ホワイトノイズとは具体的に何ですか？

Question

現在、ノイズのことについて調べております。

ホワイトノイズや、ブラウンノイズ、ピンクノイズなどがあり、
wikiには「ホワイトノイズは全ての周波数で同じ強度となるノイズである。」と書いてあり、
他のページを見ると「音声に載るノイズ」というような事ばかり出てきました。

音に限らず、ノイズの形がすべての範囲で一定であるものはホワイトノイズなのでしょうか？
例えば、電子機器を用いてＡを100回測定、Ｂを100回測定、Ｃを100回、Ｄを100回・・・・と測定したときにそれぞれで生じる偶然誤差が、すべて一定の範囲内にある場合、ホワイトノイズと言ってしまって良いのでしょうか？

よろしくお願いします。

Tann3 · Accepted Answer

No.1です。

＞回路内で意図的に発生させようとしない場合には、ホワイトノイズなどは発生しないということでしょうか？

自然発生的にNo.1に書いたような「ホワイトノイズ」が発生することはないと思います。

ただ、主にオーディオの世界で、オーディオ回路に乗っかっている「残留ノイズ」「デバイスノイズ」「定常ノイズ」といったような、原因の特定が難しい、広範囲な周波数のノイズ、という意味で「ホワイトノイズ」と称することがあるようですね。
　これは、その周波数成分がどうなっているかということとは無関係のようです。

これらのノイズは、回路素子の中の非線形要素や熱雑音、電源からのノイズ（交流電源としては50/60Hzの低周波ですが、デジタル回路には種々のスイッチング電源や高周波が存在するので、そういったものの影響）、周辺からの電磁波など、いろいろな影響があると思います。オーディオ装置で無音状態（入力がない状態）でボリュームを上げていくと「サー」とか「ブーン」とか聴こえてくる音です。「ブーン」はほぼ50/60Hz電源のノイズなので、「サー」の方を世間では通称「ホワイトノイズ」と呼ぶことがあるようです。（ただし、これは物理用語とは異なることに注意）
　この「サー」は、古い音源の場合は元々の音源の「録音テープ」に含まれるヒステリシス・ノイズであることもありますし、最近の音源であれば、録音機材に含まれる残留ノイズ（音源そのものに含まれるので、再生機器での除去は不可能）、再生機器で付加される電源ノイズや残留ノイズということであって、必ず何らかの要因があります。ただし、人知では切り分け・特定が難しい、ということです。ご質問の中にある「測定したときにそれぞれで生じる偶然誤差」という「測定」に関する誤差とは、これまた切り離して議論しないといけません。

質問者さんが問題にしたい「ホワイトノイズ」は、この「物理学」カテではNo.1に書いたような意味だと思いますが、どうなのでしょうか。学術的な議論に、Web上でググッた一般通称用語を持ち込むと、よくこういう混乱が起きます。注意して、用語の定義を明確にして議論しましょう。

tadys · Answer

ホワイトノイズや、ブラウンノイズ、ピンクノイズなどについては他の回答者の言う通り。

＞、回路内で意図的に発生させようとしない場合には、ホワイトノイズなどは発生しないということでしょうか？

いいえ
抵抗をもつものはその抵抗値と温度を掛けたものの平方根に比例する雑音を発生します。
これを熱雑音と言います。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E9%9B%91%E9%9F%B3
熱雑音とは物理的な現象であって、抵抗値と温度が決まると必ず発生するノイズです。
その為、宇宙からの電波を受信する場合などでは受信機を極低温に冷却して使用する事が有ります。

半導体などでは、熱雑音以外の雑音が発生します。
これは動作条件で異なってくるので低雑音のアンプを設計する時には使用する素子、バイアス条件、入力の抵抗値などを考慮して設計する必要が有ります。

ここに２ＳＡ１５８７のデータシートが有ります。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/info/docget.jsp?type=datasheet&lang=ja&pid=2SA1587
この４頁にNF – RG, ICのグラフが有ります。
ＮＦ（ノイズ フィギュア）は信号がその素子を通過する事でＳ／Ｎがどれだけ悪化するかを示す指標です。
動作条件や周波数によりＮＦが異なる事が分かるでしょう。

ところで、ノイズと言うのは主観的な問題であって、立場が異なれば信号とノイズが入れ替わる事が有ります。
例えば、ペンジアスとウィルソンは1965年に衛星通信の実験をしている時に原因不明のノイズを調べていてそれが宇宙のいたるところから来る事を発見しました。彼らはこれでノーベル賞を受賞しています。その後、このノイズが宇宙ビッグバン初期の情報をもたらす事が知られて、天文学者は熱心ににこのノイズを受信するようになりました。
ペンジアスとウィルソンにとってはノイズだったものが、天文学者にとっては信号になったわけです。

