在人类语言的复杂系统中，语音是最基础、最直观的层面之一。他是文字的前身。从古典语言学的音位理论，到现代神经网络驱动的语音识别与合成系统，语音学始终贯穿其中，既是语言科学的根基，也是智能技术的前沿。
在深度学习取得显著突破的今天，语音学的角色似乎被边缘化。但语音学并未过时，它只是换了一种方式嵌入我们的模型、算法与认知中。
呼吸、发声与声音建模
人类的发声系统本质上是一种气流驱动的机械装置。我们大多数语言的音流来自于肺部的呼气动作，称为“肺外呼气气流”。气流经过喉头（larynx），激发声带（vocal folds）产生振动，这个过程构成声音的源头。
声带的振动是一个高度周期性的过程，其物理基础可由文丘里效应和伯努利原理解释：气流在通过狭窄的声门时加速，局部气压下降，从而导致声带周期性开合。这一过程构成音的基本来源。
平均而言，成年男性的声带振动频率（F0）约为 100–130Hz，女性则为 200–250Hz。这一生理差异也是我们区分男女声的重要依据之一。
共鸣与调音机制：从原始声波到语言音色
声带产生的声波只是“原始材料”。这些声波在通过声道（vocal tract）时，被不同的腔体结构所修饰，形成我们所感知的各类语音单位。
声带产生的是周期性振动声波，产生有声的音（voiced sound），或者是简单的气流产生的无声的音（voiceless），比如窃窃私语；
共鸣现象使得某些频率成分在声道中被增强，形成共振峰（formants），决定了元音的音色。例如，[i] 与 [a] 虽然同为有声的音，但其 F1 和 F2 的频率显著不同，反映出舌位和开口度的区别。
不同的声道形状（舌位、嘴型、唇圆等），会把这些声音塑形成不同的音素；国际音标（IPA）就是用符号记录这些音素，而不是记录声带发出的“原始材料”。
调音动作则决定辅音与元音的边界特性。通过调整舌头、唇形、软腭等部位的位置与状态，气流在口腔与鼻腔中被不同方式地操控，构成丰富的音素类型。
人体声学器官是一个动态的信号处理系统。声带是脉冲列或者白噪声。舌头，唇形，软腭是可调参数的数字滤波器，从而调制信号频谱。鼻子则是并联滤波器。唇与齿还是开关（门控器）。它们共同作用，构成一个具有时变激励 + 非线性滤波 + 多路径共振 + 动态调控等功能的复杂模拟系统。调音动作就是在修改这些参数。而数字信号处理DSP则用一系列模块化函数来逼近和模拟这种处理过程。
音标并不是对解剖结构的直接描写，而是对“发音结果”（即我们能听出来的语音类别）做出的听觉+生理双重标记。音标反映了：舌头怎么动？嘴巴怎么开？气流怎么流？我们感知到了什么差异？
阉伶歌手的声学奇迹
17-18世纪的欧洲歌剧舞台上，曾有一类令人震撼的歌手——阉伶（Castrati）。他们在童年接受阉割手术，因此保留了童声时期的声带长度与张力，但随着年龄增长，胸廓和共鸣腔发育为成人男性的结构，形成兼具明亮高音与强大共鸣的独特音色。巴洛克歌剧的咏叹调结构复杂、旋律流畅、装饰音繁多，极需高超的技巧与音域控制，正契合阉伶的声乐优势。尤其是Farinelli，据记载其音色如“高音区的雷鸣”，在当时享有极高声誉，不仅技艺非凡，还以一种近乎超自然的方式，唤起贵族女性强烈的情感与生理共鸣，被称为“音乐高潮”的缔造者。
然而，Farinelli的身份也充满悖论：他既拥有雄性躯体的力量感，又因失去性功能而脱离传统性别角色。这种身体与声音之间的错位，使他的舞台形象既迷人又令人困惑，强化了巴洛克歌剧中人性、欲望与牺牲的主题。这一戏剧张力在同名电影《Farinelli》中亦有深刻展现，影片在极致音乐之美之外，也直面了阉伶作为“非完整之人”的情感困境。
为了尽量模拟Farinelli的传奇之声，剧组运用了数字信号处理（DSP）技术，将男高音与女高音的声音融合为一。这种前所未有的音色，虽仍无法真正还原Farinelli的完美，却已是人间难得一听的奇迹，彰显了科技与艺术的融合尝试。
现存唯一一段阉伶录音录于约1900年，演唱者为当时年逾七旬的最后一位阉伶 Alessandro Moreschi，录音条件原始，嗓音也已退化。尽管如此，其在高音区的发声依然声带全开，展现出强烈的穿透力和开放共鸣，极具辨识度。即便现代的女高音或假声男高音能达到类似音高，却难以复现那种音色的饱满与力度。
