Цвета шума - Colors of noise
| Цвета шума |
|---|
| белый |
| Розовый |
| Красный (броуновский) |
| Фиолетовый |
| Серый |
В аудио технике , электронике , физике , и во многих других областях, то цвет шума относится к спектру мощности в виде шумового сигнала (сигнала , полученного с помощью случайного процесса ). Различные цвета шума имеют существенно разные свойства. Например, в качестве аудиосигналов они будут звучать иначе для человеческого уха , а в качестве изображений они будут иметь заметно иную текстуру . Поэтому для каждого приложения обычно требуется шум определенного цвета. Это ощущение «цвета» для шумовых сигналов аналогично понятию тембра в музыке (которое также называется «цвет тона»); однако последний почти всегда используется для звука и может учитывать очень подробные характеристики спектра .
Практика наименования видов шума после цветов 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) имел такой плоский спектр мощности в видимом диапазоне. 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 аналогичными спектрами. Некоторые из этих имен имеют стандартные определения в определенных дисциплинах, в то время как другие очень 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 имеет β = 1, а броуновский шум имеет β = 2.
Технические определения
При анализе используются различные модели шума, многие из которых подпадают под указанные выше категории. AR-шум или «авторегрессивный шум» является такой моделью и генерирует простые примеры вышеупомянутых типов шума и многое другое. Федеральный стандарт 1037C Телекоммуникации Глоссарий определяет белый, розовый, синий и черный.
Названия цветов для этих различных типов звуков происходят из простой аналогии между спектром частот звуковой волны, присутствующей в звуке (как показано на синих диаграммах), и эквивалентным спектром частот световой волны. То есть, если звуковую волну «синего шума» преобразовать в световые волны, полученный свет будет синим и так далее.
белый шум
Белый шум - это сигнал (или процесс), названный по аналогии с белым светом , с плоским частотным спектром при отображении как линейная функция частоты (например, в Гц). Другими словами, сигнал имеет одинаковую мощность в любой полосе данной ширины полосы ( спектральная плотность мощности ), когда ширина полосы измеряется в Гц . Например, для аудиосигнала с белым шумом диапазон частот от 40 Гц до 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 с логарифмической частотной осью, а не с линейной, и в этом случае равные физические ширины на распечатанном или отображаемом графике не все имеют одинаковую полосу пропускания, причем одна и та же физическая ширина покрывает больше Гц на более высоких частотах, чем на более низкие частоты. В этом случае спектр белого шума, который одинаково дискретизируется по логарифму частоты (т. Е. Одинаково дискретизируется по оси X), будет наклоняться вверх на более высоких частотах, а не быть плоским. Однако на практике нет ничего необычного в том, что спектры рассчитываются с использованием линейно разнесенных частотных отсчетов, но наносятся на логарифмическую частотную ось, что может привести к недоразумениям и путанице, если не соблюдается различие между равноотстоящими линейными частотными отсчетами и равноотстоящими логарифмическими частотными отсчетами. в уме.
Розовый шум
Частотный спектр розового шума линейен в логарифмическом масштабе ; он имеет равную мощность в пропорционально широких диапазонах. Это означает, что розовый шум будет иметь такую же мощность в диапазоне частот от 40 до 60 Гц, что 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 слышны как тот же интервал и расстояние, что и 4000–6000 Гц), каждая октава содержит такое же количество энергии и, следовательно, 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 / е ). 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, которая обладает этим свойством: все более крутые степенные спектры конечны, если интегрированы в высокочастотный конец, и все более плоские степенные спектры конечны, если интегрированы с постоянным током, низкочастотные. предел.
Броуновский шум
Броуновский шум , также называемый шумом Брауна, представляет собой шум с плотностью мощности, которая уменьшается на 6,02 дБ на октаву с увеличением частоты (плотность частоты пропорциональна 1 / f 2 ) в диапазоне частот, за исключением нуля ( DC ).
Броуновское шум может быть сгенерировано с временной интеграцией с белым шумом . «Коричневый» шум не назван в честь спектра мощности, предполагающего коричневый цвет; скорее, название происходит от броуновского движения . Также известна как «случайная прогулка» или «прогулка пьяницы». «Красный шум» описывает форму спектра мощности, при этом розовый цвет находится между красным и белым.
Синий шум
Синий шум также называют лазурным шумом. Плотность мощности синего шума увеличивается на 3,01 дБ на октаву с увеличением частоты (плотность пропорциональна f ) в конечном диапазоне частот. В компьютерной графике термин «синий шум» иногда используется более свободно, как любой шум с минимальными низкочастотными компонентами и без концентрированных всплесков энергии. Это может быть хорошим шумом для дизеринга . Клетки сетчатки расположены в виде синего шума, что обеспечивает хорошее визуальное разрешение.
