不同錄音環(huán)境對(duì)語音特征的影響研究

陳維娜, 曾慶發(fā)

(1.中國人民公安大學(xué)刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京 100038； 2.鄭州市公安局， 河南鄭州 450000)

0 引言

錄音環(huán)境具有多樣性，錄音環(huán)境的不同對(duì)人的發(fā)音有一定的影響。在復(fù)雜多變的環(huán)境中能否確定檢材錄音與樣本錄音中的說話人系同一人，是聲紋鑒定實(shí)踐工作中的一道難題。

為確定不同錄音環(huán)境對(duì)語音特征的改變，評(píng)估這些改變對(duì)聲紋鑒定的檢驗(yàn)結(jié)果的影響，通過實(shí)驗(yàn)的方式來分析和探討，以期為聲紋鑒定中語音的錄制和鑒定意見的出具提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 錄音對(duì)象

實(shí)驗(yàn)邀請(qǐng)了5位在大學(xué)校園廣播站從事播音主持工作的同學(xué)作為發(fā)音對(duì)象，這些同學(xué)的發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)，發(fā)音人基本情況見表1。錄音的內(nèi)容包括試音材料和語段《北風(fēng)和太陽》，其中包括豐富的單元音及復(fù)合元音。

表1 發(fā)音人基本信息

1.1.2 錄音環(huán)境

實(shí)驗(yàn)選擇宿舍、教室、食堂、操場4個(gè)場所進(jìn)行錄音。宿舍面積約20 m2，高度3.2 m，關(guān)閉門窗后封閉性較好，外界噪聲小，基本沒有混響效果。教室面積約70 m2，高度3.5 m，相對(duì)空曠，有一定外界噪聲和回聲。操場面積較大，比較空曠，常伴隨有鳥鳴、風(fēng)聲、行人噪聲等。食堂面積約500 m2，高度約4.5 m，噪聲和混響效果較強(qiáng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 錄音

發(fā)音人熟悉錄音語料后分別來到指定的4個(gè)錄音場所，使用普通話較為自然、流暢地表達(dá)語料內(nèi)容；同時(shí)用“聲麗SM-008”麥克風(fēng)連接聯(lián)想Y480筆記本電腦進(jìn)行錄音，發(fā)音人與麥克風(fēng)距離約為10 cm；將錄音分類標(biāo)注后保存成WAV格式并備份。

1.2.2 記錄和分析語音特征

首先，從聽覺上感受并判斷同一人在不同錄音環(huán)境下的語音差異；然后，通過PRAAT軟件制作語音的寬帶語圖，觀察并分析共振峰走向、音節(jié)間和音節(jié)內(nèi)過渡音征等形態(tài)特征，記錄下基頻曲線、振幅曲線的分布特征；最后，提取元音共振峰頻率值對(duì)語音特征的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量和分析。

1.2.3 得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)語音特征的記錄和分析，總結(jié)歸納不同錄音環(huán)境對(duì)語音特征的影響，確定不易受環(huán)境因素影響的語音特征、容易受到影響而發(fā)生變化的語音特征，為聲紋鑒定實(shí)踐提供依據(jù)。

2 檢驗(yàn)與分析

2.1 聽覺分析

2.1.1 宿舍環(huán)境

發(fā)音人在宿舍發(fā)音時(shí)，聲音清脆，吐字清晰，語速相對(duì)平穩(wěn)，音量適中；聲音純凈但稍顯干澀。

2.1.2 教室環(huán)境

發(fā)音人在教室發(fā)音時(shí)，有一定的混響效果，聲音渾厚；在教室發(fā)音人會(huì)不自覺地降低音量，加快語速，吐字清晰度相對(duì)宿舍下降。

2.1.3 操場環(huán)境

發(fā)音人在操場發(fā)音時(shí)，音調(diào)提高，有拖音現(xiàn)象；聲音清脆，吐字清晰，圓潤感增強(qiáng)，干澀感降低。操場中常有多種噪聲，如鳥鳴、行人腳步聲、風(fēng)聲等，使得錄音略微嘈雜。

