2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫——語音合成系統(tǒng)的音調(diào)調(diào)整技術(shù)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題干后的括號內(nèi)）1.在語音信號中，通常將代表音高的主要頻率成分稱為（）。A.共振峰B.諧波C.基頻D.采樣頻率2.以下哪種方法不屬于傳統(tǒng)的語音合成中調(diào)整音調(diào)的技術(shù)？A.改變元音的共振峰頻率B.直接調(diào)整語音信號的基頻值C.使用線性預(yù)測倒譜系數(shù)（LPC）參數(shù)進(jìn)行基頻建模D.基于物理模型的聲道參數(shù)調(diào)整3.在心理聲學(xué)中，掩蔽效應(yīng)指的是一個較強(qiáng)聲音的存在會降低聽覺系統(tǒng)對（）聲音的感知能力。A.同時出現(xiàn)的B.后續(xù)出現(xiàn)的C.先前出現(xiàn)的D.任意頻率的4.對于給定的語音幀，常用的基頻提取算法中，需要先估計短時能量，然后利用能量加權(quán)譜來尋找峰值的是（）。A.自相關(guān)法B.基于譜峰搜索的方法C.LPC倒譜分析法D.頻譜包絡(luò)跟蹤法5.在現(xiàn)代TTS系統(tǒng)中，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）通常用于（）。A.直接生成語音波形B.提取語音的聲學(xué)特征C.建模和預(yù)測說話人的基頻特性D.設(shè)計語音信號濾波器6.如果希望合成一個聽起來像男性的語音，在其他條件不變的情況下，通常需要（）。A.降低語音的基頻（F0）B.提高語音的基頻（F0）C.增加共振峰的帶寬D.降低共振峰的頻率7.共振峰合成器在調(diào)整音調(diào)時，主要通過改變（）來模擬不同基頻的音色。A.元音的共振峰頻率B.輔音的共振峰頻率C.基頻參數(shù)D.預(yù)加重系數(shù)8.衡量調(diào)整后語音基頻與目標(biāo)基頻接近程度的客觀指標(biāo)是（）。A.聲音的清晰度B.聲音的響度C.基頻的均方誤差（MSE）D.聲道的傳遞函數(shù)9.語音合成系統(tǒng)中，音調(diào)調(diào)整技術(shù)的一個重要應(yīng)用是實現(xiàn)（）。A.語音增強(qiáng)B.說話人識別C.情感語音合成D.語音轉(zhuǎn)換10.基頻調(diào)整算法追求的目標(biāo)之一是保持調(diào)整后語音的（）。A.諧波結(jié)構(gòu)B.諧波數(shù)量C.頻譜形狀D.時域波形二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.語音的基頻（F0）主要由發(fā)聲時__________振動的頻率決定。2.共振峰是語音頻譜中靠近__________頻率的幾個峰值，對語音的__________感知至關(guān)重要。3.在語音信號處理中，傅里葉變換主要用于將信號從__________域轉(zhuǎn)換到__________域進(jìn)行分析。4.共振峰合成（FormantSynthesis）是一種重要的__________合成技術(shù)，它通過模擬基頻和__________來生成語音。5.現(xiàn)代TTS系統(tǒng)中，基于深度學(xué)習(xí)的基頻建模通常需要大量的__________和說話人數(shù)據(jù)。6.評估音調(diào)調(diào)整效果的主觀評價方法常用__________（MOS）來量化聽眾的感知質(zhì)量。7.為了使合成語音聽起來更自然，音調(diào)調(diào)整不僅要改變基頻，還需要考慮__________和共振峰的動態(tài)變化。8.基頻提取算法的目的是從語音信號中準(zhǔn)確__________出每一幀的基頻值。9.音調(diào)調(diào)整技術(shù)在__________（如兒童語音、老年語音）合成中具有重要的應(yīng)用價值。10.常用的基頻調(diào)整策略包括整體音高提升/降低和基于__________特征的音高變化。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述基頻（F0）在語音感知中的作用。2.簡要說明共振峰合成器調(diào)整音調(diào)的基本原理。3.簡述現(xiàn)代TTS系統(tǒng)中，如何利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行音調(diào)建模與調(diào)整。4.提出兩種不同的音調(diào)調(diào)整技術(shù)，并簡述其基本思想。四、計算題（10分）假設(shè)某段語音信號的一幀（窗長為25ms）經(jīng)過傅里葉變換得到的頻譜如下：其基頻估計為120Hz，主要的三個共振峰中心頻率分別為1000Hz、2400Hz和3000Hz，對應(yīng)的帶寬分別為300Hz、500Hz和400Hz。請簡要描述該語音幀的聲學(xué)特性，并說明如果要將該語音幀的基頻提高到150Hz，在參數(shù)層面（至少針對基頻和共振峰）需要進(jìn)行哪些調(diào)整以盡可能保持語音的自然度。五、論述題（30分）語音合成系統(tǒng)中的音調(diào)調(diào)整技術(shù)對于生成自然、逼真且具有表現(xiàn)力的合成語音至關(guān)重要。試結(jié)合你所學(xué)的聲學(xué)知識和語音合成技術(shù)，論述：1.音調(diào)調(diào)整技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)有哪些？（至少從聲學(xué)特性、自然度、可控性、計算復(fù)雜度等方面進(jìn)行分析）2.為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，當(dāng)前以及未來的研究方向可能集中在哪些方面？（例如，更精細(xì)的情感基頻建模、基于上下文的自適應(yīng)調(diào)整、更有效的算法設(shè)計等）3.選擇一種你感興趣的具體音調(diào)調(diào)整技術(shù)或應(yīng)用場景（如情感語音合成、說話人轉(zhuǎn)換中的音調(diào)調(diào)整），深入探討其技術(shù)細(xì)節(jié)、關(guān)鍵問題和潛在改進(jìn)方向。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.A4.B5.C6.B7.A8.C9.C10.A二、填空題1.聲帶2.人耳聽覺閾值；音色3.時域；頻域4.波形；共振峰參數(shù)5.語音6.主觀感知7.共振峰8.估計9.特殊人群10.情感三、簡答題1.解析思路：首先明確基頻是聲音的周期性成分的頻率。然后解釋頻率與主觀感知的音高直接相關(guān)（符合等比音高感）。接著說明基頻決定了語音的性別、年齡等基本聽覺屬性。最后可以提及低頻基頻通常與低沉、男性化感覺相關(guān)，高頻基頻則相反。*答案：基頻（F0）是語音信號中代表周期性振動的頻率，它直接決定了語音聽起來的音高。頻率越高，音高越高；頻率越低，音高越低，符合等比音高感?；l是區(qū)分語音性別、年齡等基本屬性的重要聲學(xué)特征，低頻基頻通常使語音聽起來低沉、男性化，而高頻基頻則使語音聽起來尖細(xì)、女性化。因此，基頻是語音感知中不可或缺的參數(shù)。2.解析思路：首先說明共振峰合成是模擬聲道濾波效果的方法。然后解釋其調(diào)整音調(diào)的核心是改變模擬元音的共振峰參數(shù)。具體來說，可以通過改變元音共振峰的頻率來模擬不同基頻下元音的頻譜特征，或者通過整體移動共振峰頻率來模擬整體音高變化對元音的影響，從而間接實現(xiàn)音調(diào)調(diào)整。*答案：共振峰合成器調(diào)整音調(diào)的基本原理是通過調(diào)整模擬聲道濾波效果的共振峰參數(shù)來實現(xiàn)的。對于元音，可以通過改變其共振峰頻率來模擬不同基頻下元音的頻譜特征，使得合成元音聽起來更接近目標(biāo)基頻下的元音。對于整體音高變化，可以通過整體移動所有共振峰（特別是元音的共振峰）的頻率，以模擬基頻改變對元音頻譜的影響，從而實現(xiàn)整體音調(diào)的調(diào)整。3.解析思路：首先點出現(xiàn)代TTS中DNN的作用是建模。然后說明DNN可以學(xué)習(xí)說話人語音數(shù)據(jù)中的基頻統(tǒng)計特性。接著解釋這些特性包括基頻的均值、方差、分布等。最后說明在合成時，DNN可以根據(jù)輸入的文本和情感等信息預(yù)測出合適的基頻序列，并通過解碼模塊生成帶有目標(biāo)音調(diào)的語音。*答案：現(xiàn)代TTS系統(tǒng)中，深度學(xué)習(xí)技術(shù)（特別是DNN）用于建模和預(yù)測說話人語音數(shù)據(jù)中的基頻特性。DNN可以學(xué)習(xí)到說話人基頻的復(fù)雜統(tǒng)計分布和隨上下文變化的特點。在語音合成時，根據(jù)輸入的文本、韻律信息以及說話人身份，DNN可以預(yù)測出合適的基頻序列。這些預(yù)測的基頻參數(shù)隨后被輸入到解碼模塊（如RNN或Transformer）中，與音素或其他聲學(xué)特征一起被用來生成具有目標(biāo)音調(diào)的語音波形。4.解析思路：提出兩種不同技術(shù)，如頻域調(diào)整和參數(shù)調(diào)整。頻域調(diào)整思路是找到基頻峰值，然后整體上移或下移該峰值頻率。參數(shù)調(diào)整思路是利用基頻預(yù)測模型，根據(jù)需要調(diào)整預(yù)測出的基頻值，再反饋到語音合成流程中。*答案：*第一種技術(shù)：頻域峰值調(diào)整。基本思想是在語音信號的頻譜（通常是短時傅里葉變換后的頻譜）上，找到代表基頻的峰值。然后，通過算法將該峰值頻率整體向上或向下偏移一定的量，從而改變基頻。這種方法相對簡單，但可能影響諧波結(jié)構(gòu)和諧波-基頻（H-F0）關(guān)系。*第二種技術(shù)：基于參數(shù)的基頻調(diào)整?；舅枷胧抢没l預(yù)測模型（如基于LPC、HMM或深度學(xué)習(xí)的方法）先預(yù)測出語音的基頻參數(shù)。在解碼或合成階段之前，根據(jù)調(diào)整需求，人為修改這些預(yù)測出的基頻值。例如，在TTS系統(tǒng)中，修改DNN預(yù)測的基頻序列。這種方法能更好地保持語音的諧波結(jié)構(gòu)和基頻變化模式，但需要復(fù)雜的模型和調(diào)整機(jī)制。四、計算題解析思路：1.描述聲學(xué)特性：根據(jù)給定的基頻（120Hz）、共振峰（CF1=1000Hz,CF2=2400Hz,CF3=3000Hz）及其帶寬（BW1=300Hz,BW2=500Hz,BW3=400Hz），可以描述語音幀的音高（低沉，120Hz）、元音的共振峰結(jié)構(gòu)（主共振峰在1000Hz，表明可能是低元音或處于相對低沉狀態(tài)）、輔音或噪聲成分的共振峰（第二、三共振峰的存在和相對位置）以及它們的頻帶寬度（帶寬較窄，表明頻譜較為尖銳，可能元音成分較突出）。2.基頻調(diào)整：要將基頻提高到150Hz，最直接的方法是修改參數(shù)。首先，需要將估計的基頻參數(shù)從120Hz調(diào)整為150Hz。其次，為了保持自然度，需要考慮元音的共振峰。由于基頻升高，根據(jù)諧波-基頻關(guān)系，諧波之間的間隔增大，理論上元音的主共振峰頻率也應(yīng)相應(yīng)提高。因此，可以嘗試將第一個共振峰CF1調(diào)整為大約1500Hz（1000Hz/120Hz*150Hz），或者至少向這個方向調(diào)整。同時，第二、三共振峰也應(yīng)按比例向更高頻率移動，例如CF2約調(diào)整為2000Hz（2400Hz/2400Hz*150Hz），CF3約調(diào)整為2500Hz（3000Hz/3000Hz*150Hz）。帶寬可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，但通常保持相對穩(wěn)定。調(diào)整后的參數(shù)集（新的基頻，新的CF1,CF2,CF3,相同的BW1,BW2,BW3）可用于驅(qū)動語音合成器生成更接近目標(biāo)音高的語音。答案：該語音幀的基頻為120Hz，屬于較低的音高。頻譜上存在三個主要的共振峰，中心頻率分別為1000Hz、2400Hz和3000Hz，帶寬分別為300Hz、500Hz和400Hz。1000Hz的共振峰可能對應(yīng)元音，表明該幀語音可能包含低元音或處于相對低沉的語調(diào)狀態(tài)。較高的共振峰可能對應(yīng)輔音或聲道尾部的能量分布。整體頻譜的帶寬相對較窄，暗示語音信號可能較為清晰或元音成分較突出。若要將該語音幀的基頻提高到150Hz，在參數(shù)層面主要需要進(jìn)行以下調(diào)整：1.將基頻參數(shù)從120Hz修改為150Hz。2.為了保持語音的自然度，需要相應(yīng)地調(diào)整共振峰參數(shù)。由于基頻升高，元音的主共振峰頻率理論上也應(yīng)按比例增加?？梢試L試將第一個共振峰CF1從1000Hz調(diào)整為約1500Hz（1000*150/120），第二個共振峰CF2從2400Hz調(diào)整為約2000Hz（2400*150/120），第三個共振峰CF3從3000Hz調(diào)整為約2500Hz（3000*150/120）。共振峰的帶寬BW1,BW2,BW3可以保持不變或根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)。使用調(diào)整后的基頻和共振峰參數(shù)（150Hz,1500Hz,2000Hz,2500Hz,300Hz,500Hz,400Hz）可以生成音高更高但音色特征相對保留的語音。五、論述題解析思路：1.挑戰(zhàn)分析：從聲學(xué)角度看，F(xiàn)0與語音基頻、共振峰、諧波結(jié)構(gòu)、語調(diào)動態(tài)等緊密耦合，精確調(diào)整需考慮整體變化。從自然度看，調(diào)整后的語音需避免“機(jī)器人感”，與說話人風(fēng)格、情感、語境協(xié)調(diào)。從可控性看，需實現(xiàn)精細(xì)、靈活的音高控制，滿足不同應(yīng)用需求。從計算復(fù)雜度看，特別是基于深度學(xué)習(xí)的方法，模型訓(xùn)練和推理計算量大，實時性要求高。2.研究方向：針對挑戰(zhàn)，研究可向更精細(xì)的建模方向發(fā)展，如結(jié)合語言學(xué)知識、利用更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)捕捉F0的復(fù)雜統(tǒng)計特性和動態(tài)變化；向自適應(yīng)調(diào)整方向發(fā)展，使音高能根據(jù)語境、韻律信息自動優(yōu)化；向輕量化算法設(shè)計方向發(fā)展，降低計算成本，滿足嵌入式或移動端應(yīng)用需求。3.具體技術(shù)/場景探討：選擇一個點深入。例如，情感語音合成中的音調(diào)調(diào)整?？梢苑治銎浼夹g(shù)細(xì)節(jié)（如何從情感語義到F0映射），關(guān)鍵問題（情感表達(dá)的真實性與細(xì)膩度、不同情感F0模式的區(qū)分度、合成語音的自然度），并探討改進(jìn)方向（如跨情感領(lǐng)域遷移學(xué)習(xí)、結(jié)合面部表情等多模態(tài)信息、更精細(xì)的情感維度劃分與建模）。答案：1.音調(diào)調(diào)整技術(shù)在語音合成中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：*聲學(xué)特性的復(fù)雜耦合：基頻（F0）的調(diào)整并非孤立進(jìn)行，它與語音的共振峰位置、帶寬、諧波結(jié)構(gòu)以及這些參數(shù)的動態(tài)變化緊密相關(guān)。不恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整可能導(dǎo)致元音失真、諧波-基頻關(guān)系破壞，從而影響語音的自然度和可懂度。*自然度保持困難：即使基頻數(shù)值符合目標(biāo)，如果調(diào)整過程生硬，或者調(diào)整后的語音缺乏說話人特有的韻律風(fēng)格和情感色彩，仍然會聽起來不自然，甚至像機(jī)器人語音。如何使調(diào)整后的語音聽起來流暢、真實、富有表現(xiàn)力是一個核心挑戰(zhàn)。*可控性與靈活性不足：不同的應(yīng)用場景對音調(diào)調(diào)整的需求不同。例如，情感語音合成需要細(xì)膩地表達(dá)多種情感狀態(tài)（高興、悲傷、憤怒等），說話人轉(zhuǎn)換則需要保持新說話人的風(fēng)格特征?，F(xiàn)有的音調(diào)調(diào)整技術(shù)可能在控制精度、覆蓋范圍或靈活性方面存在局限。*計算復(fù)雜度高：特別是近年來基于深度學(xué)習(xí)的方法，雖然效果顯著，但往往需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和計算資源。模型訓(xùn)練時間長，推理過程中的計算量也可能很大，對于要求實時性或資源受限的應(yīng)用（如移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)）構(gòu)成了挑戰(zhàn)。2.為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，當(dāng)前以及未來的研究方向可能集中在：*更精細(xì)的聲學(xué)建模：深入研究人耳對音調(diào)的感知機(jī)制，將聲學(xué)知識融入模型設(shè)計。利用更強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)模型（如Transformer、圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）捕捉基頻的長期依賴關(guān)系和復(fù)雜分布，以及其在不同語境下的動態(tài)變化規(guī)律。*自適應(yīng)與上下文感知調(diào)整：研究能夠根據(jù)輸入文本的語義、說話人的身份和狀態(tài)、對話的上下文信息來自動調(diào)整音調(diào)的技術(shù)。使音調(diào)調(diào)整更加智能和符合實際交流場景。*高效的算法與模型設(shè)計：探索輕量化的基頻建模和調(diào)整算法，降低計算復(fù)雜度，提高實時性。研究模型壓縮、量化、知識蒸餾等技術(shù)，使其能夠在資源受限的環(huán)境下部署。*跨領(lǐng)域與多模態(tài)融合：研究如何將不同說話人的音調(diào)特征、不同情感狀態(tài)的音調(diào)模式進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)，提高模型的泛化能力。探索融合視覺（如面部表情）等其他模態(tài)信息來輔助音調(diào)調(diào)整，以獲得更自然的情感表達(dá)。3.選擇場景：情感語音合成中的音調(diào)調(diào)整。