江雪

五顏六色的聲音

我們已經(jīng)知道，人眼看到的顏色其實(shí)是可見光。光是一種電磁波，人眼可見光的波長(zhǎng)在380納米～780納米，可以刺激人眼產(chǎn)生電信號(hào)，最終由大腦“翻譯”成顏色。頻率低的光波被“翻譯”成暖色調(diào)，頻率高的光是冷色調(diào)的，而所謂白色，其實(shí)是各種不同頻率的光混合而成的顏色。無(wú)獨(dú)有偶，科學(xué)家用相同的方法定義了噪聲的“顏色”。

“白噪聲”與白光相似，是一種不同頻率的聲音混合而成的噪聲。我們?cè)诼犑找魴C(jī)或看電視時(shí)，如果聽到一片沙沙聲或看到滿屏“雪花”，這時(shí)候我們聽到的聲音就是白噪聲。因?yàn)榇藭r(shí)收音機(jī)或電視機(jī)無(wú)法接收到固定電臺(tái)的頻率，而是接收到了許多來(lái)自多個(gè)電臺(tái)或其他干擾的無(wú)線信號(hào)，這些不同頻率的信號(hào)疊加在一起，就成了白噪聲。

粉紅色是一種由紅色和白色混合而成的顏色，為了讓白噪聲更柔和，科學(xué)家也“混搭”出了“粉噪聲”。聲音有著不同的頻率，而人耳對(duì)高頻信號(hào)比對(duì)低頻信號(hào)更敏感。也就是說，對(duì)于同樣能量的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，人們會(huì)感覺高頻信號(hào)的聲音聽起來(lái)更大。所以，人們?cè)诼牭桨自肼晻r(shí)，往往會(huì)覺得尖銳刺耳，這是因?yàn)槿硕鷮?duì)白噪聲中的高頻信號(hào)更敏感。為了解決這個(gè)問題，專家對(duì)白噪聲做了以下處理：增強(qiáng)低頻信號(hào)強(qiáng)度，減弱高頻信號(hào)強(qiáng)度，這樣就誕生了“溫柔”的粉噪聲。

如果我們進(jìn)一步強(qiáng)化這個(gè)處理措施，即把低頻信號(hào)增強(qiáng)得比粉噪聲更強(qiáng)，進(jìn)一步弱化高頻信號(hào)，就會(huì)得到更“紅”的噪聲——褐噪聲。在英文中，褐色（brown）作為人名可以譯為“布朗”，因此褐噪聲也被稱為“布朗噪聲”。因?yàn)楹衷肼暤念l率信號(hào)跟液體中的微粒很類似，沒有固定的模式，而是隨機(jī)變化的，這種運(yùn)動(dòng)方式被稱為“布朗運(yùn)動(dòng)”。褐噪聲的低頻信號(hào)相對(duì)于其他顏色的噪聲更強(qiáng)，因此也更柔和。

藍(lán)色是一種高頻的冷色調(diào)，而“藍(lán)噪聲”也是高頻信號(hào)占主導(dǎo)的噪聲。人們把白噪聲的低頻部分加以抑制，增強(qiáng)高頻部分，這樣處理后就得到了藍(lán)噪聲。相似地，如果這種操作進(jìn)一步強(qiáng)化，藍(lán)噪聲就會(huì)變成紫噪聲。

顏色不同，作用不同

科學(xué)家之所以把噪聲分成這么多種“顏色”，是因?yàn)樗鼈冇兄煌淖饔谩?/p>

白噪聲是最早被人類發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用的，我們認(rèn)為下雨的聲音、海浪拍打巖石的聲音或者風(fēng)吹樹葉的沙沙聲都是白噪聲。這些聲音都有讓人忽略其他聲音、放松身心的效果，因此可以用來(lái)治療精神疾病，比如能讓失眠患者盡快入睡，安撫多動(dòng)癥兒童躁動(dòng)不安的情緒等。在鬧市學(xué)習(xí)和上班的人可以利用白噪聲來(lái)屏蔽雜聲，提高工作效率。某種很大聲的特定聲音，會(huì)很容易吸引人們的注意力，讓人們不自覺地想一探究竟，但如果聽到的是一片嘈雜而無(wú)意義的嗡嗡聲，人們的好奇心就會(huì)下降，這更有利于他們集中注意力。

在科研工作中，研究人員甚至?xí)鲃?dòng)在探測(cè)信號(hào)中加入白噪聲。當(dāng)需要探測(cè)的原始信號(hào)強(qiáng)度很弱時(shí)，研究人員可以選擇在原始信號(hào)中加入一段白噪聲。由于白噪聲中包含著各種頻率的信號(hào)，其中那些與原始信號(hào)頻率相近的信號(hào)會(huì)跟原始信號(hào)產(chǎn)生共振，使原始信號(hào)的強(qiáng)度增加，上升到可探測(cè)的水平。與此同時(shí)，白噪聲的信號(hào)強(qiáng)度保持不變。這樣，在后期信號(hào)處理時(shí)，也可以很容易地將白噪聲與原始信號(hào)分離開來(lái)，簡(jiǎn)化了信號(hào)探測(cè)工作的步驟。

粉噪聲與白噪聲同為多音頻噪聲，但聲能相對(duì)較低，可用于揚(yáng)聲器低頻部分的聲學(xué)功能測(cè)試和調(diào)節(jié)，比如我們常說的“煲機(jī)”。煲機(jī)指的是在正式使用新耳機(jī)前，先播放幾個(gè)小時(shí)的音樂激活耳機(jī)的過程，“煲”過的耳機(jī)使用起來(lái)性能更穩(wěn)定。這是為什么呢？耳機(jī)之所以會(huì)發(fā)出聲音，是因?yàn)閮?nèi)部的振膜在聲波的作用下產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)聲，而新耳機(jī)的振膜在使用前彈性不大，不太能跟得上聲波的變化，這導(dǎo)致其播放的聲音會(huì)比較“僵硬”。而用多種音頻共存的粉噪聲煲機(jī)，就像用不同力道全方位捶打我們過勞后僵硬的肌肉一樣，能快速地松弛振膜，提高振膜的彈性，之后播放的音樂就會(huì)更顯自然了。

低頻能量小、高頻能量集中的藍(lán)噪聲，在多媒體處理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域有很大的作用。電子圖像和視頻是由很多像素點(diǎn)按特定的規(guī)律集合而成，而采樣正是成像的必備過程，是指在給定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生滿足一定分布特性的點(diǎn)集圖案。其中，藍(lán)噪聲采樣是最重要的一種采樣技術(shù)，因?yàn)樗{(lán)噪聲采樣能使像素點(diǎn)分布既滿足隨機(jī)性又滿足均勻性，這些性質(zhì)在圖像點(diǎn)繪、渲染、紋理合成、幾何處理等方面有著廣泛的應(yīng)用。可以說，我們現(xiàn)在看到的這些高清圖像和視頻都離不開藍(lán)噪聲的幫助。

除了以上“各色”噪聲，還有紅噪聲、橙噪聲、灰噪聲和黑噪聲等。噪聲無(wú)處不在，好好認(rèn)識(shí)并利用噪聲，世界將會(huì)更精彩。

（張愚摘自《大科技·科學(xué)之謎》2020年第9期，Raven圖）