言語聴覚士のための音響学

第１１回
音のデジタル化

	今日のポイント
	アナログとデジタル
	標本化
	実験１２　サンプリング周波数と分析可能な周波数
	量子化
	復習テスト

１．アナログとデジタル

AD変換（アナログ・デジタル変換）のしくみ

【ここがポイント！】
			マイク→アンプで音が入力されます。
			アー！
			↓
			アナログ信号
				【特徴】 連続したデータがある コピーによって劣化しやすい
			↓
			デジタル化（標本化・量子化）
			↓
			デジタルデータ	【特徴】 とびとびのデータのみ 音質は、サンプリング周波数・ビット数に 左右される コピーによって劣化しない

小野測器さんのHPより
「アナログとディジタル」

２．標本化（サンプリング）

	サンプリングって？
		【ポイント】 横軸をどのくらいで区切る？
	アナログ信号からデジタル信号への変換（AD変換）の際に。。。 音の波を同じ幅に区切っていく →標本化（サンプリング）
	１秒間にいくつに区切るかを「サンプリング周波数」という。
	サンプリング周波数が高ければ高音質になるが、それだけ音声データの 量も大きくなる。
	CDのサンプリング周波数は44100Hz

３．実験１２　サンプリング周波数と分析可能な周波数

	サンプリング周波数の変え方
	WavesurferでFile→PreferencesでSound I/Oのタブで New sound default rateを以下の周波数に変えてみよう。

【ここがポイント！】
	絶対に覚えて！とっても大切！
	音声分析をする時は。。。 分析したい上限の周波数の「２倍のサンプリング周波数」にする！ 普通は16000Hzを使うよ！（常識として覚えておこう）
	つまり、逆にいうと。。。 「分析可能な周波数（ナイキスト周波数）」はサンプリング周波数の半分！

	MDやmp3を実験の録音に使っていい？
	みんなもMDやmp3プレイヤーをよく使っていると思うけど、 これらはもとの音声を特別な方法で圧縮しているんだ。 「マスキング」って言葉を聞いたことあるよね。聴覚検査でやるあれと同じ 原理を応用してるんだ。 つまり、本当はあるけど、「人が聞こえない音」をカットしてしまっているんだ。 聴覚検査も検査するのと別の耳にノイズを聞かせて、「本当はある音を聞こえない ように」してるんだよね。 本当はあるってところがみそ。 だから音響分析には使わないほうがいいかもね。 全体像が見えない（聞こえない）から。。。 アナログだから録音後、音質が劣化しやすいけどカセットテープのほうがMDとかより、 全体が聞こえるから分析にはいいときもあるよ。

	wavファイルとmp3を比較してみよう！
	次のファイルをダウンロードして、前回使ったWaveSpectraというソフトで比較しよう！ WaveSpectra for Windows（フリーソフト） wavファイル mp3ファイル
	mp3のファイルに欠けている周波数帯があるかな？
	mp3の圧縮方法は本当はちょっと複雑！ だからこんな実験では分からないけど。。。 違うってことは分かるよね。 音声分析に使わないほうがいいってことも分かるよね。

	なんで16000Hzにしたほうがいいの？
	普通、音声分析ソフトのサンプリング周波数には２系統あるよ。 【ＤＡＴ（デジタル・オーディオ・テープ）系】 48000Hz（ＤＡＴ） 24000Hz（ＤＡＴの２分の１） 16000Hz（ＤＡＴの３分の１） →Wavesurferのデフォルト値・普通、音声の分析に使う 8000Hz（ＤＡＴの６分の１） →電話のサンプリング周波数はこれ 【CD系】 44100Hz（CD） 22050Hz（ＣＤの２分の１） 11025Hz（昔、音声分析に使うことが多かった？ＣＤの４分の１） どちらかというとＤＡＴ系の方が主流です。 もとのデータは48000Hzで録音することが多いです。 で、いろいろとサンプリング周波数を変えたりするのに48000Hzの半分とか３分の１ とか割り切れる数のサンプリング周波数にしたほうがゆがみがでなくていいんです。 それから、16000Hzあれば、普通の音声分析に必要なところはカバーできる。 →つまり、8000Hzくらい分析できるんだったよね。 ファイルの容量とかも考えると妥当な線というところです。

