五彩斑斓的噪声

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噪声在我们的生活中随处可“见”,从物理角度上看,噪声是那些频率、强弱无规律变化,或者说杂乱无章的声音。而从心理学上说,任何让人感觉烦躁的声音都可以归类为噪声。

虽然日常生活中我们不对噪声或噪音两个词做特别区分,但在专业领域还需注意。根据全国科学技术名词审定委员会的规范,“噪声”是英文 noise 的标准翻译,“噪音”为不规范用法,因为“声”是物理学术语,指能够引起听觉的机械波,而“音”是人文领域的用法,指有规律的乐音,故不能将两者混淆。

白噪声(White Noise)

在各式各样的噪声中,人们最熟悉的,是白噪声。

雨从高空落下,风吹过树林,海浪层层拍击,还有电视机上出现“雪花”时的噪声,都是白噪声。

我们可以自己试着发出“嘶嘶”声,这样就有可能创造出一个在各个频率功率相同的声音,就如同“白光”在各个频率的光功率相同,我们把这样的声音命名为白噪声。

“白光”通过三棱镜产生色散

光谱图,由 Ufoismey3k 绘制

相对的,其它不具备这一性质的噪声信号则称为有色噪声。有色噪声的颜色分类来自于将频域中的噪声谱密度函数和频域中的光波信号做形式上的类比,五彩斑斓的噪声由此而来。

听听白噪声:

对这段音频进行 FFT 分析就可以得到不同频率的能量分布情况。

白噪声应用广泛,比如可以在一间办公室播放较低声压的白噪声作为背景声,用以抑制谈话等噪声对人的影响,并增强隐私。

粉噪声(Pink Noise)

我们再试着发出“嘘”的声音,这样就能造出一个粉噪声。与白噪声不同的是,粉噪声频谱频率每提高 2 倍,它的能量都会降低 3dB,也就是说它在低频的功率更大。

听听看:

从 FFT 曲线中可以明显看出粉噪声的特点:

了解等响曲线概念的朋友应该知道,人耳总是会对低频声音进行一些抑制。所以,我们听能量平均分布的白噪声时反而感觉频率更高,而粉噪声听起来却更加平坦自然。

正因如此,粉噪声成为应用最广泛的噪声信号之一,它也更能激发电声器件的低频特性。我们可以在各类标准中看到使用粉噪声作为测试信号的要求。

还有研究指出,粉噪声更接近婴儿在子宫中听到的声音,所以它也常被用来舒缓情绪,帮助入睡等。

白噪声和粉噪声是我们相对比较熟悉的声音,不过既然光有赤橙黄绿,声也有更多分类。比如

红噪声(Brown Noise)

看到“红”字有些人可能疑惑了,英文 Brown 不是棕色吗?是不是搞错了。

其实这个噪声的正确叫法应该是布朗噪声,Brown 这个词其实是指发现布朗运动的科学家罗伯特·布朗(Robert Brown),而不是棕色这个颜色。至于为什么要以布朗的名字命名,是由于该噪声由布朗运动造成。

基于其数学统计模型,布朗噪声有时也被称作“随机游走(Random Walk)”噪声或“醉汉行走(Drunkard's Walk)”噪声。

罗伯特·布朗(1773 - 1858),英国植物学家,主要贡献是对澳洲植物的考察和发现了布朗运动,右图摄于 1855 年

Robert_Brown

不过,基于之前介绍的噪声分类原则,这个噪声在相当于可见光谱的红光一侧具有更高的能量密度,所以称红噪声也没有问题。

听听看:

它的 FFT 频谱如下:

布朗噪声的低频能量比粉噪声还多,频谱中也能大概读出,频率增大一倍,能量减少约 6 dB。

蓝噪声(Blue Noise)和紫噪声(Violet Noise)

这两个可以放在一起说,因为蓝噪声和紫噪声跟前面介绍的粉噪声和红噪声很像,只是它们的能量在频率上的分布是反过来的,都是比较“高频”的噪声。

分别听听看:

另外就是,这两个噪声都在计算机信号处理中应用广泛。

比如我们现在看的图像、视频等多媒体内容,离不开蓝噪声采样技术。而紫噪声有助于量化随机误差,还可以用在与耳鸣相关的医疗场景中。

灰噪声(Grey Noise)

这也是一个很有意思的噪声,看看它的 FFT 频谱包络,是不是刚好和 A 计权曲线反相?

灰噪声是在特定频率范围内遵循等响曲线变化的粉噪声,它是针对心理声学特性专门设计的一种声音,我们听这个噪声就会感觉在各个频率上响度都一样,

听听灰噪声,是不是明白了什么叫层次感?

需要注意的是,因为各人听力特性不同,等响曲线又会随响度变化,所以不存在绝对意义的灰噪声,数学上可以明确定义的“等响”的噪声是粉噪声。尽管如此,灰噪声在测试人听力的时候还是很有用处。

以上就是一些比较常见的噪声信号了,感兴趣的朋友还可以深入研究。

FFT 频谱由 FX100 音频分析仪在线性模式下测量测量;
部分资料来源网络,如有疏漏,欢迎指正。

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