2.1.4 食堂環(huán)境

發(fā)音人在食堂發(fā)音時(shí)，語速加快，音量也有明顯提高，吐字急促，清晰度下降，混響效果明顯。

同一人在上述4種不同的錄音環(huán)境下朗讀相同內(nèi)容的語料，得到的錄音樣本在聽感上存在差異，這些差異表現(xiàn)在語速、音強(qiáng)、音高、清晰度、飽滿度等方面。其中，語速、音強(qiáng)、音高的不同是由于發(fā)音人在不同環(huán)境下的心理和生理主觀感受不同所導(dǎo)致的；而語音的清晰度、飽滿度等方面的差異主要是由于在不同錄音環(huán)境下混響和噪聲因素的干擾造成，是由于外部條件變化所致。

2.2 視譜比較

2.2.1共振峰走向特征

共振峰走向特征是指共振峰中心線在頻率——時(shí)間平面上的曲線形態(tài)，它反映語音及其共振峰的動(dòng)態(tài)特性。選擇發(fā)音人在宿舍、教室、操場、食堂錄制的4段語音中“太”、“北”、“叫”3個(gè)音節(jié)中的復(fù)合元音[ai]、[ei]、[iao]作為研究對(duì)象，觀察同一發(fā)音人不同錄音環(huán)境中的這些復(fù)合元音寬帶語圖共振峰走向特征是否存在差異，如圖1～12所示。

圖1～12是發(fā)音人M1在4種不同錄音環(huán)境下復(fù)合元音共振峰走向的寬帶語圖，從中可以看出：在4種空間環(huán)境下，被檢復(fù)合元音的共振峰走向特征反映均比較清晰；F1、F2的共振峰走向特征雖有細(xì)微變化，但總體比較穩(wěn)定，而高次共振峰的走向呈現(xiàn)出不同程度的變化，其他4位發(fā)音人的共振峰走向特征也符合此規(guī)律。這說明受到不同錄音環(huán)境下發(fā)音人發(fā)音狀態(tài)、環(huán)境噪聲和混響的影響，高次共振峰的走向特征容易產(chǎn)生變化，而低次共振峰的抗干擾能力較強(qiáng)，特征表現(xiàn)比較穩(wěn)定。

2.2.2 音節(jié)間過渡音征

選擇“大學(xué)”、“無錫”兩個(gè)詞語中首音節(jié)元音[a]、[u]到下一音節(jié)輔音[x]的過渡段來分析音節(jié)間過渡音征。對(duì)錄音人在宿舍、教室、操場、食堂中的錄音進(jìn)行音節(jié)間過渡音征的觀察和比較分析，根據(jù)過渡段的平穩(wěn)性、連貫性，界限是否清晰，升降過程中是否出現(xiàn)明顯斷層等特點(diǎn)來判斷同一人在不同錄音環(huán)境下語音的過渡音征是否穩(wěn)定，其語圖是否有明顯差異，如圖13～20所示。

從寬帶語圖中可以看出，發(fā)音人F2的“大學(xué)”[a-x]過渡音征中[a]音向[x]音的攀升式過渡特點(diǎn)在不同環(huán)境中表現(xiàn)較為相似；但在宿舍和操場的錄音環(huán)境下這種過渡的界限較為清晰、連貫，而在教室和食堂的錄音環(huán)境下這種攀升式過渡的表現(xiàn)不顯著、不連貫。從圖中還能夠發(fā)現(xiàn)，發(fā)音人F2的“無錫”[u-x]過渡音征中元音[u]向輔音[x]的攀升式過渡特點(diǎn)在不同環(huán)境中保持高度一致。這從一定程度上說明了同一人在不同場所發(fā)音時(shí)，音節(jié)間元音向輔音的過渡音征表現(xiàn)具有一定的穩(wěn)定性，不易受到錄音環(huán)境的干擾而發(fā)生較大的變化。這一規(guī)律在其他4位發(fā)音人的語音中也有所體現(xiàn)。

2.2.3 音節(jié)內(nèi)過渡音征

對(duì)錄音人在宿舍、教室、操場、食堂4種環(huán)境下語音中的音節(jié)內(nèi)過渡音征進(jìn)行分析。以音節(jié)“他”[ta]為例，分析音節(jié)內(nèi)輔音[t]到元音[a]之間的過渡段走向形態(tài)，根據(jù)過渡段的平穩(wěn)性、連貫性、是否界限清晰及其升降過程中是否出現(xiàn)明顯斷層等特點(diǎn)來確定同一人在不同錄音環(huán)境下語音的音節(jié)內(nèi)過渡音征是否也能保持穩(wěn)定。結(jié)果顯示同一人在不同環(huán)境下發(fā)“他”[ta]音節(jié)時(shí)，音節(jié)內(nèi)輔音到元音的過渡音征基本保持一致，其過渡段較明顯、清晰，沒有明顯的變化，如圖21～24所示。

2.2.4 基頻曲線

基音頻率是單位時(shí)間內(nèi)聲帶開閉的次數(shù)，也就是基音周期的倒數(shù)，簡稱為基頻?；l是發(fā)音的重要因素之一，在不同錄音環(huán)境下，基頻曲線是否具有穩(wěn)定性是值得探究的。提取3位男性發(fā)音人M1、M2和M3在不同錄音環(huán)境下說的同一句話“有一回，北風(fēng)和太陽在那爭論誰的本事大”的基頻曲線進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖25～36所示。

圖1～12 發(fā)音人M1 4種錄音環(huán)境下復(fù)合元音共振峰走向

從圖25～36中可以看出發(fā)音人在宿舍和操場錄音環(huán)境下的基頻曲線比較相近，與在教室和食堂錄音環(huán)境下的基頻曲線存在一定差異。這說明，不同錄音環(huán)境對(duì)發(fā)音人的基頻曲線特征表現(xiàn)是有一定影響的，但這種影響在宿舍和操場這兩類一個(gè)相對(duì)封閉、較小，一個(gè)相對(duì)開闊、較大的環(huán)境中卻表現(xiàn)的不十分明顯。

2.2.5 振幅曲線

同樣選擇“有一回，北風(fēng)和太陽在那爭論誰的本事大”這句話作為研究對(duì)象，分析比對(duì)3位男性發(fā)音人M1、M2和M3在不同錄音環(huán)境下語音的能量曲線分布情況，結(jié)果見圖37～48。

從圖37～48中可以看出，同一發(fā)音人在不同環(huán)境中說同一段話語的能量分布均存在差異，無論是聲強(qiáng)的絕對(duì)數(shù)值位置，還是曲線走向上都沒有普遍的相同規(guī)律。分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因應(yīng)該是在不同的環(huán)境下，錄音人的說話狀態(tài)、發(fā)音音量均不相同，導(dǎo)致了其音強(qiáng)曲線分布存在差異。

2.3 聲學(xué)參數(shù)的測量與分析

選取錄音人在4種不同環(huán)境下發(fā)音中的“大”、“衣”、“足”3個(gè)音節(jié)的單元音[a]、[i]、[u]進(jìn)行聲學(xué)參數(shù)定量分析，提取其共振峰頻率數(shù)值，測量3次后取平均值再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表2。

從不同錄音環(huán)境下同一人發(fā)[a]、[i]、[u]3個(gè)單元音共振峰的峰值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)中可以看出錄音環(huán)境對(duì)共振峰的峰值有一定的影響：對(duì)[a]音的影響較小，其共振峰峰值的變異系數(shù)均小于10%；對(duì)[i]音的F1影響較大，其變異系數(shù)超過10%，對(duì)[i]音的其他共振峰峰值影響較??；對(duì)[u]音的F1、F2影響較大，其變異系數(shù)均超過10%，F(xiàn)2的變異系數(shù)甚至超過了20%，對(duì)[u]音的F3、F3峰值影響較小。

圖13～20 發(fā)音人F2 4種錄音環(huán)境下音節(jié)間過渡音征形態(tài)

圖21～24 發(fā)音人M2 4種錄音環(huán)境下音節(jié)內(nèi)過渡音征形態(tài)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同的錄音環(huán)境對(duì)聲紋鑒定有一定的影響，這些影響表現(xiàn)在：

(1) 不同錄音環(huán)境下同一人的發(fā)音在聽感上存在差異，如語音的清晰度、飽滿程度等，在一定程度上影響了語音的聽覺分析。

(2) 在不同錄音環(huán)境下，同一人的共振峰走向特征表現(xiàn)存在一定差異，其中復(fù)合元音的低次共振峰走向頻譜特征F1、F2表現(xiàn)穩(wěn)定，高次共振峰走向頻譜特征F3、F4富于變化。

(3) 同一人在宿舍、教室、操場、食堂4種不同錄音環(huán)境下的語音，其音節(jié)內(nèi)、音節(jié)間過渡音征形態(tài)特征基本穩(wěn)定，受環(huán)境的影響不大。

(4) 同一人、相同內(nèi)容的發(fā)音在不同錄音環(huán)境下的基頻曲線特征存在差異；其中，基頻曲線在宿舍和操場錄音環(huán)境中表現(xiàn)相近，而在其他錄音環(huán)境中存在明顯差異。

(5) 不同錄音環(huán)境對(duì)同一人發(fā)音的振幅曲線具有較大影響；即使發(fā)音內(nèi)容相同，在不同錄音環(huán)境下語音的振幅曲線也存在著較大的差異。

(6) 定量分析同一人發(fā)音中的[a]、[i]、[u]單元音共振峰頻率，發(fā)現(xiàn)不同錄音環(huán)境對(duì)[i]音的F1影響較大，[u]音的F1、F2影響較大；對(duì)[a]音，[i]音的其他共振峰，[u]音的高次共振峰雖有影響，但變異系數(shù)均在10%以內(nèi)。

圖25～36 不同發(fā)音人4種錄音環(huán)境下基頻曲線

圖37～48 不同發(fā)音人4種錄音環(huán)境下能量曲線

表2 同一發(fā)音人4種錄音環(huán)境下單元音共振峰頻率

4 結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)中能夠發(fā)現(xiàn)，不同錄音環(huán)境因空間、場所的配置不同，影響其錄制的語音在聽覺分析、視譜比較和聲學(xué)參數(shù)等語音特征的反映，這種影響會(huì)對(duì)聲紋鑒定造成一定障礙，甚至影響到最終的鑒定結(jié)果。但是，在司法實(shí)踐中，受到條件限制，不可能總是保證檢材錄音和樣本錄音是在同一空間環(huán)境下錄制形成，這就要求鑒定人員在對(duì)這類案件進(jìn)行檢驗(yàn)之前要充分掌握待檢錄音的錄制環(huán)境和條件，熟悉不同錄音環(huán)境對(duì)語音特征的影響，盡量選用穩(wěn)定的語音特征進(jìn)行檢驗(yàn)、鑒定，對(duì)易受到影響的振幅曲線特征、高次共振峰走向特征等慎重使用，以期科學(xué)、客觀地得出鑒定意見。當(dāng)然，在條件容許的情況下，應(yīng)該盡可能地使檢材錄音和樣本錄音在相同環(huán)境下錄制，如果條件有限，可以參考上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇無混響的環(huán)境，如面積較小的宿舍、辦公室或開闊、噪音較小的操場、室外進(jìn)行。