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在科研工作中,研究人员甚至会主动在探测信号中加入白噪声



小时候,我们可能都有过这样浪漫的想象:闭上眼睛,聆听大自然的声音,海浪声是蓝色的,松涛声是绿色的,鸟叫声是黄色的……好像只听声音,一个五颜六色的世界就浮现在脑海中。生物学中将这样的现象叫做联觉,是我们从声音联想到相关视觉形象的结果,像先天盲人这样从来没有看过相关事物的人不会有这样的联想。但其实,声音本身就有“颜色”。

五颜六色的声音

我们已经知道,人眼看到的颜色其实是可见光。光是一种电磁波,人眼可见光的波长在380~780纳米之间,可以刺激人眼产生电信号,并最终由大脑“翻译”成颜色。频率低的光波被“翻译”成暖色调,频率高的光是冷色调的,而所谓白色,其实是各种不同频率的光混合而成的颜色。无独有偶,科学家们用相同的方法定义了噪声的“颜色”。

噪声本身就有“颜色”

“白噪声”与白光相似,是一种不同频率的声音均匀混合而成的噪声。我们在听收音机或看电视时,如果听到一片沙沙声或看到满屏“雪花”,这种声音就是白噪声,这是因为此时收音机或电视机无法接收到固定电台的频率,而是接收到了许多来自多个电台或其他干扰的无线信号,这些不同频率的信号叠加在一起,就成了白噪声。

粉红色是一种由红色和白色混合而成的颜色,为了让白噪声更柔和,科学家们也“混搭”出了粉噪声。声音有着不同的频率,而人耳对高频信号比对低频信号更敏感,也就是说,对于同样能量的高频信号和低频信号,人们会感觉高频信号的声音听起来更大。所以,人们在听到白噪声时,往往会觉得尖锐刺耳,正是因为对白噪声中的高频信号更敏感的原因。为了解决这个问题,专家对白噪声做了以下处理:增强低频信号声强,减弱高频信号强度,这样就诞生了“温柔”的粉噪声。

而如果我们进一步强化这个处理措施,即把低频信号增强得比粉噪声更强,更加弱化高频信号,就会得到更“红”的噪声——褐噪声。在英文中,褐色(brown)作为人名是布朗的意思,因此褐噪声也被称为布朗噪声。因为褐噪声的频率信号跟液体中的颗粒很类似,没有固定的模式,而是随机变化的,这种运动方式被称为布朗运动。褐噪声的低频相对于其他颜色的噪声更大,因此也更柔和。

蓝色是一种高频的冷色调,而“蓝噪声”也是高频信号占主导的噪声,人们把白噪声的低频部分加以抑制,高频部分增强,这样处理后就得到了蓝噪声。相似地,如果这种操作进一步强化,蓝噪声就会变成紫噪声。

颜色不同,作用不同

科学家们之所以把噪声分成这么多种“颜色”,是因为它们有着不同的作用。

白噪声是最早被人类发现并应用的,我们认为下雨的声音、海浪拍打岩石的声音或者风吹过树叶的沙沙声都是白噪声。因为这些声音都有让人忽略其他声音、放松身心的效果,因此可以用来治疗精神疾病,比如能让失眠患者尽快入睡、安抚多动症儿童躁动不安的情绪等。在闹市区学习和上班的人群可以利用白噪声来屏蔽杂声,提高工作效率。当听到某种很大声的特定声音时,会很容易吸引人们的注意力,让人们不自觉地想一探究竟,但如果听到的是一片嘈杂而无意义的嗡嗡声时,人们的好奇心就会下降,更有利于他们集中注意力。

噪声本身就有“颜色”

在科研工作中,研究人员甚至会主动在探测信号中加入白噪声。当需要探测的原始信号强度很弱时,研究人员可以选择在原始信号中加入一段白噪声,由于白噪声中包含着各种频率的信号,其中那些与原始信号频率相近的信号会跟原始信号产生共振,使原始信号的强度增加,上升到可探测的水平。与此同时,白噪声的信号强度保持不变,这样,在后期信号处理时,也可以很容易地将白噪声与原始信号分离开来,简化了信号探测工作。

粉噪声与白噪声同为多音频噪声,但声能相对较低,可用于扬声器低频部分的声学功能测试和调节,比如我们常说的“煲机”。煲机指的是在正式使用新耳机前,先播放几个小时的音乐激活耳机的过程,“煲”过的耳机使用起来性能更稳定。这是为什么呢?耳机之所以会发出声音,是因为内部的振膜在声波的作用下产生振动而发声,而新耳机的振膜在使用前弹性不大,不太能跟得上声波的变化,导致播放的声音会比较“僵硬”。而用多种音频共存的粉噪声煲机,就像用不同力道全方位捶打我们过劳后僵硬的肌肉一样,能快速地松弛振膜,提高振膜的弹性,之后播放的音乐就会更加自然了。

低频能量小、高频能量集中的蓝噪声,在多媒体处理和计算机图形学领域有很大的作用。电子图像和视频是由很多像素点按特定的规律集合而成,而采样正是成像的必备过程,是指在给定区域内产生满足一定分布特性的点集图案。其中,蓝噪声采样是最重要的一种采样技术,因为蓝噪声采样能使像素点分布既满足随机性又满足均匀性,这些性质在图像点绘、渲染、纹理合成、几何处理等方面有着广泛的应用。可以说,我们现在看到的这些高清图像和视频都离不开蓝噪声的帮助。

除了以上“各色”噪声外,还有红噪声、橙噪声、灰噪声和黑噪声等,噪声无处不在,对我们既有坏处也有很多好处,好好认识并利用噪声,世界将会更精彩。

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