Цветной шум

Цвета шума
Белый шум
Розовый шум
Красный шум
Серый шум

Цвета шума — система терминов, приписывающая некоторым видам шумовых сигналов определённые цвета исходя из аналогии между спектром сигнала произвольной природы (точнее, его спектральной плотностью или, говоря математически, параметрами распределения случайного процесса) и спектрами различных цветов видимого света. Эта абстракция широко используется в отраслях техники, имеющих дело с шумом (акустика, электроника, физика и т. д.).

Многие из следующих определений рассматривают спектр сигнала на всех частотах.

Основные «цвета» шумов

Цветовые соответствия различных типов шумового сигнала определяются с помощью графиков (гистограмм) спектральной плотности, то есть распределения мощности сигнала по частотам.

Белый шум

Белый шум — это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах и дисперсией, равной бесконечности. Является стационарным случайным процессом.

Спектр белого шума

Другими словами, такой сигнал имеет одинаковую мощность 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.

Спектр розового шума

Розовый шум

Спектральная плотность розового шума определяется формулой ~1 / f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерным в логарифмической шкале частот. Например, 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 децибела на каждую октаву. Пример розового шума — звук пролетающего вертолёта. Розовый шум обнаруживается, например, в сердечных ритмах, в графиках электрической активности мозга, в электромагнитном излучении космических тел.

Иногда розовым шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты.

Спектр броуновского шума

Броуновский (красный) шум

Броуновский шум схож с розовым шумом, однако его спектральная плотность затухает на 6 дБ на октаву. То есть его спектральная плотность обратно пропорциональна квадрату частоты. Может быть получен, если проинтегрировать белый шум, или с помощью алгоритма, симулирующего броуновское движение. Спектр красного шума (в логарифмической шкале) зеркально противоположен спектру фиолетового. Иногда этот шум называют также коричневым, как один из вариантов перевода фамилии Brown — «рыжий»; впрочем рыжий цвет, коричневый и красный весьма близки. На слух броуновский шум воспринимается более «тёплым», чем белый.

Спектр синего шума

Синий (голубой) шум

Синий шум — вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 3 дБ на октаву. То есть его спектральная плотность пропорциональна частоте и, аналогично белому шуму, на практике он должен быть ограничен по частоте. На слух синий шум воспринимается более «холодным», «кислым», нежели белый. Синий шум получается, если продифференцировать розовый шум; их спектры зеркальны.

Спектр фиолетового шума

Фиолетовый шум

Фиолетовый шум — вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 6 дБ на октаву. То есть его спектральная плотность пропорциональная квадрату частоты и, аналогично белому шуму, на практике он должен быть органичен по частоте. Фиолетовый шум получается, если продифференцировать белый шум. Спектр фиолетового шума зеркально противоположен спектру красного.

Спектр серого шума

Серый шум

Термин серый шум относится к шумовому сигналу, который имеет одинаковую громкость для человеческого уха на всём диапазоне частот. Спектр серого шума получается, если сложить спектры броуновского и фиолетового шумов. В спектре серого шума виден большой «провал» на средних частотах, однако человеческое ухо воспринимает серый шум точно так же, как и белый.

Глоссарий Федерального стандарта 1037C по телекоммуникациям даёт определения белому, розовому, синему и чёрному шуму^[1].

Другие

Существуют и другие, «менее официальные» цвета:

Оранжевый шум

Оранжевый шум — квазистационарный шум с конечной спектральной плотностью. Спектр такого шума имеет полоски нулевой энергии, рассеянные по всему спектру. Эти полоски располагаются на частотах музыкальных нот^[2].

Красный шум

Красный шум — может быть как синонимом броуновского или розового шума, так и обозначением естественного шума, характерного для больших водоёмов — морей и океанов, поглощающих высокие частоты. Красный шум слышен с берега от отдалённых объектов, находящихся в океане.

Зелёный шум

Зелёный шум — шум естественной среды. Подобен розовому шуму с усиленной областью частот в районе 500 Гц^[2].

Чёрный шум

Термин «чёрный шум» имеет несколько определений:

• Тишина
• Шум со спектром 1/f^β, где β > 2 (Manfred Schroeder, «Fractals, chaos, power laws»). Используется для моделирования различных природных процессов. Считается характеристикой "природных и искусственных катастроф, таких как наводнения, обвалы рынка и т. п. "
• Ультразвуковой белый шум (с частотой более 20 кГц), аналогичный т. н. «черному свету» (с частотами слишком высокими, чтобы его можно было воспринимать, но способному воздействовать на наблюдателя или приборы).
• Шум, спектр которого имеет преимущественно нулевую энергию за исключением нескольких пиков^[1].

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Telecommunications: GLOSSARY OF TELECOMMUNICATION TERMS(англ.)
2. ↑ ^{1 2} The colours of noise. Joseph S. Wisniewski, Ford Motor Company(англ.)

См. также

• Амплитудно-частотная характеристика

Литература

• Yellott, John I. Jr., «Spectral Consequences of Photoreceptor Sampling in the Rhesus Retina.» Science, том 221, стр. 382—385, 1983.

Ссылки

• Центр речевых технологий. Словарь терминов
• The colors of noise newsgroup posting(англ.)