Biały szum w medycynie, nauce i codziennym życiu. Jak wpływa na mózg i organizm człowieka

Definicja białego szumu

Biały szum (ang. white noise) to rodzaj sygnału losowego, który charakteryzuje się jednakową intensywnością we wszystkich częstotliwościach w danym zakresie, co oznacza płaską gęstość widmową mocy. Innymi słowy, biały szum zawiera pełne spektrum dźwięków o jednakowym natężeniu – podobnie jak białe światło zawiera wszystkie barwy widzialne (stąd zresztą pochodzi jego nazwa). W kontekście akustycznym jest to sygnał słyszany jako jednolity szum (przypominający szum telewizora lub radia nastawionego na niewłaściwą częstotliwość). Biały szum jest pojęciem stosowanym w wielu dziedzinach – od akustyki i elektroniki po statystykę i przetwarzanie sygnałów – jako model idealnego, całkowicie losowego sygnału tła.

Jak brzmi biały szum?

Posłuchaj białego szumu - wysoka jakość dźwięku

Właściwości białego szumu

Do najważniejszych cech i właściwości białego szumu należą:

Losowość i brak korelacji: próbki (momentowe wartości) sygnału białego szumu są całkowicie losowe i niepowiązane ze sobą. W modelu dyskretnym zakłada się, że każda próbka jest statystycznie niezależna od pozostałych oraz ma stałą charakterystykę (np. średnia równa zero i skończona wariancja). Dzięki temu biały szum nie wykazuje żadnego powtarzalnego wzorca.
Płaskie widmo mocy: biały szum ma równomiernie rozłożoną energię we wszystkich częstotliwościach danego pasma. Oznacza to, że w jednakowo wąskich pasmach częstotliwości zawiera on taką samą moc sygnału. Ta właściwość odróżnia go od innych „kolorów” szumu – dla porównania, np. szum różowy ma więcej energii w niskich częstotliwościach niż w wysokich.
Szerokopasmowość: idealny biały szum obejmuje nieskończenie szerokie pasmo częstotliwości, jednak w praktyce każdy rzeczywisty sygnał jest ograniczony pasmem urządzenia generującego czy medium transmisji. W zakresie słyszalnym (ok. 20 Hz – 20 kHz) biały szum obejmuje cały słyszalny zakres i jest odbierany jako charakterystyczne „syczenie”.
Maskowanie innych dźwięków: ze względu na obecność wszystkich częstotliwości, biały szum potrafi skutecznie zagłuszać (maskować) inne sygnały dźwiękowe. Jeśli w otoczeniu występuje stały biały szum o odpowiednim natężeniu, staje się on tłem, na którym pojedyncze odgłosy (np. rozmowy, odgłosy ulicy) są mniej wyraźne lub niesłyszalne.
Inne „kolory” szumu: biały szum jest jednym z wielu typów szumu określanych kolorami. Dla porządku warto wspomnieć, że istnieje także szum różowy, brązowy (czerwony), niebieski czy fioletowy – różnią się one rozkładem energii w widmie. Jednak biały szum definiuje się jako punkt odniesienia o jednakowej energii dla każdej częstotliwości.

Wpływ białego szumu na człowieka

Wpływ na sen i odpoczynek

Biały szum bywa powszechnie stosowany jako tło dźwiękowe ułatwiające zasypianie lub relaks. Jego zdolność maskowania nagłych hałasów otoczenia sprawia, że środowisko akustyczne staje się bardziej jednostajne, co może zapobiegać wybudzaniu się na skutek przypadkowych dźwięków. Według danych Światowej Organizacji Zdrowia aż około 25% populacji ma problemy ze snem spowodowane hałasem środowiskowym – stąd zainteresowanie wykorzystaniem białego szumu jako „zasłony akustycznej”. Rzeczywiście, niewielkie badanie przeprowadzone na grupie mieszkańców Nowego Jorku skarżących się na zaburzenia snu z powodu hałaśliwego otoczenia wykazało, że dodanie nocą urządzenia generującego biały szum poprawiło jakość ich snu. Uczestnicy zasypiali szybciej, rzadziej wybudzali się w nocy, a łączny czas czuwania po zaśnięciu uległ skróceniu. Wyniki te sugerują, że biały szum może skutecznie maskować zakłócające dźwięki i tym samym wspomagać ciągłość snu w głośnym środowisku.