阉伶歌手的发声特征展示了解剖结构对声学表现的深刻影响，也成为后世研究发声生理与音色关系的重要案例。
声音的物理特性与感知
在语音学中，声音被看作一系列可测量的物理信号。其关键参数包括：
- 频率：反映声波的周期，决定感知音高；
- 振幅：反映声波的能量，决定响度；
- 持续时间：反映语音单位的时间跨度；
- 共振峰：反映声道形状对频率的选择性增强。
声谱图作为语音可视化工具，是现代语音处理中的核心技术之一。它展示了频率与时间的二维分布，并以灰度或色阶反映强度，广泛用于语音识别、合成与说话人识别等任务。
人类感知的 Pitch（音高）并非等同于频率。它是人类对基本频率（F0）的主观感知结果。在 100Hz 到 1000Hz 范围内，音高感知近似线性；而在更高频率上，则呈现出对数式增长趋势。
为了更好地模拟这种感知，语音学中引入了 Mel 音阶：
mel(f) = 1127 × ln(1 + f / 700)
这一转换模型常用于语音识别中的声学特征提取，如 MFCC（Mel Frequency Cepstral Coefficients）。
对数Mel倒谱是将语音信号的频谱信息经过 Mel 频率缩放、对数运算和离散余弦变换（DCT）得到的一组低维特征。它通常编码29个维度的特征向量，是针对人类听觉建立的模型，这些特征有效地保留了人类语音中最能区分音素的信息（尤其是共振峰的分布），而抑制了说话人、语速等冗余因素。是语音识别的基础。
语音学的系统分类框架
在对音素进行分类时，语音学采用三个正交维度：
- 发音部位：如唇音（labial）、齿龈音（alveolar）、软腭音（velar）等；
- 发音方式：如爆破音（stop）、摩擦音（fricative）、鼻音（nasal）、近似音（approximant）；
- 发声状态：声带是否振动。
这套系统不仅在语言学研究中使用，也是现代语音合成（TTS）与识别（ASR）系统设计的重要参考依据。
例如，音素的发音方式和部位信息，常被用于辅助建模语音特征，提升系统的自然度和准确率。
韵律与语调
在自然语言交流中，语音并不只是音素的拼接，还包括句子层级的韵律系统（prosody）。Prosody 不是中文的单个字发音所用的调号，而是高于单字的语调韵，描述的是整体的特性。它包括三个关键方面：
- Prominence（显著性）：突出重读或语音强度的差异；
- Structure/Boundaries（结构与边界）：指话语中自然的分组与停顿；
- Tune（语调曲线）：句子的音高走向，如上扬疑问句或下降陈述句。
其中，Tune（语调曲线）尤为关键，它承载了大量句法与语用的信息。
WH-Question Tune
WH疑问句（如who, what, where等）通常采用下降调（falling contour），与陈述句非常相似。这种语调传达出一种“我预期你有答案”的期待感，而不是开放式的疑惑。
Rising Statements 与 Yes-No Questions
另一方面，当陈述句带有高升调（High Rising Statement）时，往往意味着说话人寻求确认或认同。
而标准的是非疑问句（Yes-No Question），则从主要重读（main accent）后开始上升，并在句末保持上升，表现出对肯定或否定回答的期待。
Surprise-Redundancy Tune 与 Contradiction Tune
不同的语境下，语调还会展现出更复杂的变化：
- Surprise-Redundancy Tune：低起点，逐渐升高到句末，传达轻微惊讶或强调多余信息。
- Contradiction Tune：陡然下降开头，之后保持平直，句末再上升，用以强调与先前信息的对立或质疑。
根据 Ladd（1996）的定义，语调是一种超音段（suprasegmental）特征，承载的是句法与语用层级的意义表达。
在韵律层次上，句子的划分也极为重要。
- 单一语调片段（Single Intonation Phrase）：
整句话由一个完整的音调流覆盖，常见于简单广泛焦点的陈述句，如：
“Many natural foods are healthy.”
