Красный шум. Чем полезен белый шум: например, шум водопада

Шумом называется случайное сочетание звуков различной интенсивности и частоты. В практике борьбы с шумом под ним подразумевается мешающий, нежелательный звук. Воздействие шума на человека зависит от его основных характеристик, которыми являются:

- уровни звукового давления (далее УЗД);

- частотный состав (спектр).

Звуковое давление – это переменная часть давления, возникающего при прохождении звуковой волны в среде распространения. Измеряется эта сила, действующая на единицу площади, в паскалях (Па).

Звуковое давление в воздухе изменяется от10–5 Па вблизи порога слышимости до 103 Па. При средней громкости разговора переменная составляющая звукового давления порядка 0,1 Па.

Минимальное звуковое давление, на которое реагирует человеческое ухо, составляет 2·10–5 Па, максимально же воспринимаемое без ощущения боли звуковое давление 102 Па (рисунок 1.6). Следовательно, диапазон звуковых давлений, воспринимаемых человеческим ухом, составляет 107 Па.

p , Па

2 × 10- 4

2 × 10- 5

где p – среднеквадратичное значение звукового давления, измеряемое в паскалях;

p 0 – нулевой порог слышимости, то есть давление, соответствующее порогу чувствительности человеческого уха на частоте 1000 Гц (p 0 = 2·10–5 ).

Органы слуха человека способны воспринимать колебания частотой от

16–20 Гц до 16–20 кГц.

Плоскость между порогом слышимости и болевым порогом называют плоскостью слышимости. Эта плоскость характеризуется следующими данными:

- по частоте колебаний – 16–20 Гц – 16–20 кГц;

- по звуковому давлению – 0 – 130–140 дБ.

Уровень звука является интегральной характеристикой шума, поэтому он нашел широкое применение в технике измерений и при нормировании шума.

Среднее по времени значение мощности звука, отнесенное к единице площади, называют интенсивностью звука.

Интенсивность звука оценивается уровнем интенсивности по шкале де-

где I – среднеквадратичные значения интенсивности;

I 0 = 10–12 Вт/м2 – значение нулевого порога интенсивности звука.

С интенсивностью звука связана громкость звука – величина, характеризующая слуховое ощущение от данного звука(рисунок 1.8). Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления(интенсивности звука). При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растет с увеличением интенсивности звука (звукового давления). При одинаковом звуковом давлении громкость звука гармонических колебаний различной частоты различна, то есть на разных частотах одинаковую громкость могут иметь звуки разной интенсивности.

Громкость звука данной частоты оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц. Уровень звукового давления (в дБ) чистого тона с частотой 1000 Гц, столь же громкого, как и измеряемый звук, называют уровнем громкости данного звука в фонах (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Кривые равной громкости

Как видно из приведенных на рисунке 1.7 кривых равной громкости, для того чтобы получить уровень громкости в4 фона на частоте 500 Гц, необходимо звуковое давление в 20 дБ, а для такого же уровня громкости на частоте20 Гц необходимо звуковое давление в 60 дБ.

Из кривых, приведенных на графике, видно, что при уровне 30–40 фон на частоте 1000 Гц в диапазоне частот250–500 Гц происходит уменьшение громкости примерно на 6 дБ.

Весь диапазон интенсивностей, при которых волна вызывает в человеческом ухе звуковое ощущение(от 10–12 до 10 Вт/м2 ), соответствует значениям уровня громкости от 0 до 130 дБ. В таблице 1.2 приведены ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков.

Таблица 1.2 – Ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков

Оценка громкости звука		Источник звука
	звука, дБ	Источник звука
	звука, дБ

Очень тихий		Усредненный порог чувствитель-
Тихий шепот (1,5 м)		ности уха
		Тиканье настенных механических

		Шаги по мягкому ковру (3–4 м)
		Шаги по мягкому ковру (3–4 м)
		Тихий разговор
Умеренный		Легковой автомобиль (10–15 м)
Умеренный		Улица средней шумности
		Улица средней шумности
		Спокойный разговор (1 м)


Очень громкий		Шумная улица
Очень громкий		Симфонический оркестр
		Симфонический оркестр
		Пневмомолот
Оглушительный		Гром над головой
		Звук воспринимается как боль

Классификация шумов, воздействующих на человека

1. По характеру спектра шума выделяют:

- тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тоны. Тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в 1/3 октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

2. По временным характеристикам шума выделяют:

- постоянный шум, уровень звука которого за8-часовой рабочий день или за время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени не более чем на5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «медленно»;

- непостоянный шум, уровень которого за 8-часовой рабочий день, рабочую смену или во время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во

времени более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «медленно».