Biały szum wykazuje również działanie uspokajające u niemowląt. Klasyczne badanie z 1990 roku opublikowane w periodyku pediatrycznym wykazało, że aż 80% noworodków zasnęło w ciągu 5 minut w obecności białego szumu. Dla porównania, w grupie kontrolnej bez takiego bodźca wskaźnik zasypiania był znacznie niższy. Interpretacją tego efektu jest fakt, że niemowlęta są przyzwyczajone do ciągłych odgłosów tła jeszcze z okresu płodowego – w łonie matki słyszą szum przepływającej krwi, bicie serca i inne monotonne dźwięki. W związku z tym absolutna cisza może być dla nich nienaturalna, podczas gdy jednostajny szum tworzy znajome warunki sprzyjające zaśnięciu. W praktyce wielu rodziców używa urządzeń emitujących biały szum (lub nagrań z szumem) jako metody na uspokojenie niemowlęcia czy złagodzenie kolki. Należy jednak zachować ostrożność – pediatrzy ostrzegają, że niektóre maszyny generujące szum mogą być zbyt głośne. Zaleca się, by natężenie dźwięku nie przekraczało bezpiecznego poziomu (około 50 dB) i aby urządzenie nie znajdowało się zbyt blisko łóżeczka. Ponadto istnieje ryzyko, że dziecko przyzwyczajone do zasypiania tylko przy białym szumie może mieć trudności z zaśnięciem bez tego bodźca.

Wpływ na funkcje poznawcze i koncentrację

Oddziaływanie białego szumu na funkcje poznawcze człowieka jest złożone i niejednoznaczne. Z jednej strony, badania wskazują na ciekawy efekt u osób z zaburzeniami uwagi. Zjawisko zwane stochastycznym rezonansem zakłada, że dodanie pewnego poziomu losowego szumu może poprawić odbiór sygnałów przez układ nerwowy poprzez polepszenie stosunku sygnału do szumu. Przykładem jest eksperyment przeprowadzony w grupie uczniów z różnym poziomem uwagi: stwierdzono, że umiarkowany biały szum w tle znacząco poprawiał wyniki zadań poznawczych u dzieci z deficytami uwagi (dzieci określonych jako „sub-uwagowe”, w tym z ADHD), podczas gdy u dzieci o ponadprzeciętnej koncentracji ten sam bodziec pogarszał wyniki zadań. Innymi słowy, dla osób mających trudności z koncentracją dodatkowy szum może działać pobudzająco i pomagać w skupieniu, natomiast dla osób dobrze skoncentrowanych stanowi zbędne obciążenie uwagi. Wyniki te zgadzają się z hipotezą, że mózgi osób z ADHD cechuje niższy poziom pobudzenia wewnętrznego i „dodanie” zewnętrznego szumu pomaga im osiągnąć optymalny poziom aktywności neuronów, podczas gdy u osób bez tych zaburzeń wprowadza to jedynie zakłócenie.

Również w warunkach pracy biurowej odnotowano mieszane skutki stosowania białego szumu. Z jednej strony, ciągły szum tła może maskować rozpraszające odgłosy (np. rozmowy współpracowników), co poprawia komfort, nastrój i subiektywną wydajność pracowników. Z drugiej strony, niektóre badania sygnalizują, że wykonywanie złożonych zadań poznawczych w obecności białego szumu może być trudniejsze i prowadzić do gorszych wyników, prawdopodobnie z uwagi na dodatkowe obciążenie uwagi. Łagodny szum może więc pomagać przy prostych lub monotonicznych czynnościach, ale przeszkadzać przy zadaniach wymagających intensywnej koncentracji albo przetwarzania informacji.

Możliwe skutki negatywne i kontrowersje

Choć biały szum jest szeroko stosowany i wielu ludzi chwali jego pozytywne działanie (np. łatwiejsze zasypianie czy lepsze skupienie), naukowcy zwracają uwagę na ograniczone dowody naukowe oraz potencjalne skutki uboczne. Przegląd systematyczny badań z 2021 roku wykazał, że jakość dowodów na poprawę snu dzięki ciągłemu szumowi jest bardzo niska. W analizowanych badaniach panowała duża rozbieżność wyników – w niektórych ciągły szum poprawiał parametry snu, w innych je pogarszał. Autorzy przeglądu zwracają uwagę, że zanim zaleci się powszechne stosowanie białego szumu jako pomocy nasennej, potrzebne są bardziej rygorystyczne badania – zwłaszcza że długa ekspozycja na szum może potencjalnie negatywnie wpływać na jakość snu i na słuch. Rzeczywiście, pojawiają się głosy ostrzegające, że stałe „karmienie” układu słuchowego losowym sygnałem może wywołać niekorzystne zmiany neuroplastyczne. Praca przeglądowa zespołu naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego sugeruje, że długotrwałe słuchanie białego szumu na poziomie umiarkowanym (60–70 dB, a więc uznawanym za bezpieczny) może prowadzić do zmian w centralnym układzie słuchowym podobnych do obserwowanych przy szumach usznych (tinnitus). U zwierząt doświadczalnych wykazano m.in. obniżenie zdolności neuronicznych do hamowania nieistotnych bodźców dźwiękowych, spowolnienie przetwarzania sygnałów akustycznych oraz mniej precyzyjne odwzorowanie informacji dźwiękowej w mózgu po długim okresie ekspozycji na jednostajny szum. Choć nie ma jeszcze jednoznacznych dowodów, że podobne zjawiska występują u ludzi, wyniki te stanowią sygnał ostrzegawczy. Wskazują, że ciągłe stosowanie białego szumu – zwłaszcza na dość wysokim poziomie głośności – może nie być obojętne dla układu nerwowego. Eksperci zalecają umiar: korzystać z białego szumu w razie potrzeby, ale nie nadużywać go i unikać nadmiernie wysokich głośności, aby nie przeciążać słuchu.

Zastosowania białego szumu w różnych dziedzinach

Dzięki swoim unikalnym właściwościom, biały szum znalazł szereg zastosowań praktycznych. Wykorzystuje się go w medycynie, nauce oraz technice, zarówno jako narzędzie pomocnicze dla człowieka, jak i jako element wielu technologii. Poniżej przedstawiono wybrane przykłady zastosowań białego szumu w tych obszarach.

Medycyna

Ułatwianie snu i relaksacji: Jak wcześniej wspomniano, biały szum jest stosowany jako niefarmakologiczna metoda poprawy snu. Urządzenia emitujące biały szum (tzw. generatory szumu) są polecane osobom mającym problemy z zaśnięciem, zwłaszcza gdy przyczyną jest hałaśliwe otoczenie. W szpitalach i oddziałach intensywnej opieki neonatologicznej szum bywa używany do uspokajania noworodków i tłumienia nagłych dźwięków aparatury medycznej, co ma sprzyjać spokojniejszemu snu pacjentów. Biały szum oferuje pewną przewagę nad środkami farmakologicznymi – nie powoduje bezpośrednich skutków ubocznych i może być łatwo włączony lub wyłączony w zależności od potrzeb.

Terapia szumów usznych (tinnitus): W audiologii biały szum jest powszechnie wykorzystywany do maskowania uciążliwego dzwonienia lub piszczenia w uszach. Specjalne urządzenia, zwane maskerami szumów usznych, generują ciągły szum o szerokim widmie, który „przykrywa” subiektywny szum słyszany przez pacjenta. Celem takiej terapii dźwiękiem jest złagodzenie odczuwania tinnitus oraz stopniowe przyzwyczajenie (habituacja) mózgu do ignorowania tych wewnętrznych dźwięków. Badania wskazują, że u części pacjentów terapia dźwiękowa może skutecznie tłumić objawy tinnitus, choć efekty są indywidualne i nie u wszystkich chorych obserwuje się poprawę. Warto dodać, że użycie białego szumu w tym kontekście bywa dyskutowane – jak wspomniano wyżej, pojawiają się sugestie, że ciągłe stosowanie szumu może potencjalnie utrwalać pewne niekorzystne zmiany w układzie słuchowym. Mimo to, maskowanie szumów usznych za pomocą białego (lub różowego) szumu pozostaje jedną z najczęściej stosowanych metod łagodzenia tinnitus ze względu na swoją prostotę.

Badania słuchu i diagnostyka: Biały szum pełni również rolę narzędzia diagnostycznego. W badaniu audiometrycznym (słuchu) wykorzystuje się tzw. maskowanie – do ucha niebadanego podaje się szum (często biały lub wąskopasmowy), aby odizolować drugie ucho i uzyskać wiarygodny pomiar progu słyszenia. Dzięki takiemu szumowi zagłusza się dźwięki przechodzące na drugą stronę poprzez przewodnictwo kostne. Ponadto, w neurologii eksperymentalnej używa się białego szumu do testowania reakcji mózgu na bodźce – np. w badaniach nad przetwarzaniem sensorycznym podaje się kontrolowany szum, aby ocenić, jak układ nerwowy filtruje informacje istotne od nieistotnych.

Wspomaganie koncentracji i terapii ADHD: W kontekście psychiatrii i psychologii rozwojowej pojawiły się próby zastosowania białego szumu w terapii lub edukacji dzieci z ADHD. Skoro badania wykazały, że szum może poprawiać ich wyniki poznawcze, sugeruje się, że wykorzystywanie umiarkowanego białego szumu w tle (np. na słuchawkach podczas nauki) mogłoby pomóc w utrzymaniu uwagi. Istnieją już komercyjne rozwiązania (np. aplikacje czy urządzenia) dedykowane osobom z ADHD, emitujące specjalnie dostosowane szumy w celu poprawy koncentracji. Ta metoda nie jest jeszcze standardem klinicznym, ale stanowi ciekawy przykład przeniesienia wyników badań naukowych do potencjalnej praktyki.

Nauka

Badania naukowe i eksperymenty: Biały szum jest często wykorzystywany jako narzędzie w eksperymentach naukowych ze względu na swoją przewidywalną charakterystykę statystyczną. W psychologii eksperymentalnej używa się szumu do maskowania bodźców zakłócających – np. podczas badań nad percepcją, aby odizolować badany efekt, w tle może być odtwarzany biały szum eliminujący wpływ przypadkowych dźwięków. Również w badaniach neurologicznych szum służy do stymulacji słuchowej w kontrolowanych warunkach. Ponadto zjawisko stochastycznego rezonansu, w którym dodanie szumu poprawia detekcję słabego sygnału, badane jest w neurobiologii i biofizyce – dotyczy to np. czułości zmysłów: wykazano, że pewien poziom „szumu” może poprawić czułość słuchu czy dotyku przy bardzo słabych bodźcach.

Modelowanie i symulacje komputerowe: W statystyce i naukach o danych biały szum odgrywa istotną rolę jako model przypadkowych błędów lub zakłóceń. W modelach prognostycznych (np. modele ARIMA w ekonomii czy meteorologii) zakłada się, że reszty modelu mają charakter białego szumu – czyli są nieprzewidywalne i nie wykazują autokorelacji. Odchylenia od tej idealnej własności sygnalizują, że model nie uchwycił jakiegoś wzorca w danych. Biały szum jest też podstawą techniki Monte Carlo, gdzie generuje się dużą liczbę losowych realizacji (liczb pseudolosowych o właściwościach zbliżonych do białego szumu) w celu symulowania złożonych procesów. W informatyce istnieją sprzętowe generatory liczb losowych bazujące na fizycznych źródłach szumu białego – np. na zjawisku szumu termicznego w rezystorze czy na niestabilnych zachowaniach układów elektronicznych. Takie podejście pozwala uzyskać prawdziwie losowe ciągi liczb wykorzystywane w kryptografii i innych zastosowaniach.

Inżynieria i testowanie systemów: Inżynierowie często sięgają po biały szum jako sygnał testowy. W elektronice i akustyce używa się go do pomiaru charakterystyk częstotliwościowych układów – przykładowo, doprowadzając do wzmacniacza biały szum i analizując widmo sygnału na wyjściu, można wyznaczyć odpowiedź impulsową i pasmo przenoszenia danego układu. Biały szum zawiera wszystkie częstotliwości, dzięki czemu zastępuje potrzebę generowania wielu tonów testowych; jest to wygodne narzędzie do badania liniowości i zniekształceń. W praktyce pomiary akustyczne częściej korzystają z szumu różowego (o wyrównanej energii w pasmach oktawowych) ze względu na specyfikę ludzkiego słuchu i sprzętu audio, niemniej jednak koncepcja jest podobna. Biały szum stanowi też tło wielu zjawisk fizycznych – np. wspomniany szum termiczny w elementach elektronicznych (tzw. szum Johnsona-Nyquista) jest modelowany właśnie jako biały szum w pewnym zakresie częstotliwości. Zrozumienie i ujęcie takiego szumu w model pozwala inżynierom projektować układy o lepszej odporności na zakłócenia.

