низких частотах, в которых этот шум имеет максимум мощности. В физике этот шум называют "мерцающим шумом", фликкер-шумом и его происхождение до сих пор остается загадкой. Он обладает воистину странными свойствами. Например, оказалось, что даже в полупроводниках, полностью изолированных от внешнего мира, от перепадов температуры и т.д., происходят медленные флуктуации тока длительностью в недели и даже месяцы, имеющие розовый спектр. С позиций нынешней физики это не поддается удовлетворительному объяснению, поскольку считается, что полупроводниках не могут происходить какие-то обратимые процессы, имеющие такой масштаб времени. Проблема стала ещё серьёзнее, когда было обнаружено, что фликкер-шум присутствует не только в полупроводниках, а практически в любых проводящих средах. Это поставило крест на объяснениях (впрочем, довольно сложных), которые основывались на уникальных свойствах полупроводников, таких как наличие плоскостей контакта между областями различной проводимости и т.д.

Проблему фликкер-шума усугубляет то обстоятельство, что до сих пор не было достаточно простой и прозрачной числовой модели, которая могла бы порождать розовый шум. А если мы не понимаем в принципе, как можно создать розовый шум, то нам сложно объяснить, как он возникает в природных явлениях.

Тем не менее, загадка фликкер-шума осталась бы узкоспециализированной темой, если бы шумы с таким спектром не были бы обнаружены в множестве других явлений самой разной природы. Мы не станем тут их перечислять - на тему розового шума уже написано немало - а лишь приведём пару важных для нас примеров. Во-первых, розовым спектром обладают звуки человеческой речи, а также большинства музыкальных произведений разных стилей и народов. Во-вторых, розовым спектром обладают флуктуации электропотенциалов отдельных нейронов мозга, а также в целом, такой спектр имеют электроэнцефалограммы мозга здоровых людей.

На слух розовый шум не такой "плоский" и "скучный", как белый шум, но и не такой угнетающе "тяжёлый", как коричневый. Ближе всего он, пожалуй, похож на звук водопада, когда мы находимся неподалёку от него.

Розовый шум иногда обозначают как "шум 1/f ", потому что уравнение спектра мощности для розового шума соответствует степенной функции:

где W(f) - мощность гармоники, имеющей частоту f , W(1) - мощность первой гармоники, а f - частота. Естественно, что мы можем по аналогии обозначать коричневый шум как "шум 1/f²", потому что уравнение его спектра: