语音相关

Posted 2020-07-03 cancanw

    

    语音信号也还蛮有意思的。

    声音最直接的表示方式是波形，英文叫waveform，就是你贴的左边那张图。另外两种表示方式（频谱和语谱图）下文再说。波形的横轴是时间（所以波形也叫声音的时域表示），纵轴的含义并不重要，可以理解成位移（声带或者耳机膜的位置）或者压强。

  

    当横轴的分辨率不高的时候，语音的波形看起来就是像你贴的图中一样，呈现一个个的三角形。这些三角形的轮廓叫作波形的包络（envelope）。包络的大小代表了声音的响度。一般来说，每一个音节会对应着一个三角形，因为一般地每个音节含有一个元音，而元音比辅音听起来响亮。但例外也是有的，比如：1) 像/s/这样的音，持续时间比较长，也会形成一个三角形；2) 爆破音（尤其是送气爆破音，如/p/）可能会在瞬时聚集大量能量，在波形的包络上就体现为一个脉冲。

     下面这张图中上方的子图，是我自己读单词pass /pæs/的录音。它的横坐标已经被我拉开了一些，但其实这个波形是由两个“三角形”组成的。0.05秒处那个小突起是爆破音/p/，0.05秒到0.3秒是元音/æ/，0.3到0.58秒是辅音/s/。

           

       

    如果你把横轴的分辨率调高，比如只观察0.02s秒甚至更短时间内的波形，你就可以看到波形的精细结构（fine structure），像上图的下面两个子图。波形的精细结构可能呈现两种情况：一种是有周期性的，比如左边那段波形（图中显示了两个周期多一点），这种波形一般是元音或者辅音中的鼻音、浊擦音以及/l/、/r/等；另一种是乱的，比如右边那段波形，这种波形一般是辅音中的清擦音。辅音中的爆破音，则往往表现为一小段静音加一个脉冲（如pass开头的/p/）。

       看完了声音的时域表示，我们再来看它的频域表示——频谱（spectrum）。它是由一小段波形做傅里叶变换（Fourier transform）之后取模得到的。注意，必须是一小段波形，太长了弄出来的东西（比如你贴的右边的图）就没意义了！这样的一小段波形（通常在0.02~0.05s这样的数量级）称为一帧（frame）。下面是我读的pass的波形中，以0.17s和0.4s为中心截取0.04s波形经傅里叶变换得到的频谱。频谱的横轴是频率；我录音的采样率用的是16000 Hz，频谱的频率范围也是0 ~ 16000 Hz。但由于0 ~ 8000 Hz和8000 ~ 16000 Hz的频谱是对称的，所以一般只画0 ~ 8000 Hz的部分。

    

     

     第一个频谱是元音/æ/的频谱，可以看到它的精细结构是有周期性的，每隔108 Hz出现一个峰。从这儿也可以看出来，语音不是一个单独的频率，而是由许多频率的简谐振动叠加而成的。第一个峰叫基音，其余的峰叫泛音。第一个峰的频率（也是相邻峰的间隔）叫作基频（fundamental frequency），也叫音高（pitch），常记作。有时说“一个音的频率”，就是特指基频。基频的倒数叫基音周期。你再看看上面元音/æ/的波形的周期，大约是0.009 s，跟基频108 Hz吻合。频谱上每个峰的高度是不一样的，这些峰的高度之比决定了音色（timbre）。不过对于语音来说，一般没有必要精确地描写每个峰的高度，而是用“共振峰”（formant）来描述音色。共振峰指的是包络的峰。在我这个图中，忽略精细结构，可以看到0~1000 Hz形成一个比较宽的峰，1800 Hz附近形成一个比较窄的峰。共振峰的频率一般用、等等来表示。上图中，是多少很难精确地读出来，但。当然，在2800 Hz、3800 Hz、5000 Hz处还有第三、四、五共振峰，但它们与第一、二共振峰相比就弱了许多。除了元音以外，辅音中的鼻音、浊擦音以及/l/、/r/等也具有这种频谱，可以讨论基频和共振峰频率（不过浊擦音一般不讨论共振峰频率）。

       第二个频谱是辅音/s/的频谱。可以看出它的精细结构是没有周期性的，所以就无所谓基频。一般也不提这种频谱的共振峰。清擦音的频谱一般都是这样。

    
     共振峰频率跟基频是独立的。共振峰频率是频谱包络的峰值频率，但频谱在此处可能是个谷。

     对于声学模型来说，F0是我们希望排除的干扰因素啊，强烈依赖于F0的特征应该是不行的……

    当然，实际使用的MFCC也并不是直接取几个共振峰的频率作为特征，毕竟想准确测量共振峰频率也不容易。MFCC是描写的是频谱包络的整体形状。

    每个人读的元音频谱细节都不一样的，共同点是共振峰的位置，你可以自己录音然后观察。

    

2.5 在回答你的第三个问题之前，我们先来看一下声音的第三种表示方式——语谱图（spectrogram）。上面说过，频谱只能表示一小段声音。那么，如果我想观察一整段语音信号的频域特性，要怎么办呢？我们可以把一整段语音信号截成许多帧，把它们各自的频谱“竖”起来（即用纵轴表示频率），用颜色的深浅来代替频谱强度，再把所有帧的频谱横向并排起来（即用横轴表示时间），就得到了语谱图，它可以称为声音的时频域表示。下面我就偷懒，不用Matlab自己画语谱图，而用Cool Edit绘制上面“pass”的语谱图，如下：
注意横轴是时间，纵轴是频率，颜色越亮代表强度越大。可以观察一下0.17s和0.4s处，是不是跟我上面画的频谱相似？然后再试着从这张语谱图上读出元音/æ/的第二共振峰频率。

语谱图的好处是可以直观地看出共振峰频率的变化。我上面读的“pass”中只有一个单元音，如果有双元音就会非常明显了。比如下面这张我读的“eye” /a?/，可以非常明显地看出在元音从/a/向/?/过渡的阶段（0.2 ~ 0.25s），在降低，而在升高。

3. 元音与共振峰的关系已经研究得比较透彻了，简单地说：
1) 开口度越大，越高；
2) 舌位越靠前，越高；
3) 不圆唇元音的比圆唇元音高。
例如，/ɑ/是开、后、不圆唇元音，所以高，低，高；/y/（即汉语拼音的ü）是闭、前、圆唇元音，所以低，高，低。
也许题主见过下图那样的元音图（vowel chart），我把和的变化方向标了上去。

最明显的体现其实是在英语的辅音/r/中，例如下面我读的erase /?‘re?z/的语谱图，可以看到辅音/r/处（0.19s左右）明显低，把也压下去了。

清擦音可以根据能量集中的频段来分辨。下面是我读的/f/, /θ/, /s/, /?/的语谱图。浊擦音会在清擦音的基础上有周期性的精细结构。

爆破音的爆破时间很短，在语谱图上一般较难分辨。

作者：王赟 Maigo
链接：http://www.zhihu.com/question/27126800/answer/35376174
来源：知乎
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