В аудиотехнике , электронике , физике и многих других областях цвет шума или спектр шума относится к спектру мощности шумового сигнала (сигнала, создаваемого стохастическим процессом ). Разные цвета шума имеют существенно разные свойства. Например, в качестве аудиосигналов они будут звучать по-разному для человеческих ушей , а в качестве изображений они будут иметь заметно другую текстуру . Поэтому для каждого приложения обычно требуется шум определенного цвета. Это ощущение «цвета» шумовых сигналов похоже на понятие тембра в музыке (которое также называют «цветом тона»; однако последний почти всегда используется для звука и может учитывать детальные особенности спектра ) .
Практика называть виды шума по цветам началась с белого шума — сигнала, спектр которого имеет одинаковую мощность в любом равном интервале частот. Это название было дано по аналогии с белым светом, который (ошибочно) предполагалось, что он имеет такой плоский спектр мощности во всем видимом диапазоне. [ нужна цитация ] Другие названия цветов, такие как розовый , красный и синий , затем давались шуму с другими спектральными профилями, часто (но не всегда) в отношении цвета света с похожими спектрами. Некоторые из этих названий имеют стандартные определения в определенных дисциплинах, тогда как другие неформальны и плохо определены. Многие из этих определений предполагают сигнал с компонентами на всех частотах со спектральной плотностью мощности на единицу полосы пропускания, пропорциональной 1/ f β , и, следовательно, они являются примерами степенного шума . Например, спектральная плотность белого шума плоская ( β = 0), в то время как мерцание или розовый шум имеют β = 1, а броуновский шум имеет β = 2. Синий шум имеет β = -1.
В анализе используются различные модели шума, многие из которых подпадают под вышеуказанные категории. Шум AR или «авторегрессионный шум» является такой моделью и генерирует простые примеры вышеупомянутых типов шума и многого другого. Глоссарий федерального стандарта 1037C по телекоммуникациям [ 1 ] [2] определяет белый, розовый, синий и черный шум.
Цветовые названия этих различных типов звуков получены из свободной аналогии между спектром частот звуковых волн, присутствующих в звуке (как показано на синих диаграммах), и эквивалентным спектром частот световых волн. То есть, если звуковую волну «синего шума» перевести в световые волны, результирующий свет будет синим и так далее. [ нужна цитата ]
Белый шум — это сигнал (или процесс), названный по аналогии с белым светом , с плоским частотным спектром , если представить его как линейную функцию частоты (например, в Гц). Другими словами, сигнал имеет одинаковую мощность в любом диапазоне заданной полосы пропускания ( спектральная плотность мощности ), когда полоса пропускания измеряется в Гц . Например, для аудиосигнала белого шума диапазон частот между 40 Гц и 60 Гц содержит такое же количество звуковой мощности, что и диапазон между 400 Гц и 420 Гц, поскольку оба интервала имеют ширину 20 Гц. Обратите внимание, что спектры часто строятся по логарифмической оси частот, а не по линейной, и в этом случае равные физические ширины на напечатанном или отображаемом графике не все имеют одинаковую полосу пропускания, причем одна и та же физическая ширина охватывает больше Гц на более высоких частотах, чем на более низкие частоты. В этом случае спектр белого шума, который одинаково дискретизирован по логарифму частоты (т. е. одинаково дискретизирован по оси X), будет иметь наклон вверх на более высоких частотах, а не быть плоским. Однако на практике нередко спектры рассчитываются с использованием линейно расположенных частотных выборок, но наносятся на логарифмическую ось частот, что потенциально может привести к недопониманию и путанице, если не соблюдать различие между равноотстоящими линейными частотными выборками и одинаковоотстоящими логарифмическими частотными выборками. в уме. [3]
Частотный спектр розового шума линеен в логарифмическом масштабе ; он имеет одинаковую мощность в пропорционально широких полосах. [4] Это означает, что розовый шум будет иметь одинаковую мощность в диапазоне частот от 40 до 60 Гц и в диапазоне от 4000 до 6000 Гц. Поскольку люди слышат в таком пропорциональном пространстве, где удвоение частоты (октава) воспринимается одинаково независимо от фактической частоты (40–60 Гц воспринимаются как тот же интервал и расстояние, что и 4000–6000 Гц), каждая октава содержит такое же количество энергии и поэтому розовый шум часто используется в качестве опорного сигнала в аудиотехнике . Спектральная плотность мощности по сравнению с белым шумом уменьшается на 3,01 дБ на октаву (плотность пропорциональна 1/ f ). По этой причине розовый шум часто называют «шумом 1/ f ».