- 多语调分段（Multiple Intonation Phrases）：
更长的句子可被划分成多个小片段（phrases），每段带有独立的微调变化，帮助听众分辨信息单元，如：
“I met Mary / and Elena’s mother / at the mall yesterday.”
每个短语的停顿与音调边界清晰地提示了句法结构。
这种划分有时也能帮助消歧义（Phrasing Helps Disambiguate），比如：
- 平铺直叙：“Mary and Elena’s mother mall”，容易理解错。
- 适当分块：“Mary / Elena’s mother / mall”，句子层次清晰，意义明确。
在一个语调片段内部，通常不仅仅有一个重读点。
- 核重音（Nuclear Accent）：
指的是最后一个最突出的重音，通常承担着语义焦点，如对比、强调等功能。
例如：“I know SOMETHING interesting is sure to happen.”，其中“SOMETHING”是核重音。
- 其他显著层次（Levels of Prominence）：
从强强调（emphatic accent）、普通重音（pitch accent）、无重音（unaccented）、到弱化词（reduced），构成了丰富的语音突出体系。
在TTS系统中，这种多层次的重读建模也成为生成自然、富有表达力语音的关键。
语音合成：TTS
最早期的Text To Speech (TTS)不使用计算机而是机械，有了计算机之后产生程序化拼接发音，机器人味道很重。本世纪初产生了基于深度学习的TTS，首次出现了自然多变的声音。然后这两年产生了端到端的TTS，基本上达到了人类声音效果。
历史TTS：在人类探索声音模拟的历史中，18世纪至20世纪的机械式语音合成器堪称先驱。
1780 — Wolfgang von Kempelen 的发声机由小哨子模拟辅音发音。使用橡胶制成的嘴和鼻子调制元音，发非鼻音时需要用手指堵住鼻孔。无声音（如/p/, /t/）则由辅助风箱通过绳索驱动，制造气流爆破效果。
1939 — Homer Dudley 的 VODER（Voice Operation Demonstrator）
通过复杂的键盘手动控制，模拟不同语音单元。但是操作难度极高，操作员需长时间训练才能产生可理解的语音。演示时常用技巧：提前告诉观众即将听到的内容，显著提高理解率。
1950年代 — Gunnar Fant 的 OVE Synthesizer由瑞典皇家理工学院（KTH）开发，进一步模拟声道动态变化。但是控制参数极为复杂，操作员训练依旧是主要瓶颈。
这段历史清楚展示出一个事实：即使在最早期的TTS探索中，人类也意识到发音机制的复杂性，并不断努力在模型、控制与感知之间寻找平衡。
早期拼接式TTS，把音素录音拼块拼接，听起来像机器人。TTS的恶名就是从那时候开始流传。然后发展出隐马尔可夫过程的HMM TTS利用音素参数建模，构造基准频率，共振峰，终于可以调节语气语调，它的机械感淡了一些，但是语音质量还是很差。
自从2010年前后，基于深度学习的TTS开始流行起来。流行的模型比如早期的Tacotron系列和晚期的FastSpeech系列。深度学习模型不再依靠语音学规则，而是从数据中自动学习韵律、音色、节奏特征。
它们通常把TTS分为两个阶段，第一个阶段是文本分析，第二个阶段是产生声音。第一阶段产生的结果是Mel频谱图。然后再通过它产生声音。这种使用中间表示层的处理方法有一定的好处，在文本处理阶段，可以单独收集文本数据（不需要声音），在音频生成阶段，可以单独收集语音数据（不需要文本对齐太精准）。同时Mel频谱图和人类识别声音的方式有诸多相似之处，易于操纵和处理。
在第一个阶段里，第一步就是把文字清洗成干净的可表达的文字，一串数字，如果是当成日期时间，或者是电话号码，它们以声音的表达方式并不一样，因此需要被明确的标注出来，包括特殊符号之类的。如何把原始混乱的文本，转化成标准化的文本表示。有众多模型可以选择，尤其是NLP语言模型。下面是一个显式中间表示层的例子：