	自分の声をサンプリング周波数を変えて録音してみよう！
	１．「あいうえお」と録音。
	２．以下のサンプリング周波数に変えて録音。 8000Hz 11025Hz 16000Hz 22050Hz 44100Hz 48000Hz
	３．録音した音を耳で聴いてみよう。違いは聴き取れるか？ ４．録音した音をサウンドスペクトログラムで見てみよう。 サウンドスペクトログラムの縦軸の「一番高い周波数の目盛」に注目！ 変化はあるだろうか？ 「サンプリング周波数」とサウンドスペクトログラムの「分析可能な周波数（ナイキスト周波数）」と の関係を考えよう。
	５．ほぼ同じ速さで発音して、音声ファイルを作り、ファイルの大きさを記録しよう。 ファイルのサイズの変化をみてみよう。 【ファイルのサイズの調べ方】 音声ファイルの上で、右クリック→プロパティ→サイズ
	６．以下のテンプレートを下の課題提出メールの欄に貼り付ける。

４．量子化

	ビット数って？
		【ポイント】 ↑「縦軸は何段階」？
	サンプリング後、それぞれの値（棒グラフの高さ）を最も近い整数にする →量子化
	信号を何段階の数値で表すか。この値が高いほど、元の信号に忠実な データ（音の場合は高音質）が得られるが、データ量はその分増大する。
	得られた信号を。。。 ２ビットは２の２乗＝４段階の数値で表現 ３ビットは２の３乗＝８段階の数値で表現 ８ビットの場合は、0〜255 ２の８乗＝２５６段階の数値で表現
	CDは１６ビットなので、0〜65535 ２の１６乗＝６５５３６段階の数値で表現
	DVD-Videoは２４ビットまで可能。0〜16777215 ２の２４乗＝１６７７７２１６段階の数値で表現 Wavesurferのデフォルトは16bitだよ。

	【ちょっと国試に挑戦】
	第5回午前77
	音声分析におけるサンプリング周波数について正しいのはどれか。
	1．分析可能な最高周波数に一致する。 2．2倍以下の周波数範囲が分析対象となる。 3・1/2以下の周波数範囲が分析対象となる｡ 4．1/5以下の周波数範囲が分析対象となる｡ 5．分析可能な周波数範囲に関係がない。
	第7回午前80
	音響分析でAD変換のビット数を少なくすると増大するのはどれか。
	1．折り返し歪み 2．量子化雑音 3．SN比 4．周波数分解能 5．時間分解能
	第11回午前41
	デジタル音響分析で正しいのはどれか。
	a. 標本化周期を短くするほどデータ量は増える。 b. 量子化ビット数を大きくするほどデータ量は増える。 c. 標本化周波数を高くするほど周波数分解能は良くなる。 d. 量子化ビット数を大きくするほど量子化雑音は増える。 e. 1000Hzの純音は1000Hzの標本化周波数で標本化してもよい。 １．a,b 　２． a,e 　３． b,c 　４． c,d 　５． d,e
	全部できたかな？

５．復習テスト

	それでは、まとめのテストです！
	名前 メールアドレス 学籍番号 １．サンプリング周波数が高いと音質は？ 良くなる 悪くなる ２．ビット数が大きくなると音質は？ 良くなる 悪くなる ３．サンプリング周波数が高いと音声ファイルの容量は？ 大きくなる 小さくなる ４．分析可能な周波数はサンプリング周波数によって変化する？ はい いいえ ５．今日の授業の進度はどうでしたか？ もっと速くてもいい ちょうどいい速すぎた ６．今日の授業のコンピュータ操作はどうでしたか？ 簡単だった 大体大丈夫大変だった ７．本日の課題（ここに貼り付ける）・授業の感想