Поскольку существует бесконечное количество логарифмических полос как на низкочастотном (DC), так и на высокочастотном концах спектра, любой конечный энергетический спектр должен иметь меньше энергии, чем розовый шум на обоих концах. Розовый шум — единственная степенная спектральная плотность, обладающая этим свойством: все более крутые степенные спектры конечны, если интегрированы на высокочастотном конце, а все более плоские степенные спектры конечны, если интегрированы с постоянным током, на низкой частоте. предел. [ нужна цитата ]
Броуновский шум , также называемый коричневым шумом, представляет собой шум, плотность мощности которого уменьшается на 6,02 дБ на октаву с увеличением частоты (плотность частоты пропорциональна 1/ f 2 ) в диапазоне частот, исключающем ноль ( DC ). Его также называют «красным шумом», где розовый находится между красным и белым.
Броуновский шум может быть сгенерирован путем временного интегрирования белого шума . «Коричневый» шум назван не в честь спектра мощности, который предполагает коричневый цвет; скорее, название происходит от броуновского движения , также известного как «случайное блуждание» или «блуждание пьяницы».
Синий шум еще называют лазурным шумом. Плотность мощности синего шума увеличивается на 3,01 дБ на октаву с увеличением частоты (плотность пропорциональна f ) в конечном диапазоне частот. [5] В компьютерной графике термин «синий шум» иногда используется более широко, как любой шум с минимальными низкочастотными компонентами и без концентрированных всплесков энергии. Это может быть хорошим шумом для дизеринга . [6] Клетки сетчатки расположены в виде синего шума, что обеспечивает хорошее визуальное разрешение. [7]
Черенковское излучение представляет собой естественный пример почти идеального синего шума, плотность мощности которого линейно растет с частотой в областях спектра, где проницаемость показателя преломления среды примерно постоянна. Точный спектр плотности задается формулой Франка – Тамма . В этом случае конечность диапазона частот обусловлена конечностью диапазона, в котором материал может иметь показатель преломления больше единицы. По этим причинам черенковское излучение также имеет ярко-синий цвет.
Фиолетовый шум также называют фиолетовым шумом. Плотность мощности фиолетового шума увеличивается на 6,02 дБ на октаву с увеличением частоты [8] [9] «Спектральный анализ показывает, что ошибки ускорения GPS кажутся процессами фиолетового шума. В них преобладает высокочастотный шум». (плотность, пропорциональная f 2 ) в конечном диапазоне частот. Он также известен как дифференцированный белый шум, поскольку является результатом дифференциации сигнала белого шума.
Из-за пониженной чувствительности человеческого уха к высокочастотному шипению и легкости, с которой белый шум можно дифференцировать электронным способом (фильтр верхних частот первого порядка), во многих ранних адаптациях дизеринга к цифровому звуку в качестве сигнала дизеринга использовался фиолетовый шум. . [ нужна цитата ]
Акустический тепловой шум воды имеет фиолетовый спектр, из-за чего он доминирует в измерениях гидрофона на высоких частотах. [10] «Прогнозы спектра теплового шума, полученные на основе классической статистической механики, предполагают увеличение шума с частотой с положительным наклоном 6,02 дБ октавы -1 ». «Обратите внимание, что тепловой шум увеличивается со скоростью 20 дБ декада -1 » [11]
Серый шум — это случайный белый шум, подвергнутый психоакустической кривой равной громкости (например, перевернутой кривой А-взвешивания ) в заданном диапазоне частот, что дает слушателю ощущение, что он одинаково громкий на всех частотах. [ нужна цитация ] Это контрастирует со стандартным белым шумом, который имеет одинаковую силу по линейной шкале частот, но не воспринимается как одинаково громкий из-за отклонений в контуре равной громкости человека .
Бархатный шум представляет собой разреженную последовательность случайных положительных и отрицательных импульсов. Бархатный шум обычно характеризуется плотностью в постукиваниях в секунду. При высокой плотности звук похож на белый шум, однако воспринимается более «гладко». [12] Редкая природа бархатного шума обеспечивает эффективную свертку во временной области, что делает бархатный шум особенно полезным для приложений, где вычислительные ресурсы ограничены, таких как алгоритмы реверберации в реальном времени . [13] [14] Бархатный шум также часто используется в декорреляционных фильтрах. [15]
Есть также много цветов, используемых без точных определений (или как синонимы формально определенных цветов), иногда с несколькими определениями.
В телекоммуникациях термин «шумный белый» имеет следующие значения: [24]
В телекоммуникациях термин «шумный черный» имеет следующие значения: [25]
Цветной шум можно сгенерировать с помощью компьютера, сначала сгенерировав сигнал белого шума, преобразовав его Фурье, а затем умножив амплитуды различных частотных составляющих на частотно-зависимую функцию. [26] Доступны программы Matlab для генерации степенного цветного шума в одном или любом количестве измерений.
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 года.