Непостоянные шумы подразделяют на следующие виды:

- колеблющийся во времени шум, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени;

- прерывистый шум, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 секунду и более;

- импульсный шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 секунды, при этом уровни звука в дБАI и дБА, измеренные соответственно на временных характеристиках «импульс» и «медленно», отличаются не менее чем на7 дБ.

Цвета шума – это система терминов, приписывающая некоторым видам шумовых сигналов определённые цвета исходя из аналогии между спектром сигнала произвольной природы (точнее, его спектральной плотностью или, говоря математически, параметрами распределения случайного процесса) и спектрами различных цветов видимого света. Эта абстракция широко используется в отраслях техники, имеющих дело с шумом(акустика, электроника, физика и т. д.).

Цветовые соответствия различных типов шумового сигнала определяются с помощью графиков(гистограмм) спектральной плотности, то есть распределения мощности сигнала по частотам.

Белый шум – это сигнал с равномерным спектром на всех частотах(рисунок 1.8). Другими словами, такой сигнал имеет одинаковую мощность в лю-

бой полосе частот. К примеру, полоса сигнала в 20 Гц между 40 и 60 Гц имеет такую же мощность, что и полоса между4000 и 4020 Гц. Неограниченный по частоте белый шум возможен только в теории, так как в этом случае его мощность бесконечна. На практике сигнал может быть белым шумом только в -ог раниченной полосе частот.

Рисунок 1.8 – Спектральная плотность белого шума

Спектральная плотность розового шума определяется формулой1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерным в логарифмической шкале частот(рисунок 1.9). Например, мощность сигнала в полосе частот между 40 и 60 Гц равна мощности в полосе между4000 и 6000 Гц. Спектральная плотность такого сигнала по сравнению с белым шумом затухает на 3 дБ на каждую октаву. Пример розового шума – звук пролетающего вертолёта. Розовый шум обнаруживается, например, в сердечных ритмах, в графиках электрической активности мозга, в электромагнитном излучении космических тел.

Иногда розовым шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты.

Рисунок 1.9 – Спектральная плотность розового шума

Броуновский шум схож с розовым шумом, однако его спектральная плотность затухает на 6 дБ на октаву (рисунок 1.10). То есть его спектральная плотность обратно пропорциональна квадрату частоты. Броуновский шум может быть получен, если проинтегрировать белый шум, или с помощью алгоритма, симулирующего броуновское движение. Спектр красного шума (в логарифмической шкале) зеркально противоположен спектру фиолетового. Иногда этот шум называют также коричневым, как один из вариантов перевода фамилии Brown - «коричневый». На слух броуновский шум воспринимается более «тёплым», чем белый.

I , ГцКоричневый шум

f , Гц

Рисунок 1.10 – Спектральная плотность коричневого шума

Также наиболее распространены:

а) синий шум – вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 3 дБ на октаву;б) фиолетовый шум – вид сигнала, чья спектральная плотность увеличи-

вается на 6 дБ на октаву; в) серый шум – спектр серого шума получается, если сложить спектры

броуновского и фиолетового шумов.

Основные «цвета» шумов

Цветовые соответствия различных типов шумового сигнала определяются с помощью графиков (гистограмм) спектральной плотности, то есть распределения мощности сигнала по частотам .

Белый шум

Другие

Существуют и другие, «менее официальные» цвета:

Оранжевый шум

Оранжевый шум - квазистационарный шум с конечной спектральной плотностью. Спектр такого шума имеет полоски нулевой энергии, рассеянные по всему спектру. Эти полоски располагаются на частотах музыкальных нот .

Красный шум

Красный шум - может быть как синонимом броуновского или розового шума, так и обозначением естественного шума, характерного для больших водоёмов - морей и океанов, поглощающих высокие частоты. Красный шум слышен с берега от отдалённых объектов, находящихся в океане.

Зелёный шум

Зелёный шум - шум естественной среды. Подобен розовому шуму с усиленной областью частот в районе 500 Гц .

Чёрный шум

Термин «чёрный шум» имеет несколько определений:

Примечания

См. также

Литература

Yellott, John I. Jr., «Spectral Consequences of Photoreceptor Sampling in the Rhesus Retina.» Science, том 221, стр. 382-385, 1983.

ПРОСТО ПРОФЕССИОНАЛИЗМ

Цвета шума

Цвета шума - система терминов, приписывающая некоторым видам шумовых сигналов определённые цвета исходя из аналогии между спектром сигнала произвольной природы (точнее, его спектральной плотностью или, говоря математически, параметрами распределения случайного процесса) и спектрами различных цветов видимого света.

Эта абстракция широко используется в отраслях техники, имеющих дело с шумом (акустика, электроника, физика и т. д.).

Белый шум - это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах и дисперсией, равной бесконечности. Является стационарным случайным процессом.

Другими словами, такой сигнал имеет одинаковую мощность в любой полосе частот. К примеру полоса сигнала в 20 герц между 40 и 60 герц имеет такую же мощность, что и полоса между 4000 и 4020 герц. Неограниченный по частоте белый шум возможен только в теории, так как в этом случае его мощность бесконечна. На практике сигнал может быть белым шумом только в ограниченной полосе частот.

Розовый шум

Спектральная плотность розового шума определяется формулой ~1 / f (плотность обратно пропорциональна частоте). Равномерно в любых частотах. Например, мощность сигнала в полосе частот между 40 и 60 герц равна мощности в полосе между 4000 и 6000 герц. Спектральная плотность такого сигнала по сравнению с белым шумом затухает на 3 децибела на каждую октаву.

Пример розового шума - звук пролетающего вертолёта. Розовый шум обнаруживается, например, в сердечных ритмах, в графиках электрической активности мозга, в электромагнитном излучении космических тел.
Иногда розовым шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты.

Синий (голубой) шум

Синий шум - вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 3 дБ на октаву. То есть его спектральная плотность пропорциональна частоте и, аналогично белому шуму, на практике он должен быть ограничен по частоте. На слух синий шум воспринимается более резким, нежели белый. Синий шум получается, если продифференцировать розовый шум; их спектры зеркальны.

Броуновский (красный) шум

Спектральная плотность красного шума пропорциональна 1/f², где f - частота. Это означает, что на низких частотах шум имеет больше энергии, даже больше, чем розовый шум. Энергия шума падает на 6 децибел на октаву. Акустический красный шум слышится как приглушённый, в сравнении с белым или розовым шумом. Спектр красного шума (в логарифмической шкале) зеркально противоположен спектру фиолетового.
На слух броуновский шум воспринимается более «тёплым», чем белый.

Фиолетовый шум

Это вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 6 дБ на октаву. То есть его спектральная плотность пропорциональная квадрату частоты и, аналогично белому шуму, на практике он должен быть органичен по частоте. Фиолетовый шум получается, если продифференцировать белый шум. Спектр фиолетового шума зеркально противоположен спектру красного.

Серый шум

Термин серый шум относится к шумовому сигналу, который имеет одинаковую громкость для человеческого уха на всём диапазоне частот. Спектр серого шума получается, если сложить спектры броуновского и фиолетового шумов. В спектре серого шума виден большой «провал» на средних частотах, однако человеческое ухо воспринимает серый шум точно так же, как и белый.

Существуют и другие, «менее официальные» цвета:

Оранжевый шум - шум с конечной спектральной плотностью. Спектр такого шума имеет полоски нулевой энергии, рассеянные по всему спектру. Эти полоски располагаются на частотах музыкальных нот.

Зелёный шум - шум естественной среды. Подобен розовому шуму с усиленной областью частот в районе 500 Гц.