Черенковское излучение является естественным примером почти идеального синего шума, когда плотность мощности линейно растет с частотой в областях спектра, где проницаемость показателя преломления среды приблизительно постоянна. Точный спектр плотности дается формулой Франка – Тамма . В этом случае конечность частотного диапазона проистекает из конечности диапазона, в котором материал может иметь показатель преломления больше единицы. По этим причинам черенковское излучение также имеет ярко-синий цвет.
Фиолетовый шум
Фиолетовый шум также называют пурпурным шумом. Плотность мощности фиолетового шума увеличивается на 6,02 дБ на октаву с увеличением частоты (плотность пропорциональна f 2 ) в конечном диапазоне частот. Он также известен как дифференцированный белый шум, поскольку является результатом дифференцирования сигнала белого шума.
Из-за пониженной чувствительности человеческого уха к высокочастотному шипению и легкости, с которой белый шум может быть электронно дифференцирован (фильтр верхних частот в первом порядке), многие ранние адаптации дизеринга к цифровому аудио использовали фиолетовый шум в качестве сигнала дизеринга. .
Акустический тепловой шум воды имеет фиолетовый спектр, поэтому он преобладает при измерениях гидрофона на высоких частотах.
Серый шум
Серый шум - это случайный белый шум, подверженный психоакустической кривой равной громкости (такой как перевернутая кривая A-взвешивания ) в заданном диапазоне частот, что дает слушателю ощущение, что он одинаково громкий на всех частотах. Это контрастирует со стандартным белым шумом, который имеет равную мощность в линейной шкале частот, но не воспринимается как одинаково громкий из-за смещений в контуре равной громкости человека .
Неформальные определения
Есть также много цветов, используемых без точных определений (или как синонимов для формально определенных цветов), иногда с несколькими определениями.
Красный шум
- Синоним броуновского шума, как указано выше.
- Подобно розовому шуму, но с другим спектральным составом и другими отношениями (например, 1 / f для розового шума , а 1 / f 2 для красного шума).
- В областях, где терминология используется свободно, «красный шум» может относиться к любой системе, в которой плотность мощности уменьшается с увеличением частоты.
Зеленый шум
- Среднечастотная составляющая белого шума, используемая при сглаживании полутонов.
- Ограниченный броуновский шум
- Шум вокального спектра, используемый для тестирования аудиосхем
- Джозеф С. Вишневски пишет, что «зеленый шум» продвигается производителями записей звуковых эффектов как «фоновый шум мира». Он имитирует спектры естественной обстановки без шумов, создаваемых человеком. Розовый шум похож, но имеет больше энергии в районе 500 Гц.
Черный шум
- Тишина
- Шум со спектром 1 / f β , где β > 2 . Эта формула используется для моделирования частоты стихийных бедствий.
- Шум с частотным спектром с преимущественно нулевым уровнем мощности на всех частотах, за исключением нескольких узких полос или пиков. Примечание. Примером черного шума в системе факсимильной передачи является спектр, который может быть получен при сканировании черной области, в которой есть несколько случайных белых пятен. Таким образом, во временной области при сканировании возникает несколько случайных импульсов.
- Шум со спектром, соответствующим излучению абсолютно черного тела (тепловой шум). Для температур выше примерно3 × 10 -7 К пик чернотельного спектра находится выше верхнего предела человеческого слухового диапазона . В таких ситуациях черный шум хорошо аппроксимируется фиолетовым шумом . В то же время, излучение Хокинга из черных дыр может иметь пик в диапазоне слуха, поэтому излучение типичной звездной черной дыры с массой , равное 6 солнечных масс будет иметь максимум на частоте 604,5 Гц - этот шум подобен к зеленому шуму. Формула: Гц. Несколько примеров аудиофайлов с таким спектром можно найти здесь .
Шумный белый
В телекоммуникациях термин « шумный белый» имеет следующие значения:
- В факсимильных или дисплейных системах, таких как телевидение , неоднородность в белой области изображения, т. Е. Документа или изображения, вызванная наличием шума в принимаемом сигнале .
- Сигнал или уровень сигнала, который должен представлять белую область на объекте, но имеет содержание шума, достаточное для создания заметных черных пятен на поверхности дисплея или носителе записи .
Шумный черный
В телекоммуникациях термин « шумный черный» имеет следующие значения:
- В факсимильных или дисплейных системах, таких как телевидение , неоднородность черной области изображения, т. Е. Документа или изображения, вызванная наличием шума в принимаемом сигнале .
- Сигнал или уровень сигнала, который должен представлять черную область на объекте, но имеет уровень шума, достаточный для создания заметных не черных пятен на поверхности дисплея или носителе записи .
Смотрите также
- Гул сети (также известный как гул переменного тока)
- Малая вероятность
использованная литература
Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .