音の計測ソフトの紹介

　棟田　陽

１．はじめに

　以前，パソコンを使った計測では，パソコンにADコンバータを接続する必要があったが，最近のパソコンにはほとんど，音声入力端子（ADコンバータ）が備わっており，交流信号の測定が簡単にできるようになった。今回，Windowsで音または交流信号の計測が可能なソフト（名称：「おんかいくん」）を紹介する。

２．ソフトの概略説明

　このソフトは，録音時に，リアルタイムに波形が表示され，リアルタイムにフーリエ変換が行われ音の振動数を知ることができる。また，振動数がピアノの鍵盤のどの位置に相当するか，リアルタイムに知ることができる。ミキシング機能もあり，２０倍音までのミキシングが可能であり，ピアノの鍵盤でいろいろな音色の音階を出すことが可能である。

振動数表示

倍音設定

周波数分析

波形表示

図　ソフトの初期画面

３．音の計測について

(１)　音速の測定

　デスクトップタイプのパソコンには，ライン入力端子が備わっており，これがステレオタイプになっている。これを利用するとこのソフトでは，音速の測定が可能である。

図　コンデンサマイクと増幅器　　　　　　　　　

〜9V

図　回路図

コンデンサマイク

パソコン

増幅器

コンデンサマイク

音源

１ｍ

図　計測の様子

図　計測結果

○実験より音速計算：（１／（５．７９５−２．８９７））×１０^３＝３４５ｍ／ｓ

○理論値：

気温が２５℃より，３３１．５＋０．６×２５＝３４７ｍ／ｓ

音の振動数を表示

(２)　音の三要素（大きさ・高さ・音色）

ＦＦＴにより，音に含まれる周波数分析が観察できる。

倍音の調整ができる。

音の大きさ・高さの違いと波形の違いを観察できる。

○ 音の高さについての話題

図　あおまつむしの虫の声

（データ：渋谷さんのホームページよりhttp://www.bekkoame.ne.jp/~sibutaka/）

　電話では，３４００Hz以上の周波数の音はカットされ伝えることができない。そのため，鈴虫などの虫の声は電話では伝えることができない。このソフトではこのような現象も周波数分析から理解できる。

(３) うなり

　振動数ｆ_１とｆ_２の音を同時に鳴らすと，｜ｆ_１−ｆ_２｜のうなりが観測される。これを実際に波形から確かめることが可能である。

　ミキサー機能により，ｆ_１＝３８０，ｆ_２＝４００とする。（うなりは，差が１０Hz以上になると観測されなくなるので，今回の設定は計算のために設定した値である。）

　周波数分析のグラフより，３８０Ｈｚと４００Ｈｚの２つの振動数が含まれていることがわかる。

　波形より，うなりの周期が５０ｍｓであることから，うなりの周波数が２０Ｈｚであることがわかる。

(４) 音色について

　音色の違いは，含まれる倍音の違いである。母音の「アイウエオ」は，音色の違いである。各母音の振動数はほとんど同じで，含まれる倍音の違いであることがよくわかる。

イ

ア

　　

エ

ウ

　　

オ

このソフトでは，２０倍音までのミキシングが可能であり，ピアノの鍵盤を使って，いろいろな音色の音階を出すことが可能である。

４．一般計測への応用

　このソフトを利用することで，交流信号の計測を行うことが可能である。 電気振動の測定例を示す。

　マイクの出力端子の信号を使用して，コンデンサを充電し，コンデンサに電荷を持たせる。次に，スイッチを放電の方にあわせると放電が始まり，電気振動の様子が観測される。

図　電気振動の回路図

図　測定結果（「おんかいくん」の前ヴァージョンによる測定結果）

５．課題研究への応用

　音の項目の課題研究は，題材が豊富であるので，生徒にとって取り組みやすいと考える。以前行った課題研究テーマの項目の例を次に挙げる。

・声の振動数の範囲

・兄弟の声の分析

・母音のスペクトル分析

・声の高さの違いによるスペクトルの違い

・和音の合成と振動数の分析

・キーボードの音の振動数

・リコーダーの音の振動数

・心臓の音

・音声の合成

６．ソフトについて

このソフトの感想，バグ情報をいただければ，バージョンアップに反映していきたいと思います。

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