Чёрный шум
Термин «чёрный шум» имеет несколько определений:

-Тишина
Шум со спектром 1/f, где > 2. Используется для моделирования различных природных процессов. Считается характеристикой "природных и искусственных катастроф, таких как наводнения, обвалы и т. п."

-Ультразвуковой белый шум (с частотой более 20 кГц), аналогичный т. н. «черному свету» (с частотами слишком высокими, чтобы его можно было воспринимать, но способному воздействовать на наблюдателя или приборы). Шум, спектр которого имеет преимущественно нулевую энергию за исключением нескольких пиков.

Ученые определили, какие фильмы больше остальных притягивают внимание зрителей. Оказалось, что в основе наиболее увлекательных фильмов лежит так называемый розовый шум. Работа исследователей принята к печати в журнал Psychological Science. Коротко о ней пишет New Scientist.

За отправную точку своей работы ученые взяли исследование, проведенное в 90-х годах прошлого века. Группа специалистов наблюдала за зрителями, которые смотрели кино. Оказалось, что временные отрезки, в течение которых их внимание было занято фильмом, распределялись весьма характерным образом. Исследователи применили к распределению математическую операцию, известную как преобразования Фурье, и получили розовый шум. Этим термином обозначают шум, спектральная плотность которого обратно пропорциональна его частоте. Послушать розовый шум можно .

Авторы нового исследования решили проверить, имеет ли распределение длительности фрагментов от одной монтажной склейки до другой характеристики розового шума. Ученые проанализировали 150 наиболее кассовых голливудских фильмов, снятых в период с 1935 по 2005 годы. Оказалось, что при монтаже фильмов последних лет чаще используются закономерности розового шума.

По мнению исследователей, фильмы, построенные на закономерностях розового шума, популярны по той причине, что они соответствуют рисунку распределения внимания людей. Авторы полагают, что производители фильмов используют розовый шум ненамеренно, - просто они повторяют принципы построения популярных фильмов, в которых был найден успешный прием.

_________________________________________________________________

Информационная справка

Звуковые волны имеют разную природу, а следствием их хаотичного колебания является шум.

Мы всегда сталкиваемся с шумами в повседневной жизни, будь это звуки авто, дождя, метро, моря, ветра. Существует разнообразное множество видов шумов. Их различают даже по цвету.

Шум белого цвета – это «ежедневный шум». Сюда входят:

шум моря;
звучание дождя;
ночные шорохи;
журчанье реки;
шум автомагистрали;
гул поездов.

Он не является негативным для человека, но непрерывное влияние звуков разной частоты может послужить причиной к повышению или понижению давления, боли в области головы. Для отдельных людей белый шум является неотъемлемым условием крепкого сна. Большинство не способно окунуться в ночные сны, в случае если отсутствует известное «ш-ш-ш» на фоне. Отчего замещение ежедневных звуков так пленительно влияет на людей? Бывает ли других цветов шум?

Мысль о смене одного шума другим, может показаться, на первый взгляд, нелепой. Есть ли в этом толк? «Я не могу уснуть из-за мешающих звуков, включу-ка я посторонние шумы». Удивительно. И тем не менее большинство людей заверяют, что не готовы полноценно засыпать без описываемого шума. А некоторые компании готовы предложить вам купить приспособление, воссоздающее приспособленные шумы для крепкого сна. Что происходит с нашим телом в эти моменты?

Суть краткого ответа состоит в следующем: шум белого цвета является комфортным для отдельных индивидов.

А сейчас развернутый ответ. Шум белого цвета является стационарным звуком. Он состоит из многоспектральных элементов. Они одинаково размещены по целому спектру вовлеченных частот.

Что-нибудь ясно? Давайте представим концерт с большим числом музыкантов. Любой из них играет по ноте. Подобный ансамбль воспроизводит в одно и то же время многочисленные звуки, которые доступны нашему уху. Это представляет собой шум белого цвета.

Бывает так, что вы пробуждаетесь от шума, его вины здесь нет. Вас будит появившаяся несогласованность и модификация звукового тона. Шум белого цвета блокирует аналогичные острые перемены, словно защищает вас от внезапных или неприятных звуков.