{
"text": "read",
"pronunciation": "ɹiːd",
"pitch": "medium",
"pause_after": "150ms",
"emphasis": "strong"
}
然后单个字符或者两三个字符一起被转变成对应的音素，类似从字母组合产生音标，这一步称作G2P，也有很多的G2P方案可供选择。
同时，系统必须不仅产生正确的音素序列，还要在中间表示层显式或隐式地建模韵律信息——例如重读位置、停顿断句、音高轮廓变化等。否则，生成的语音即便发音准确，也会显得僵硬或不自然。这些音素需要被拼接起来，把基频率F0对齐。
第二个阶段根据标准化文本 + 韵律信息 → 生成语音波形。这个部件称作声码器，Vocoder。尤其是基于生成式对抗网络GAN的vocoders是近年来最佳声码器。例子有MelGAN, Parallel WaveGAN, HiFiGAN等等。其中Mel频谱图，因为声音从时谱转换成频谱，经过了短期快速傅立叶变换，所以相位信息丢失，在产生语音的时候还需要进行相位对齐，好在人类对于相位不是特别敏感。这个阶段有代表性的TTS还有 Tortoise TTS，速度很慢，但是质量极高，性能极稳，用来配音很不错，适合离线高质量语音生成。
端到端模型的出现：mel频谱难以捕捉长期韵律结构，且局部编辑困难。所以，近年来，端到端的TTS开始出现，这些TTS不再显式的训练Mel频谱这种中间表达方式，从连续变量走向离散变量。
2021 年的NAVER发布的VITS是早期端到端模型的代表，它直接把中间层和最终输出同时进行训练，避免了显式中间层。VITS采用了当时最佳技术，比如使用Flow可逆模型，Flow类似扩散模型，但是使用可逆的映射，因此可以把原始信息还原出来。在比较的时候，从文字材料和录音材料中分别识别出潜变量，利用KL散度进行训练，然后生成的语音再通过GAN和原始语音予以比较。其损失函数包括训练损失和GAN的判别损失。因此做到了：在波形并不逐点相同的情况下，感知上比较真实。最终在推理阶段使用HiFI-Gan来产生波形音频。VITS 是第一个真正做到“高质量 + 高效率 + 端到端”的 TTS 模型，它成功融合了 VAE、Flow 和 GAN 三大生成模型思想，标志着 TTS 技术从模块拼接走向结构统一。虽然VITS端到端，它仍然是连续潜变量。在VITS基础上，StyleTTS, NaturalSpeech改进其部件，加入了扩散模型，风格建模，多模态。
而以微软亚洲研究院 VALL-E（2023年1月）为代表的新一代TTS系统，引入了离散声学码（Discrete Acoustic Tokens）的概念。把语音当作语言来处理。从它开始，我们发现TTS进入了一个新的“范式转变”，我们不再关心“如何发出声音”，而是开始考虑“怎么说话”。
Vall-E通过神经编解码器，将音频压缩成离散的token序列，每个token大约数十毫秒，它不仅编码音色，还综合了局部的节奏、音高、能量特性。这种离散化方法，使得TTS系统像语言模型（GPT）一样操作声音序列：
- 支持局部编辑（editing）
- 支持风格迁移（style transfer）
- 支持局部修复（inpainting）
- 保持韵律自然流畅
2023年4月面世的Bark也是基于相同的架构，但进一步扩展到多模态音频生成。suno.ai利用扩散模型，实现了统一音频生成，文本，音效，音乐统一建模。它甚至emoji、停顿标点、语气词、描述性词汇，相当于音频GPT，而且可以运行在消费级GPU上。
2023年5月面世的XTTS是coqui.ai 开源的模型，它支持多语言，又引入了Prompt Token，可以实现多发言者的语言迁移。这个名字源于它的核心能力：用一段语言说话的样本，就可以用任意语言生成同样声音的人说话。技术上说，从参考音频提取说话人特征，注入到生成模型里。离散声学码的训练相当于大语言模型，成本高昂，创业公司难以与大公司竞争AI资源。
