Кіріспе

Октаваға тең энергиясы бар сигнал [[Файл:2D қызғылт шу.png|thumb|right|Компьютерлік бағдарламамен жасалған екі өлшемді қызғылт шудың сұр түсті кескіні. Табиғатта кездесетін кейбір құбылыстарға ұқсас қуат спектрі тән. Ол көбінесе кәсіби аудио жүйелерде динамиктерді реттеу үшін қолданылады. Қызғылт шу – биологиялық жүйелерде ең көп кездесетін сигналдардың бірі. Атауы осы қуат спектріне тән жарықтың қызғылт түсінен шыққан. Бұл, жиілік аралығында тең интенсивтілікке ие ақ шудан өзгеше.

Ұрпақ

[[Файл:Ақ түстен қызғылт түске дейін.png|thumb|500px|Бір өлшемді ақ шу сигналымен конволюцияланатын кеңістіктік сүзгі, қызғылт шу сигналын жасау үшін қолданылады.

Автокорреляция

Ақ шудан өзгеше, сигналында өзара байланыс болмаса, қызғылт шу сигналы өзімен-өзі келесідей байланысты болады.

1D сигналы

Бір өлшемді қызғылт шу сигналының (дискретті жиіліктерден тұратын) Пирсонның корреляциялық коэффициенті, конфигурация (кеңістік немесе уақыт) доменіндегі белгілі бір қашықтықта өзімен салыстырылғанда: Handel & Chung, 1993 жылғы мақалаларын және ондағы сілтемелерді қараңыз. Оның кездесу мысалдарына, су тасқыны мен өзен деңгейінің құбылулары, квазардың жарық шығарылымдары, жүрек соғуы, жеке нейрондардың қоздырылуы, қатты күйдегі электроникадағы кедергі және жарқырау шуын тудыратын бір молекуланың өткізгіштік сигналдары жатады. Қызғылт шу көптеген табиғи бейнелердің статистикалық құрылымын сипаттайды. Жалпы 1/fα шуы көптеген физикалық, биологиялық және экономикалық жүйелерде кездеседі, ал кейбір зерттеушілер оны кең таралған деп сипаттайды. Физикалық жүйелерде олар кейбір метеорологиялық деректер тізбектерінде және кейбір астрономиялық денелердің электромагниттік сәулеленуінде кездеседі. Биологиялық жүйелерде олар, мысалы, жүрек соғуының ырғағында, нейрондық белсенділікте және ДНК тізбектерінің статистикасында жалпы үлгі ретінде кездеседі. Қызғылт шудың маңыздылығына қолжетімді кіріспе Мартин Гарднердің (1978) «Математикалық ойындар» атты ғылыми американдық бағанында келтірілген. Бұл бағанда Гарднер музыка табиғатты қалай еліктейтінін сұрады. Табиғаттағы дыбыстар музыкалық емес, себебі олар тым қайталанатын (құстардың әндері, жәндіктердің шуы) немесе тым хаостық (океан толқындары, ағаштардағы жел және т.б.) болып келеді. Бұл сұраққа статистикалық тұрғыдан Восс пен Кларк (1975, 1978) жауап берді, олар сөйлеу мен музыкадағы биіктік пен дыбыс деңгейінің құбылулары қызғылт шу екенін көрсетті. Демек, музыка – су тасқыны сияқты, оның дыбысы емес, оның деңгейінің өзгеруімен ұқсас.

Адамдар

Мида қызғылт шу иондық каналдардың ашылу-жабылуынан бастап, адамдардағы ЭЭГ, МЭГ және ЛФП тіркелімдеріне дейін, көптеген уақыт және физикалық масштабтарда кеңінен байқалады. Клиникалық ЭЭГ-да осы 1/f қызғылт шудан ауытқулар эпилепсияны, тіпті ұстама болмаған кезде немесе интерэктальдық күйде анықтауға мүмкіндік береді. ЭЭГ генераторларының классикалық модельдері EEG/MEG сигналдарында байқалатын 1/f қуат спектрін жасау үшін сұр заттағы дендриттік кірістердің басты рөл атқаратынын көрсетті. Дегенмен, кабельдік теорияны қолданған жаңағы компьютерлік модельдер мидағы ақ зат жолдары арқылы әрекет потенциалының берілуі де 1/f спектрлік тығыздықты тудыратынын көрсетті. Сондықтан, ақ заттың сигнал беруі бас терісінде өлшенген қызғылт шуға да үлес қосуы мүмкін. Бұл сондай-ақ психологиядағы психикалық күйлерді модельдеуде сәтті қолданылды және әртүрлі мәдениеттер мен тарихи кезеңдердегі музыканың стильдік айырмашылықтарын түсіндіру үшін пайдаланылды. Ричард Ф. Восс және Дж. Кларк барлық музыкалық мелодиялар, әрбір кезекті ноталардың биіктік шкаласында көрсетілгенде, қызғылт шу спектріне ұмтылатынын мәлімдейді. Сол сияқты, Корнелл университетінің зерттеушісі Джеймс Э. Каттинг 1935 жылдан 2005 жылға дейін шыққан 150 танымал фильмді зерттеу барысында фильм кадрларының ұзақтығында жалпы қызғылт түсті таралу үлгісін байқады. Қызғылт шу адамның реакциясында эндемикалық екені де анықталды. Гилден және авторлар (1995) уақыт пен кеңістіктегі интервалдарды қайталап өндіруден пайда болған уақыт қатарларында осы шудың өте таза мысалдарын тапты. Кейін Гилден (1997) және Гилден (2001) реакция уақытын өлшеуден және екі баламалы мәжбүрлі таңдауды қайталаудан құралған уақыт қатарлары да қызғылт шу тудыратынын анықтады.

Электрондық құрылғылар

Электрондық құрылғылардағы қызыл шудың негізгі көздері – құрылғылардың конденсирленген материалдарының қасиеттеріндегі баяу ауытқулар болып табылады. Көп жағдайда ауытқулардың нақты себептері белгілі. Оларға металдардағы ақаулардың өзгермелі конфигурациялары, жартылай өткізгіштердегі тұзақтардың толтылуындағы өзгерістер және магниттік материалдардағы домендік құрылымдардың өзгерістері жатады. Қызғылт спектрлік форманың түсіндірмесі салыстырмалы түрде қарапайым, әдетте ауытқу процестерінің кинетикалық белсенділік энергиясының таралуынан туындайды. Типик шу экспериментінің жиілік диапазоны (мысалы, 1 Гц – 1 кГц) әдеттегі микроскопиялық "әрекет ету жиіліктерімен" (мысалы, 1014 Гц) салыстырғанда төмен болғандықтан, Аррениус теңдеуіндегі экспоненциалдық факторлар үлкен шамаға ие. Осы экспоненталардағы белсенділік энергиясының шағын таралуы, сипаттамалық жылдамдықтардың кең таралуына әкеледі. Ең қарапайым жағдайда, белсенділік энергиясының біртегіс таралуы дәл қызғылт спектрді қамтамасыз етеді, себебі электроникадағы қызғылт шудың ең төменгі шегі белгілі емес. 10−6 Гц-ке дейін жүргізілген (бірнеше аптаға созылған) өлшемдер қызыл шу мінез-құлқының тоқтағанын көрсетпеді. (Клейнпеннинг, де Куйпер, 1988) шулы көміртекті резистордағы кедергіні өлшеді және 9,5 ондық диапазонға айналатын 1/f шулы мінез-құлқына тапты. Бұл саладағы пионер зерттеуші – Альдерт ван дер Зил. Фликер шуы электрондық құрылғылардың сенімділігін бағалау үшін жиі қолданылады. Сонымен қатар, ол арнайы өлшеу орналымдары арқылы химиорезистентті сенсорларда газды анықтау үшін де қолданылады.

Гравитациялық толқын астрономиясында

1/f α шулары, α шамасы 1-ге жақын болғанда, гравитациялық толқын астрономиясында маңызды рөл атқарады. Өте төмен жиіліктердегі шу қисығы пульсар уақыт массивтеріне, Еуропалық пульсар уақыт массивіне (EPTA) және болашақ Халықаралық пульсар уақыт массивіне (IPTA) әсер етеді; төмен жиіліктердегі ғарышқа орналастырылған детекторлар, бұрынғы ұсынылған Лазерлік интерферометрлік ғарыш антеннасы (LISA) және қазіргі ұсынылған жақсартылған Лазерлік интерферометрлік ғарыш антеннасы (eLISA), ал жоғары жиіліктерде жердегі детекторлар, бастапқы Лазерлік интерферометрлік гравитациялық толқын обсерваториясы (LIGO) және оның жетілдірілген конфигурациясы (aLIGO) қолданылады. Ықтимал астрофизикалық көздердің сипаттамалық деформациясы да көрсетілген. Сигналды анықтау үшін оның сипаттамалық деформациясы шу қисығынан жоғары болуы керек.