«Самый элементарный вариант состоит в том, что наш слух всегда находится в рабочем состоянии, даже во время сна», - поясняет Сэт Горовиц, автор книг. Потому и многие люди выбирают слушать шум белого цвета, создаваемый любым механизмом, а не интенсивный, а затем спадающий храп мужа.

Это действительно похоже на истину. Если вдруг вам не по душе конкретно шум белого цвета, то попытайтесь слушать звуки прочих тонов.

В прикладных областях шум розового цвета известен как фликкер-шум. Звучание пролетающего вертолета – это яркий пример шума такого типа. Он обладает прекрасным лечебным эффектом при депрессиях и неврозах. Недавние исследования выявили, что если фильмы построены на закономерностях розового шума, то они являются более притягательными для кинозрителей, так как отвечают рисунку разделения внимания людей.

Анализ, который провел профессор Jue Zhang из Университета Пекина, выявил, что шум наиболее привлекательным наименованием «розовые шумы» может помочь окунуться в сон намного стремительнее.

Розовые шумы - это вид звука, в котором все октавы обладают равной мощью, или полностью согласованными частотами. Вообразите себе звук дождя, падающего на асфальт или ветра, который шелестит листву деревьев.

Шумы других цветов

Коричневый шум похож на звучание водопада. Знаменит он тем, что вступая в резонанс с органами человека, коричневый шум создает нарушение деятельности ЖКТ. При ярко выраженной насыщенности шум может причинить вред людям.
Шум синего цвета согласно звуковым чувствам наиболее резкий, чем шум белого цвета. Данный вид образуется вследствие изменений розового шума.
В мире не существует не только шума синего, но и фиолетового цвета. Возникает он благодаря спектральному анализу шумов коричневого и белого цвета.
Уникальность шума серого цвета состоит в том, что в целом диапазоне частот он содержит идентичную громкость для ушей людей. Спектр шума серого цвета возникает при сочетании шумов коричневого и белого цвета. Человек расценивает его аналогично белому.
Апельсиновый или шум оранжевого цвета обладает весьма трудным изложением с научной точки зрения. Но произвести его достаточно легко – вручите детям пластиковые сопрано-дудки и позвольте им погреметь.
Шум красного цвета присущ для водных ресурсов. Такого рода звук мы слышим от отдаленных объектов, которые есть в океане с берега.
Шумом природный среды является зеленый шум.
Черный шум – это то, чего иногда нам не хватает в городской суете: черный шум – это тишина.

Бесспорно, далеко не все в восторге от шума такого типа. Отдельные люди, напротив, становятся восприимчивее к фоновым звучаниям. Вероятно, кто-то из нас воспринимает бесконечный шум, как умиротворяющий поток, а кто-то выхватывает из него резкие отдельные ноты.

Влияние звуков на людей зависит от:

степени шума;
его характеристик и диапазона;
периода воздействия;
резонансных явлений.
состояния самочувствия;
личных особенностей людей и приспособленности организма.

Негативное воздействие шума проявляется во влиянии на эмоциональную установку, мотивацию, инициативу, бывает, но обычно никак не выражается в ухудшении работы, но тем не менее причиняет неудобство людям.

Могут быть неприятными шипение, колеблющийся шум, грохот и скрип; они уменьшают способность быстро и четко осуществлять координированные движения.

Мощный шум вызывает проблемы в распознавании цвета, способности определить время и расстояние, уменьшает качество зрения, изменяет визуальное восприятие.

В период с 18-45 мы способны с меньшими проблемами выдержать мощные шумы, чем более молодые или, наоборот, пожилые люди. Женщины намного лучше мужчин переносят шумы. Если вы обладаете повышенным давлением, то мощный шум будете переносить тяжелее, чем люди, у которых оно в норме. С другой стороны, в обычном жизненном пространстве люди не воспринимают обычные шумы. Без звуков человек существовать не может.

Если вокруг человека слишком тихо и спокойно, то это негативно воздействует на эмоциональный фон, ведь такого рода тишина непривычна для любого из нас.

КАТЕГОРИИ