2024年的亚马逊模型Base TTS通过扩大参数规模，在性能上达到了一个新的高度。
离散声学码基本上遵循AudioLM结构，语音和声学Token单独训练，拼接生成。它的训练相当于大语言模型，成本高昂，创业公司的模型虽然设计精巧，屡有创新，但是它们往往不过数千万到数亿参数，更大的模型训练起来就太贵，大公司如微软，亚马逊，就可以凭借自身的AI显卡资源，成功训练十亿以上规模参数的模型，以算力霸榜。
最近的半年以来又出现两个新趋势：
统一语义和声学的Token
复旦大学的 SpeechTokenizer 论文建立了统一处理声学和语义的Tokenizer，这将前沿研究推进了一步。以前的离散声学码比如EnCodec，音色很好，但是不理解语义。HuBERT理解语义，但是音色较差。SpeechTokenizer把语义Token蒸馏进声学Token，在一个统一的Token里同时表达水平可以接受的语音和语义，则可以统一处理，不仅语义自然，节奏合理，而且音色真实，可以迁移。
流媒体式Token模型以Alibaba的CozyVoice2 和 Kyutai的Moshi为代表
CozyVoice2 实现 text + speech token 的交错建模，支持流式与非流式的统一语言建模，使模型可边听边说、随时调整回复。
Moshi 则是第一个端到端的语音到语音对话系统，彻底取消 ASR + NLP + TTS 的模块化流程，它实现 Inner Monologue 概念：模型在发声前内部先进行“内心语音推理”，建模了人类式“被打断-暂停-续说”的能力。
通过这种 token 流（token stream）的组织方式，模型不再是“句子-输出”机器，而是具备 动态节奏感与连续互动能力的语音交互体，如同一个会思考的说话人。
未来的TTS系统将不仅局限于语音合成，而是逐步走向全音频生成和多模态统一建模，融入动态粒度控制（Dynamic Granularity Editing）、零样本风格迁移（Zero-Shot Style Transfer）等前沿技术，进一步实现更真实、更个性化的人机交互。
语音识别：ASR
语音识别Audio Speech Recognition (ASR)同样经过了一系列的技术演进。ASR有独特的挑战，它要把连续的语音信号里离散化，找出有意义的实体，将其转变为文字。而语音信号里，每一个音素的发音并不是一成不变。同音词又如何选择合适的词？多人同时发声如何分离？对这些挑战的回应造就了今天的语音识别系统。
自动语音识别最早由 Bell Labs 在 1952 年实现的单说话人数字识别器开启。当时的系统仅能识别 0–9 十个数字，使用模拟电路和简单能量分析。尽管精度很高，错误率仅2%，但只能用于非常受限的任务。
1970年代早期，IBM 的 Jelinek 与 CMU 的 Baker 几乎同时独立地将隐马尔可夫模型（HMM）引入语音识别。这一创新提供了第一个能够严谨建模语音时序变化的统计方法。HMM 将语音看作一个状态序列，其中每个状态会生成某种概率分布下的声学观测。我们要做的，就是从可观测值，推算隐藏值的概率。
1980年代，美国国防部高级研究所资助了大规模语音识别研究项目，促成了 TIMIT、WSJ 等语音语料库的建立。同时，高斯混合模型（GMM）被用于建模 HMM 中每个状态的发射概率，通过多个高斯分布的叠加，可以模拟多样化的分布。识别系统结构由：特征提取 MFCC + HMM-GMM 解码器组成。
1990年代，随着计算能力提升和算法成熟，语音识别逐渐从“孤立词识别”走向“连续语音识别”，并支持更大的词汇表（1万～6万词）。同时，研究者发展了早期的语言模型n-gram来辅助词预测。n-gram计算常见词汇同时出现的概率，在声音相近的同义词中用来选择最合适的那个。对人类听觉感知的研究导致MFCC 作为主流声学特征广泛使用，它所使用的倒谱符合人体听觉对人类发声器官的识别规律，它保留共同的发音，去除个人的音色。这两种技术称霸排行榜很多年。接下来的十余年，系统性能趋于饱和。
