音響学

私たちは、日常的に相手の声を聞き分け、誰の声かを認識しています。声には、高低や強さだけでなく、一人ひとり異なる個性的な特徴、すなわち声色があります。この声色の違いを生み出す要素の一つに、「フォルマント周波数」と呼ばれるものがあります。フォルマント周波数とは、人間の声が持つ音響的な特徴の一つで、音声のスペクトル分析を行った際に現れる、ピークの周波数のことを指します。 例えるなら、人間の指紋のように、声にも固有のパターンが存在すると言えるでしょう。同じ「あ」という母音を二人の人が発声したとしても、全く同じ音に聞こえるわけではありません。これは、声の通り道である声道（声帯から唇、鼻腔までの空間）の形状が人によって微妙に異なるためです。声帯で発生した音が、この声道を通過する際に共鳴し、特定の周波数が強調されます。この強調された周波数がフォルマント周波数であり、この周波数の違いが、私たちが聞き取る声色の違いとなって現れるのです。 フォルマント周波数は、音声認識や話者識別など、様々な音声技術に応用されています。声紋認証も、このフォルマント周波数を利用した技術の一つと言えるでしょう。

私たちが普段耳にしている音は、高い音や低い音、大きな音や小さな音といった違いだけでなく、音色も実に様々です。例えば、同じ高さの音符をピアノで弾いたときとバイオリンで弾いたときでは、全く異なる音色に聞こえますよね。また、人の声の場合でも、話す人によって声色が違うように、声にも個性があります。 では、このような音色の違いは何によって生まれるのでしょうか？その秘密の一つが、「フォルマント」と呼ばれるものです。 音は、空気の振動によって生まれます。楽器や声帯が振動すると、その振動が空気中を伝わって、私たちの耳に届き、音として認識されます。このとき、音は様々な周波数の波を含んでおり、この周波数の成分とその強度のバランスによって、音色が決まります。フォルマントとは、この周波数成分の中で、特に強く響く周波数帯域のことを指します。 楽器や声帯の形や材質、発声方法などによって、フォルマントの周波数や強度は異なります。そのため、同じ高さの音であっても、楽器や声によって異なる音色に聞こえるのです。例えば、バイオリンの音色が豊かに聞こえるのは、高周波数のフォルマントが強く響くためです。また、人の声の場合、声道の長さや形によってフォルマントの周波数が変わるため、大人と子供、男性と女性で声色が異なります。

私たちが日常会話で何気なく聞いている音声、特に「あ」や「い」といった母音は、実は特定の周波数の音が強調されることで、はじめて聞き分けることができるのです。この音声認識において重要な役割を果たす、強調された周波数のことを「フォルマント周波数」と呼びます。 フォルマント周波数は、声道の形や長さに大きく影響を受けます。声道の形や長さは、一人ひとり異なり、まさに十人十色です。そのため、フォルマント周波数は声紋のように個人を特定する重要な特徴となります。 例えば、「あ」という母音を発音する状況を考えてみましょう。この時、第一フォルマント、第二フォルマントと呼ばれる二つの周波数が特に強く観測されます。 「あ」という音は、この第一フォルマントと第二フォルマントの周波数の組み合わせによって、私たちの耳に「あ」の音として認識されるのです。 つまり、フォルマント周波数の組み合わせこそが、私たちが様々な母音を聞き分けられる鍵と言えるでしょう。

私たち人間の声は、楽器のように個性豊かです。声の高さや調子、抑揚といった様々な要素が組み合わさることで、私たちは一人ひとりの声を聞き分けることができます。この声の特徴を生み出す要素の一つに、「フォルマント」というものがあります。 フォルマントとは、簡単に言うと音声の周波数特性に現れるピークのことです。人間の声は、声帯の振動によって生み出された音が、声道（口の中や鼻の奥などの空間）で共鳴することで作られます。この時、共鳴しやすい周波数帯域があり、その部分がフォルマントとして現れます。 楽器で例えると、ギターの弦や太鼓の皮が振動することで音が鳴りますが、楽器の形や材質によって共鳴しやすい音の高さは異なります。フォルマントもこれと同じように、一人ひとりの声道の形や大きさによって異なるため、声の個性を生み出すのです。 フォルマントは、「音の指紋」とも呼ばれます。指紋が一人ひとり異なるように、フォルマントもその人特有のパターンを持っているからです。そのため、音声認識や話者識別など、様々な技術に応用されています。