身近な例で言えば、電車の中の携帯電話での通話が原因で喧嘩になる事が有りますが、携帯を掛けている人にとっては携帯での通話は信号ですが、周りの乗客にはノイズなわけです。

tadys · Answer

ホワイトノイズや、ブラウンノイズ、ピンクノイズなどについては他の回答者の言う通り。

＞、回路内で意図的に発生させようとしない場合には、ホワイトノイズなどは発生しないということでしょうか？

いいえ
抵抗をもつものはその抵抗値と温度を掛けたものの平方根に比例する雑音を発生します。
これを熱雑音と言います。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E9%9B%91%E9%9F%B3
熱雑音とは物理的な現象であって、抵抗値と温度が決まると必ず発生するノイズです。
その為、宇宙からの電波を受信する場合などでは受信機を極低温に冷却して使用する事が有ります。

半導体などでは、熱雑音以外の雑音が発生します。
これは動作条件で異なってくるので低雑音のアンプを設計する時には使用する素子、バイアス条件、入力の抵抗値などを考慮して設計する必要が有ります。

ここに２ＳＡ１５８７のデータシートが有ります。
http://www.semicon.toshiba.co.jp/info/docget.jsp?type=datasheet&lang=ja&pid=2SA1587
この４頁にNF – RG, ICのグラフが有ります。
ＮＦ（ノイズ フィギュア）は信号がその素子を通過する事でＳ／Ｎがどれだけ悪化するかを示す指標です。
動作条件や周波数によりＮＦが異なる事が分かるでしょう。

ところで、ノイズと言うのは主観的な問題であって、立場が異なれば信号とノイズが入れ替わる事が有ります。
例えば、ペンジアスとウィルソンは1965年に衛星通信の実験をしている時に原因不明のノイズを調べていてそれが宇宙のいたるところから来る事を発見しました。彼らはこれでノーベル賞を受賞しています。その後、このノイズが宇宙ビッグバン初期の情報をもたらす事が知られて、天文学者は熱心ににこのノイズを受信するようになりました。
ペンジアスとウィルソンにとってはノイズだったものが、天文学者にとっては信号になったわけです。

身近な例で言えば、電車の中の携帯電話での通話が原因で喧嘩になる事が有りますが、携帯を掛けている人にとっては携帯での通話は信号ですが、周りの乗客にはノイズなわけです。

Tann3 · Answer

いずれも、ノイズを構成する周波数成分の特性の違いによるものです。

ホワイトノイズは、すべての周波数をほぼ均等に持つノイズです。特定の周波数に偏っていない、ということです。
　ホワイトノイズを入力して、出力の周波数特性を調べれば、出力の周波数特性のデコボコが、その回路の周波数特性（入力に対する出力の特性）となるわけです。正弦波を低周波数から高周波数にスイープして出力特性を測るよりも、より現実の作動状態での動特性が把握できます。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9B%E3%83%AF%E3%82%A4%E3%83%88%E3%83%8E%E3%82%A4%E3%82%BA

「音に限らず、ノイズの形がすべての範囲で一定であるものはホワイトノイズなのでしょうか？
例えば、電子機器を用いてＡを100回測定、Ｂを100回測定、Ｃを100回、Ｄを100回・・・・と測定したときにそれぞれで生じる偶然誤差が、すべて一定の範囲内にある場合、ホワイトノイズと言ってしまって良いのでしょうか？」
と書かれている意味が良くわかりませんが、「ホワイトノイズ」は観測されるノイズではなく、所定の周波数特性になるように作った人工的なノイズ、ということです。

同様に、ピンクノイズは周波数が高くなるほど周波数成分が少なくなる特性を持ったノイズです。周波数が高くなるほど、同じ振幅の波の持つエネルギーは大きくなるので、ピンクノイズはすべての周波数でエネルギーを均等にしたノイズということになります。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%94%E3%83%B3%E3%82%AF%E3%83%8E%E3%82%A4%E3%82%BA

ブラウンノイズというのは知りませんでしたが、調べてみると、ピンクノイズの周波数特性をさらに極端にして、高い周波数ほど大きく（周波数の自乗に反比例して）減衰する特性を持つもののようです。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%96%E3%83%A9%E3%82%A6%E3%83%8B%E3%82%A2%E3%83%B3%E3%83%8E%E3%82%A4%E3%82%BA

以上をまとめると、各々次の周波数特性を持つように人工的に作ったノイズ、ということです。電気回路の特性や、音楽ホールの音響特性などを調べるときに、こういったノイズを入力して、どのような出力・反応が出るかを測定して特性を把握したり、補正を加えた特性変化を調べるときに用いるのが目的です。

ホワイトノイズ：周波数によらない一定の周波数特性
　ピンクノイズ：周波数によって　1/f　で減衰する周波数特性
　ブラウンノイズ：周波数によって　1/f^2　で減衰する周波数特性

ホワイトノイズとは具体的に何ですか？

No.1です。

ホワイトノイズや、ブラウンノイズ、ピンクノイズなどについては他の回答者の言う通り。

ホワイトノイズや、ブラウンノイズ、ピンクノイズなどについては他の回答者の言う通り。

いずれも、ノイズを構成する周波数成分の特性の違いによるものです。

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　いずれも、ノイズを構成する周波数成分の特性の違いによるものです。