Цвета шума
Цвета́ шу́ма — 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 так далее).
Многие из следующих определений рассматривают спектр сигнала на всех частотах.
Основные «цвета» шумов
[править | править код]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 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 код]| Белый шум — это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах и дисперсией, равной бесконечности. Является стационарным случайным процессом.
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. |
 |
Розовый, мерцательный (фликкер) шум
[править | править код]|
В прикладных областях известен также как мерцательный (фликкер-шум), 1/f шум. Спектральная плотность мощности розового шума определяется формулой ~ (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. |
 |
Броуновский (красный, «коричневый») шум
[править | править код]| 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 путём 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, переведённых с английского языка) этот шум называют также «коричневым», переводя фамилию Роберта Броуна (Брауна) (Brown) на русский. «Коричневый» шум назван так не из-за спектра мощности, соответствующего коричневому цвету, а как характерный для броуновского (брауновского) движения. Название красный шум описывает форму спектра мощности (и розовый шум оказывается промежуточным между красным и белым). Также известен как шум случайных блужданий или «шум пьяной ходьбы». |
 |
Синий (голубой) шум
[править | править код]| 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. Близким к синему шуму является спектр черенковского излучения. Синий шум получается, если продифференцировать розовый шум[источник не указан 3995 дней]; их спектры зеркальны. |
 |
Фиолетовый шум
[править | править код]| 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 по времени[1]. Спектр фиолетового шума зеркально противоположен спектру красного.. |
 |
Серый шум
[править | править код]| 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). |
 |
Американский глоссарий Федерального стандарта 1037C по телекоммуникациям даёт определения белому, розовому, синему и чёрному шуму[2].
Другие
[править | править код]Существуют и другие, менее распространённые названия для видов шума:
Оранжевый шум
[править | править код]| 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[3]. |
Красный шум
[править | править код]| 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 код]| Зелёный шум — имитация шума естественной среды, без искусственных звуков. Подобен розовому шуму с усиленной областью частот в районе 500 Гц[3]. |
Чёрный шум
[править | править код]Термин «чёрный шум» имеет несколько определений:
|
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ Watson, Downey, 2008, p. 45.
- ↑ Telecommunications: Glossary of Telecommunication Terms. black noise (англ.). General Services Administration (23 августа 1996). — Federal Standard 1037C. Дата обращения: 5 августа 2020. Архивировано 15 июля 1997 года.
- ↑ 1 2 Joseph S. Wisniewski. The Colors of Noise (англ.). Product Technology Partners (7 октября 1996). Архивировано 30 апреля 2011 года.
- ↑ Шрёдер, 2005.
- ↑ ATIS Telecom Glossary. black noise (англ.). The Alliance for Telecommunication Industry Solutions. Дата обращения: 5 августа 2020. Архивировано 13 марта 2013 года.
Литература
[править | править код]- Richard Watson, Owen Downey. The Little Red Book of Acoustics: A Practical Guide (англ.). — 2. — 2008. — 274 p. — ISBN 0956001203. — ISBN 9780956001207.
- John I. Yellott, Jr. Spectral Consequences of Photoreceptor Sampling in the Rhesus Retina (англ.) // Science : journal. — 1983. — Vol. 221. — P. 382—385.
- Манфред Шрёдер. Фракталы, хаос, степенные законы. — М.: Регулярная и хаотическая динамика, 2005. — 528 с. — 1500 экз. — ISBN 5-93972-041-2.
Ссылки
[править | править код]- Словарь терминов. Шум (помеха). Центр речевых технологий. Архивировано 19 января 2011 года.