Климаттың динамикасы

Климаттық прокси деректерде онжылдықтарға созылған қызғылт шулар анықталды, бұл климат жүйесіндегі процестердің күшеюіне және байланысына нұсқауы мүмкін.

Диффузиялық процестер

Көптеген уақытқа тәуелді стохастикалық процестерде α-ның 0 мен 2 аралығындағы 1/fα шулары кездеседі. Атап айтқанда, Браун қозғалысының қуат спектрлік тығыздығы 4D/f² тең, мұнда D – диффузиялық коэффициент. Бұл спектрдің түрі кейде Браун шуы деп аталады. Қызығы, жеке Браун қозғалысы траекторияларын талдау, кездейсоқ амплитудалармен болғанымен, 1/f² спектрін көрсетеді. Хёрст экспоненті H-мен фракциялық Браун қозғалысы да 1/fα қуат спектрлік тығыздығын көрсетеді, мұнда α = 2H + 1 субдиффузиялық процестер үшін (H < 0,5) және α = 2 супердиффузиялық процестер үшін (0,5 < H < 1).

Шығу тегі

Қызыл шудың пайда болу тегі туралы көптеген теориялар бар. Кейбір теориялар әмбебап болуға тырысады, ал басқалары тек жартылай өткізгіштер сияқты белгілі бір материалдарға ғана қолданылады. Қызыл шудың әмбебап теориялары қазіргі зерттеулердің қызығушылығын тудырады. Статистикалық орталық шектеу теоремасына байланысты математикалық жинақталу теоремасы негізінде қызыл шудың пайда болуын түсіндіру үшін Твиди гипотезасы деп аталатын гипотеза ұсынылған. Твиди жинақталу теоремасы Твиди үлестірімдері деп аталатын статистикалық модельдер отбасына қатысты белгілі бір статистикалық процестердің жинақталуын сипаттайды. Бұл үлестірімдер орташа мәнге шағылысқан дисперсия заңымен сипатталады, ол экологиялық әдебиетте Тейлор заңы, ал физика әдебиетінде флуктуациялық масштабтау ретінде әртүрлі анықталған. Егер орташа мәнге шағылысқан дисперсия заңы санау жинағын кеңейту әдісімен көрсетілсе, онда қызыл шудың бар екендігін білдіреді, және керісінше. Қызыл шуды жасау үшін әртүрлі математикалық модельдер бар. Өзін-өзі ұйымдастырушы сындықтық құм үйіндісі модельдерінде қызыл шуды қайта жасай білсе де, оларда Гаусс үлестірімі немесе күтілетін басқа да статистикалық қасиеттер жоқ. Оны компьютерде, мысалы, ақ шуды сүзгілеу, кері Фурье түрлендіруі немесе стандартты ақ шуды өндірудің көп жылдамдықты нұсқалары арқылы жасауға болады. Стохастикалық дифференциалдық теңдеулердің шамамен еркін теориясында 1/f шуы – топологиялық суперсимметрияның спонтанды түрде бұзылуының бір көрінісі болып табылады. Бұл суперсимметрия барлық стохастикалық дифференциалдық теңдеулердің ішкі қасиеті болып табылады және оның мағынасы – фазалық кеңістіктің үздіксіз уақыт динамикасымен үздіксіздігін сақтау. Бұл суперсимметрияның спонтанды түрде бұзылуы – детерминистік хаос тұжырымының стохастикалық жалпыламасы, ал ұзақ мерзімді динамикалық жадтың немесе тәртіптің пайда болуы, яғни 1/f және сыңғырлау шулары, көбелек эффектісі және т.б. – спонтанды түрде бұзылған топологиялық суперсимметрияға Голдстоун теоремасының қолданылуының салдары болып табылады.

Дыбыс сынағы

Қызғылт шу дыбыс күшейткіш жүйелердегі динамиктерді сынау үшін кеңінен қолданылады, нәтижесіндегі дыбыс тыңдау орналысындағы сынақ микрофонымен өлшеніп, спектр анализаторына қосылады. Қызғылт шуды аудио жүйелерді орнататын мердігерлер және автоматты теңестіру мүмкіндігі бар компьютерлік дыбыс жүйелері әлі де пайдаланады. Өндірісте қызғылт шу аудио күшейткіштер және басқа да компоненттерді сынау сигналы ретінде жиі қолданылады, бұл компоненттің ұзақ пайдалану кезінде өнімділігін сақтайтынын анықтауға көмектеседі. Тұтынушылардың қызғылт шу арқылы наушниктерін "жақсылап сынау" арқылы жоғары сапалы дыбысқа қол жеткізу процесі аудиофильдер арасында "аңыз" деп есептеледі.