那些有“颜色”的噪声

Owl+of+Minerva

说起噪音，大概许多人都会皱起眉头。毕竟在我们的印象里，噪音总是和刺耳喧闹的声音联系在一起，让人焦躁烦闷。但如果你打开最近网络上流行的歌单，会渐渐发现，一些名为“白噪声”“粉红噪声”的歌单已经被很多人点赞收藏。明明是噪声，为什么又有了颜色呢？为什么人们又会对这些有颜色的噪音如此追捧呢？让我们一起来揭开关于噪声的秘密吧。

“噪声”的意义和内涵

从字面意义上来看，“噪声”仅仅属于声音信号的范畴，然而在更为宽泛的意义上，“噪声”还可以是任何形式的信号：振动、电磁波、数字信号等等。

在环境工程范畴，“噪声”是一个非常重要的概念。在很多工程问题中，工程师经常要面对的一个问题是，如何从众多的背景信号（噪声）中提取出想要得到的信息，这涉及到所谓的信号增强，以提高“信噪比”。在这个意义下，“噪声”可以是任何干扰我们提取有用信息的信号，比如我们在电影院观看电影时邻座的细声谈话就是噪声，因为会影响我们对电影的理解。

最纯净的噪声：白噪声

最严格意义上的，也就是最纯净的“噪声”，指的是完全随机的信号，可以是声音、图像，也可以是振动等。在环境工程中，随机性意味着不可预测性，而对于人们来说，尽管获得了信号，但对于预测信号未来的变化却完全没有帮助，那么这样的信号也就不含有任何的信息。

当我们碰到这样“不蕴含任何信息”的信号时，这样的信号就被称为“白噪声”了。而我们知道，纯色均匀地混合在一起就形成了“白色”，白噪声的命名正是类比于白光。在信号处理的频率分析方面，“白噪声”信号在频率分布上是均匀的，也就是说其各个频率对应的能量相互之间相等。

白噪声的作用

千万别小瞧白噪声，它在我们生活中的方方面面，都起着令人想象不到的作用。在一些音乐录制的后期，调音师们会有意地加入一些白噪声，这样会使人听到时感觉更轻松，更容易集中注意力到音乐上。这大概是因为白噪声是所有频率信号均衡的情况，而我们的感知系统对它最适应——我们对白噪声的感受是中性的，不包含信息和结构，所以不会让我们分神，从而也有助于睡眠。相反地，如果真的把我们放在绝对安静的环境之中，我们反而会感到奇怪，无法入眠。

在环境工程中，当需要探测的原始信号在强度很弱的时候，科研人员可以选择在信号中加入一定强度的白噪声，从而方便信号的处理，提高对信息的识别能力，也就是利用随机共振现象。这样的信号中加入白噪声之后，在与原始信号相对应的频段，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，而同时白噪声的信号强度保持不变。在后期信号处理时，白噪声也很容易被过滤掉。这样处理的结果就是，在增加输入信号（有用信号）的强度的同时，并不太影响该信号的特征。随机共振现象并不是遮蔽或者抵消了其他信号，而是增强了想要的信号。一些高端的模数转换器芯片常常内置白噪声信号发生器，从而方便探测微弱信号——声音、振动等。

而在动物界中，噪音信号的影响也是显而易见的。比如匙吻鲟能利用其吻部的数千个电感受器来探测极为微弱的电场变化。通常这种电场变化是由水中的大群浮游生物产生的。实验证明，在引入一定电场噪声信号的情况下，匙吻鲟的捕猎（探测）距离要高于没有噪声信号的时候。

各式各样的“彩色噪声”

除了白噪声，还有其他一些噪声也被赋予了颜色的属性，它们是怎么来的呢？总体上可以理解为，这些色彩的噪声来自于对白噪声的滤波，但这样的“滤波”仅仅是说它们不是纯粹的白噪声，而不是说能从它们中提取出什么信息来。

对于外界的声音信号，人耳朵的感知范围在20Hz～20000Hz，而且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。这样的话，当人听到“所有频率能力均等分布”的白噪声声音信号时，实际上人的耳朵对这噪声加了处理，使得高频显得相对更强。从而，人感知到的信号就不再符合“白噪声”信号的定义了。为了抵消掉人耳对白噪声声音信号的这种处理，使最终感知到的信号符合白噪声的定义，在音频处理上，我们对低频部分做了增强，对高频信号做了抑制，这样得到的信号仍然包含每个频率的声音，但是声音的平衡就发生了变化。举个类似的例子，当我们对白光信号（所有频率信号的均匀混合）进行低频抑制高频的处理时，得到的颜色就会发生变化——白光变成粉色光了，因此这样的增强低频抑制高频的噪声信号被称为“粉红噪声”。

而在音频处理上，如果我们把低频增强得比粉红噪声更强，而高频部分抑制得更多，那就得到了所谓的“褐噪声”。如果我们对白光也加以这样的处理，得到的光的颜色实际上是深红色（接近褐色），之所以被称为褐噪而不是深红噪，是因为这种噪声跟物理上的布朗运动类似，而布朗的英文Brown还有褐色的意思，所以被叫做“褐噪声”。“褐噪声”的低频相对于其他颜色的噪声更大。

相反地，如果把白噪声的低频部分加以抑制，高频部分增强，就能得到“蓝噪声”，这名字也是来源于对白光做这样处理之后的变化。如果这样的处理做得更加明显，那么就变成了“紫噪声”。