《人工智能通识》4.2声波的数字化

4.2实践任务谁在一派胡言第4章人工智能怎么“表达”情景导入“没有共产党就没有新中国…”小慧正在学习唱红歌，准备参加校园“红歌唱响校园·礼赞百年华诞”合唱比赛。因没有声乐基础，小慧练习了一个星期，还是经常跑调。小慧找小智你帮忙设计一个AI音乐教练，识别她唱的歌词，并能可视化分析声音，例如与歌手的声音比对，找到问题所在。任务描述搭建一个可以采集语音、显示波形的程序，并观察不同音频、音量和音调的波形图变化。预备知识一、声音相关概述1.声音的产生与传播声音是由物体振动产生的，以声波（简称波，SoundWare）的形式传播。不同声波有不同的频率和幅度，人耳也有自己的接受范围。人耳对频率的接受范围大致为20Hz-20KHz。低于20Hz的声波称为次声波，高于20000Hz的称为超声波，次声波与超声波都是人耳听不到的。小贴士振幅决定声音的响度，频率决定声音的高低。人和动物的发声和听觉的频率范围。预备知识2.语音的产生与保存语音是指人类通过声带振动发出的、承载特定语义的声音。自然界存在的语音是连续波动，看不见也摸不着。计算机没有耳朵，那它怎么感知语音呢？这个时候就需要把语音（声波）转换为便于计算机储存和处理的音频文件。先通过话筒或麦克风阵列采集语音，转化为电信号，再经过模/数转换电路处理，转变成离散的数字信号进行保存，这个过程叫做声波的数字化。小贴士语音可以通过模/数转换电路转换成离散的数字信号保存起来，即模数转换（ADC）。如图4-14所示，这是一个声音数字化转换模块，它是通过麦克风把声音变成电信号，然后对声音的电信号进行采样量化，最后在模块的D接线点输出数字信号，这样就完成了声波的数字化。从左到右为G、V、A、D

（G为接地、V为电源+、A为模拟信号输出、D为数字信号输出）预备知识简单来说，声波的数字化就是把连续的声音信号转换成离散的二进制数据，如图4-12所示。预备知识我们之后所研究的语音并不是声音的最原始形态，只是一串串二进制的数字而已，保存在计算机里的语音数据也可用波形图展现出来，如图4-13所示。预备知识二、声波的数字化如图4-14所示，声波的数字化主要包括采样、量化、编码三个步骤。先通过脉冲装置按一定的时间间隔对声波进行采样，也就是按一定的时间间隔记录声波信号的振幅，把记下的每个采样点数据存储到计算机中，就是对声音的采样过程。量化就是把幅度轴上连续取值的每一个样本（模拟量）转化为离散值（数字量）表示。最后，用二进制数编码表示每个采样的量化值（十进制数），完成声波的数字化过程。预备知识每隔相等的一小段时间采样一次，其时间间隔称为采样周期。采样周期越短，采样频率越高，声音还原越真实自然，但数据量就越多。【思考】为什么要使用声波数字化技术？实现思路活动1：总结语音的采集、数字化及保存过程。活动2：思考声音有哪些物理属性？实现思路计算机通过话筒或麦克风阵列等设备采集讲话人的语音，先把语音转化为电信号（如电压，模拟信号），对采集的模拟信号进行数字化处理，转换成机器语言（二进制）保存在计算机中，最后通过波形图显示出来。其中声波的数字化包括取样、量化、编码三个步骤，如图4-16所示语音的采集和处理过程。练技能积木块介绍用于语音采集，通过话筒或麦克风等设备采集讲话人的声音。用于加载和播放的声音。用于绘制声音的波形。练技能任务实现思路展效果评过程环节1：与同组同学分享你在本节实验中的收获与体会。评过程课堂小结通过本任务的学习，让同学们了解人类语音产生和感知的基本过程、声波数字化的关键技术和应用，同时体验了语音采集和数字化过程，深入感受音量大小、语速快慢对声音波形图的影响。评过程环节1：与同组同学分享你在本节实验中的感想与体会。环节2：课后完成评价反思及巩固提升促巩固课后作业：完成评价反思完成课后巩固提升练习评价反思1.学习评价根据学习任务的完成情况，对照下表中“观察点”列举的内容进行自评或互评，并在对应的表格内下打“√”观察点完全

掌握基本

掌握尚未

掌握列表的创建

由字母随机生成单词的方法由单词随机生成句子

循环执行随机生成单词和句子

评价反思2.学习反思回顾与反思简要描述知道了什么？

理解了什么？

能够做什么？

完成得怎么样？

还存在什么问题？

如何做得更好？

巩固提升1.声波的数字化分为三个步骤，分别是

→

→

。经过这三个步骤，模拟声音信号转化为由

和

构成的