2011 年起，基于深度神经网络（DNN）的声学模型首次大规模被用于语音识别，它可以很好的拟合各种分布，取代了 GMM 成为主流。早期的结构为 DNN-HMM 混合模型：使用 DNN 来估计 HMM 状态的后验概率 ，通过贝叶斯定理转化为发射概率。这一时期的成果显著提升了 ASR 性能，尤其是在嘈杂环境和非理想发音条件下。
2014年起，为了更好地处理长时依赖，循环神经网络（RNN）和 长短期记忆（LSTM）网络被引入语音识别。与此同时，CTC（Connectionist Temporal Classification）允许网络在无帧对齐标签下进行训练，催生了端到端（End-to-End）语音识别范式。它自动合并相邻的重复采样帧，因此，我们不再需要由模型明确的判断每一个音的开头和结尾时间。当然，带来的问题是，重复字符发音也一起被合并。
其中，Google Deep Speech 采用 RNN-CTC 架构，首次提出不再依赖 HMM 的识别系统。
2017–2020：Attention 与 Transformer 模型
随着注意力机制的发展，基于 Transformer 的模型，如 Listen, Attend and Spell(LAS)，Conformer，逐渐成为主流。它们提供了更强的建模能力，支持并行计算，也适合长距离上下文建模。端到端模型逐步成熟，结构包括：
- CTC（无需对齐）
- RNN-T（在线识别）
- Encoder-Decoder（如 LAS）
- Transformer / Conformer（注意力机制）
这些模型常常集成语言模型、发音词典等组件，超越了传统系统的表现。
2021–至今：大模型与预训练
现代语音识别系统正与大型语言模型融合，如：
- Whisper（OpenAI）：使用大规模数据训练的多语种、多任务语音识别模型
- wav2vec 2.0（Meta AI）：利用自监督学习在大量未标注音频上进行预训练，再微调完成语音识别任务
- SpeechLM、HuBERT、Data2vec 等多模态语音语言模型
这些方法使 ASR 系统无需从头训练，能够更好地适应低资源语言与复杂环境。这些先进方法包括：为空白建模，无声也是一个因素。在语音Token之上训练出语义识别。
ASR的总体技术发展趋势是：特征工程 → 概率建模 → 神经建模 → 数据驱动预训练
这些语音识别的训练方式，越来越接近人类婴儿的语音学习方式。
语音学的未来
尽管现代深度学习系统能够自动从语音数据中学习字音映射、语调模式，甚至跨语言迁移特征，但当模型出现偏差或识别失败时，问题常常回到最基础的问题：模型是否理解了语言背后的语音机制？
在这方面，语音学提供了两种重要支持：
- 诊断工具：帮助工程师判断语音系统在哪个环节出现问题；
- 设计参考：为模型架构、特征设计与数据增强提供语言层级的视角。
语音学并非被深度学习取代的旧知识，而是在智能系统中以另一种形式延续并重构的框架。它不仅解释人类如何发声，也启发我们设计能「听懂」、「说出」甚至「模仿人类语调」的智能系统。
另一方面，现在的计算机语音研究越来越多地涉及：
- 深度学习 (Deep Learning)
- 自监督学习 (Self-supervised Learning)
- 大语言模型 (Large Language Models)
- 多模态建模 (Multimodal Modeling)
这些技术领域使用了语音学的术语（如音素、韵律），但已经不再主要关注语音本身的基础机理、声学与感知，而是关注于模型训练、数据驱动与神经网络结构优化。因此可以说：当前的TTS和ASR已经明显超出了传统语音学范畴，变成了一个高度跨学科的领域，包含语音学、语言学、深度学习、信号处理、机器学习、NLP 等众多交叉领域。TTS和ASR不仅限于语音学本身。
而语音学成为基础知识，将在未来人与机器共同演化的过程中，持续提供其独特而不可替代的洞见。
异常识时务 