噪声有“颜色”

江雪

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纳米～780纳米，可以刺激人眼产生电信号，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，科学家用相同的方法定义了噪声的“颜色”。

“白噪声”与白光相似，是一种不同频率的声音混合而成的噪声。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”，这时候我们听到的声音就是白噪声。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，这是因为人耳对白噪声中的高频信号更敏感。为了解决这个问题，专家对白噪声做了以下处理：增强低频信号强度，减弱高频信号强度，这样就诞生了“温柔”的粉噪声。

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，进一步弱化高频信号，就会得到更“红”的噪声——褐噪声。在英文中，褐色（brown）作为人名可以译为“布朗”，因此褐噪聲也被称为“布朗噪声”。因为褐噪声的频率信号跟液体中的微粒很类似，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”。褐噪声的低频信号相对于其他颜色的噪声更强，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，增强高频部分，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树叶的沙沙声都是白噪声。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。在闹市学习和上班的人可以利用白噪声来屏蔽杂声，提高工作效率。某种很大声的特定声音，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，人们的好奇心就会下降，这更有利于他们集中注意力。

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的步骤。

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，这导致其播放的声音会比较“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显自然了。

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，还有红噪声、橙噪声、灰噪声和黑噪声等。噪声无处不在，好好认识并利用噪声，世界将会更精彩。

（张愚摘自《大科技·科学之谜》2020年第9期，Raven图）