Цвета шума

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Цвета шума — система терминов, приписывающая некоторым видам стационарных 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[править | править вики-текст]

Цветовые соответствия различных типов шумового сигнала определяются с помощью графиков (гистограмм) спектральной плотности, то есть распределения мощности сигнала по частотам. Кроме того, при анализе реальных сигналов большое значение имеет оценка автокорреляционной функции процесса; из всех видов шума белый шум является единственным процессом, в котором значения амплитуды сигнала в разные моменты времени не зависят друг от друга и никак не связаны (автокорреляция отсутствует). Для оценки порядка автокорреляции (является ли процесс интегрированным, чистым или дифференцированным белым шумом) используются различные статистические методы, например, тест Бройша — Годфри.

Белый шум[править | править вики-текст]

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 одинаковой полосе частот любой части диапазона. К примеру сигнал полосой в 20 Гц между 40 и 60 Гц имеет такую же мощность, что и сигнал полосой 20 Гц между 4000 и 4020 Гц. 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.

(аудио)
10 секунд белого шума
Помощь по воспроизведению


Спектр розового шума

Розовый, мерцательный (фликкер) шум[править | править вики-текст]

В прикладных областях известен также как мерцательный (фликкер-шум), 1/f шум. Спектральная плотность мощности розового шума определяется формулой ~1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерно убывающим 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. Шум мерцаний обладает «памятью» о своём прошлом равномерной в логарифмической шкале времени.

Розовый шум обнаруживается, например, в сердечных ритмах, в графиках электрической активности мозга, в электромагнитном излучении космических тел, а также практически в любых электронных и механических устройствах.

Иногда обобщённым розовым шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты, то есть включают также красный (броуновский) и другие случайные процессы с забыванием во времени.

(аудио)
10 секунд розового шума
Помощь по воспроизведению


Спектр броуновского шума

Броуновский (красный, «коричневый») шум[править | править вики-текст]

Спектральная плотность красного шума пропорциональна 1/f², где f — частота. Это означает, что на низких частотах шум имеет больше энергии, чем на высоких. Энергия шума падает на 6 децибел на октаву. Акустический красный шум слышится как приглушённый, в сравнении с белым или розовым шумом. Может быть получен путем интегрирования белого шума (с математической точки зрения интеграл от гауссовского белого шума известен под названием "винеровский процесс") или с помощью алгоритма, симулирующего броуновское движение. Спектр красного шума зеркально-противоположен спектру фиолетового.

На слух броуновский шум воспринимается более «тёплым», чем белый.

Иногда (обычно в текстах, переведенных с английского языка) этот шум называют также «коричневым», переводя фамилию Роберта Броуна (Брауна) (Brown) на русский. «Коричневый» шум не назван в честь спектра мощности, что предполагает коричневый цвет, а как характерный для броуновского (брауновского) движения. Красный шум описывает форму спектра мощности, с розовым находясь между красным и белым. Также известен как шум случайных блужданий или «шум пьяной ходьбы».


(аудио)
10 секунд броуновского шума
Помощь по воспроизведению


Спектр синего шума

Синий (голубой) шум[править | править вики-текст]

Синий шум — вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 3 дБ на октаву. То есть его спектральная плотность увеличивается с ростом частоты, и, аналогично белому шуму, на практике он должен быть ограничен по частоте. На слух синий шум воспринимается более резким, нежели белый. Синий шум получается, если продифференцировать розовый шум[источник не указан 310 дней]; их спектры зеркальны.

(аудио)
10 секунд синего шума
Помощь по воспроизведению


Спектр фиолетового шума

Фиолетовый шум[править | править вики-текст]

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 ограничен по частоте. Фиолетовый шум получается, если продифференцировать белый шум[источник не указан 310 дней]. Спектр фиолетового шума зеркально противоположен спектру красного.

(аудио)
10 секунд фиолетового шума
Помощь по воспроизведению


Спектр серого шума

Серый шум[править | править вики-текст]

Термин серый шум относится к шумовому сигналу, который имеет одинаковую субъективную громкость для человеческого слуха на всём диапазоне воспринимаемых частот. Спектр серого шума получается, если сложить спектры броуновского и фиолетового шумов. В спектре серого шума виден большой «провал» на средних частотах, однако человеческий слух субъективно воспринимает серый шум как равномерный по спектральной плотности (без преобладания каких-либо частот).

(аудио)
10 секунд серого шума
Помощь по воспроизведению

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

Другие[править | править вики-текст]

Существуют и другие, «менее официальные» цвета:

Оранжевый шум[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Красный шум — может быть как синонимом броуновского 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[править | править вики-текст]

Зелёный шум — шум естественной среды. Подобен розовому шуму с усиленной областью частот в районе 500 Гц[3].

(аудио)
10 секунд зелёного шума
Помощь по воспроизведению

Чёрный шум[править | править вики-текст]

Термин «чёрный шум» имеет несколько определений:

  • Тишина
  • Шум со спектром 1/fβ, 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[4].

Интересные факты[править | править вики-текст]

  • «Зелёный шум» — известная картина 1904 г. А. А. Рылова, название которой предложено художником К. Ф. Богаевским как отражение стихотворения 1863 г. Н. А. Некрасова, которое в свою очередь было написано по мотивам древнего языческого фольклора Украины и танца-песни Шума и Шумихи, записанного в известной этнографической работе 1856 г. профессора Киевского ун-та М. А. Максимовича[5]. Использован термин «первый зелёный шум» и в «Календаре природы» М. М. Пришвина. В обоих случаях понятие "зелёный шум" означает период весны, когда массово начинают распускаться почки лиственных деревьев, что со стороны выглядит как зелёная дымка в кронах.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Telecommunications: GLOSSARY OF TELECOMMUNICATION TERMS (англ.)
  2. The colours of noise. Joseph S. Wisniewski, Ford Motor Company (недоступная ссылка с 13-05-2013 (491 день) — история) (англ.)
  3. wisn
  4. gloss
  5. Максимович М.A. Дни и месяцы украинского селянина //«Русская беседа». № 1, 3. — Москва. Типография Александра Семена. 1856. — № 1, Смесь. С.61-83; № 3. С.73-108.См. также: Собрание сочинений М. А. Максимовича в 3-х томах. Т.II. Отделы Историко-топографический, археологический и этнографический. — Киев. 1877 г.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

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

Ссылки[править | править вики-текст]