Technologia

Maskowanie dźwięków i prywatność: W nowoczesnych biurach typu open space oraz w instytucjach medycznych coraz częściej instaluje się systemy maskowania dźwięku oparte na generowaniu jednolitego szumu tła. Choć profesjonalne systemy są zazwyczaj dostrajane spektralnie (często to szum różowy lub specjalnie ukształtowany), potocznie mówi się o nich „maszyny białego szumu”. Ich zadaniem jest zwiększenie prywatności mowy i zmniejszenie rozproszeń – cichy szum w głośnikach sprawia, że rozmowy oddalonych osób stają się niezrozumiałe i stapiają się z tłem. Takie rozwiązania poprawiają komfort akustyczny: poufne rozmowy w gabinecie lekarskim nie są przypadkowo podsłuchiwane, a pracownicy biurowi rzadziej rozpraszają się rozmowami kolegów. Badania z zakresu ergonomii akustycznej wskazują, że odpowiednio dobrane maskowanie dźwiękiem może podnieść zadowolenie z warunków pracy i obniżyć stres związany z hałasem.

Elektronika użytkowa: Biały szum stał się również produktem konsumenckim. Na rynku dostępne są przenośne generatory białego szumu czy aplikacje na smartfony, które odtwarzają szum (lub pokrewne dźwięki, jak odgłos deszczu czy fal) w celu wyciszenia otoczenia. Urządzenia takie są wykorzystywane nie tylko do snu, ale też do nauki czy medytacji. Wiele osób korzysta z nich, by odciąć się od rozpraszających dźwięków w bibliotece, samolocie czy w biurze. Co ciekawe, już w latach 60. pojawiły się pierwsze domowe urządzenia tego typu – za prototyp można uznać maszynkę Sleep-Mate skonstruowaną w 1962 roku, która wykorzystywała mechanicznie generowany szum do poprawy snu. Dzisiejsze urządzenia są znacznie bardziej zaawansowane, oferując różne „kolory” szumu i regulację głośności oraz timery.

Audio i muzyka: W technologiach audio biały szum znajduje wiele zastosowań. Realizatorzy dźwięku używają szumu (często różowego) do kalibracji systemów nagłośnienia i ustawiania equalizerów – dzięki analizie szumu odtwarzanego przez głośniki można skorygować charakterystykę pomieszczenia. W produkcji muzycznej generatory szumu są standardowym elementem syntezatorów – biały szum służy do kreowania brzmień perkusyjnych (jak dźwięk werbla czy talerzy, które w dużej mierze składają się z szumu w widmie). Dodanie odrobiny szumu w syntezie potrafi „ożywić” brzmienie instrumentów elektronicznych, dając im bardziej naturalny charakter. Innym zastosowaniem jest tzw. dithering w cyfrowym przetwarzaniu audio – przed kwantyzacją sygnału dodaje się bardzo cichy biały szum, by zrandomizować błąd zaokrągleń. Paradoksalnie poprawia to jakość odsłuchu, ponieważ niweluje niepożądane skorelowane zniekształcenia, zamieniając je właśnie w nieszkodliwy szum. Wreszcie, warto wspomnieć, że w telekomunikacji szum biały bywa modelem zakłóceń transmisyjnych (tzw. szum Gaussowski). Symulując kanały komunikacyjne, inżynierowie dodają do sygnałów właśnie szum o charakterystyce białej, aby testować odporność kodów korekcyjnych, protokołów i urządzeń na losowe błędy.

Biały szum to interesujące zjawisko akustyczne

Biały szum jest fascynującym zjawiskiem o dualnym charakterze: z jednej strony to matematyczny model chaosu, a z drugiej – praktyczne narzędzie przynoszące wymierne korzyści. Jego płaskie widmo i zdolność maskowania dźwięków sprawiają, że od lat wykorzystuje się go do poprawy komfortu życia – od usypiania niemowląt i zapewniania spokojnego snu dorosłym, po wspomaganie koncentracji i terapię szumów usznych. Badania naukowe potwierdzają niektóre z tych korzyści (np. skracanie czasu zasypiania czy poprawę uwagi u osób z ADHD), ale jednocześnie przypominają o zdrowym rozsądku w stosowaniu białego szumu. Nie jest to cudowne panaceum: jego skuteczność może zależeć od indywidualnych cech człowieka i kontekstu, a nieodpowiednie użycie (np. zbyt głośno lub zbyt długo) może rodzić skutki uboczne. Niemniej jednak, biały szum pozostaje cennym elementem wielu technologii i metod terapeutycznych. Jego wszechstronność – od medycyny, przez naukę, po technikę – świadczy o uniwersalności tego zjawiska. Właściwie dozowany i zastosowany, biały szum może poprawić jakość życia w hałaśliwym świecie, zapewniając nam odrobinę kontrolowanego spokoju w akustycznym chaosie codzienności.