WEB APP · BROWSER ONLY 中高生のスペクトル探究

自分の声を、
見てみよう。 中学校の理科で扱う「音の三要素」のうち、定量的に扱うのが難しい 音色 を、ブラウザでリアルタイムにスペクトル可視化する Web アプリ。
授業の演示や中高生の探究活動に、デバイスを問わず使えます。

アプリを起動する browser 活用例を見る
0つの図
波形・スペクトル・
時間変化を同時表示
0回
出張授業・
ワークショップ実績
2019〜
公開・運用開始
以後 継続して活用
01 background

中学校の理科では、音色は語られない。

現行の学習指導要領では中学理科の「音の性質」で音の三要素（音の大きさ・高さ・音色）を学習しますが、音色は定量的に扱うのが難しく、授業で取り上げられることはあまりありません。
その音色を可視化するのに有効な図が スペクトル です。波形をフーリエ分解して周波数成分を表示することで、波形だけでは見えにくい音の特徴がはっきりとらえられるようになります。
このアプリは、中高生が自ら音を録って調べ、考えることで、より音や波に関心を持てるようにつくられた、ブラウザで動くスペクトル可視化ツールです。

ノートPCとスマートフォンで動作する音の可視化アプリの画面。波形・スペクトル・スペクトルの時間変化が同時に表示されている
browser app · laptop & smartphone
three elements
音の三要素のうち、
音色は数値化しにくい

音の大きさは振幅、高さは周波数で測れる。一方の音色は「同じ高さ・同じ大きさでも違って聞こえる質」で、波形をパッと見ても違いが見えにくい。

spectrum view
スペクトルで、
周波数成分を可視化

波形をフーリエ分解して、含まれている周波数成分の強度を表示。同じ高さの音でも、倍音の量・分布が違えば音色が違うことが目に見える形で分かる。

giga school
ブラウザで動く、
1人1台のスペクトル

GIGAスクール構想で配備された端末でも気軽に使えるよう、Webアプリとして公開。インストール不要・OS問わず、マイクが付いていればその場でスペクトル可視化ができる。

波形→スペクトル→スペクトルの時間変化、3段階の表示概念図
waveform → spectrum → spectrogram

授業の演示はもちろん、中高生にとっての身近な研究テーマや探究活動の道具としても使えます。
言語・音声・音楽・科学 ──音のスペクトル分析は、教科を横断して STEAM 教育・SDGs にもつながる広がりを持っています。

音声分析の活用領域図：言語（外国語の母音発音練習）、音声（動物の鳴き声、感情）、音楽（弦・弓・楽器の奏法）、科学（打音による内部診断、吸収材の周波数特性）
language · voice · music · science · application areas
02 use cases

声と楽器を、スペクトルで読み解く。

母音のフォルマント分析、バイオリンの弦ごとの音色比較、単一周波数音やノイズ音をつくる活動。
どれも身の回りの素材で進められ、学校の授業や中高生の自主探究で取り組まれてきた事例です。

case · vowel formants

母音の分析

母音の音色は フォルマント周波数 で特徴づけられることが知られています。発声時にスペクトル上に現れる特徴的なピークを、低い方から F1, F2, F3 ... と呼びます。

  • F1：口の開口度にほぼ対応。口を大きく開けると周波数が高くなる。
  • F2：舌の位置にほぼ対応。舌が前にあるほど周波数が高くなる。

F1・F2 の関係から母音を同定できるので、スペクトル画像から「あ・い・う・え・お」のどれを発音したかを当てるワークも可能です。

  • スペクトル画像から、何と言っているかを当てる
  • クラス内でフォルマント周波数を調べ、性別や身長との相関を分析する
  • 英語の母音 ʌ / æ / ɑ の発音の違いを、自分の発音と比較する
母音「あ・い・う・え・お」のスペクトル例。F1とF2の値が母音ごとに異なる
vowel · spectrum samples
母音発声時のスペクトル拡大表示。F1, F2, F3 のピーク位置が示されている
F1 · F2 · F3 peaks
case · violin strings

楽器の分析（バイオリン）

音楽の授業などで楽器を使った活動と組み合わせる事例。バイオリンには G・D・A・E の４本の弦があり、太さや材質が異なるため 音の高さだけでなく音色も異なります。低い音から順に音階を弾きながら使う弦を変えていくと、音程だけでなく音色の違いがスペクトルに表れます。

さらに同じ弦でもメーカーごとに音の性質が異なります。各倍音成分のピーク強度をプロットすれば、Dominant は定番のバランス、Alphayue は2倍・3倍音が強く厚みのある音色、Tonica は高周波成分が豊かできらびやか──といった主観的な印象とスペクトルを照合する探究も可能です。

バイオリンのG線・D線・A線・E線ごとに弾いた音のスペクトル比較。弦ごとに低・高周波数成分の強度が異なる
G · D · A · E strings
バイオリンの弦メーカーごとの倍音成分強度プロット。Dominant・Alphayue・Tonicaで強度パターンが異なる
brand · harmonic intensities
case · single tone

できるだけ１成分のみの音をつくる

１つの周波数成分だけで音をつくろうとする活動です。やってみると思うほど簡単ではなく、身の回りのほとんどの音にはさまざまな成分が含まれていることを体感できます。

  • 口笛 ──比較的単一成分に近い
  • 裏声（ファルセット）──倍音が控えめ
  • 目覚ましの電子音 ──きれいな単一周波数

中高生が実際に提出してくれた工夫の一例。スペクトルの時間変化表示を使うと、口笛と電子音の違いが一目でわかります。

1成分のみに近い音の提出例（口笛・目覚まし）。スペクトルの時間変化に細い1本の線が表示されている
whistle · alarm · single tones
case · broadband noise

できるだけあらゆる周波数成分が含まれる音をつくる

逆に、広い周波数領域でほぼ均等に強度をもつ音をつくってみる活動です。音の「ノイズ成分」を直感的に体感できます。

  • 机をたたく音
  • 手を叩く音（拍手）
  • ビニール袋をこする音
  • 息を吹きかける音
ノイズに近い音の提出例（机をたたく・ビニール袋をこする・息を吹きかける）。スペクトルが広い周波数帯にわたって広がる
tapping · rustling · breath
03 past events

これまでの出張授業・ワークショップ。

2019 年の東北大学「ぶらりがく」を皮切りに、中高生・小中学生・科学イベント参加者向けの出張授業・ワークショップで活用しています。

2019.10oct 20
東北大学 ぶらりがく『声を可視化して分析しよう』
on-site
2021.08aug 21
オンライン 自分の声を可視化して分析しよう 中高生対象オンラインワークショップ
online
2022.01jan 6
KODOキッズステーション 音声認識プログラミング
workshop
2022.12dec 22
昭和学院中学校・高等学校 自分の声を可視化して分析しよう
school visit
2023.08aug 20
KODOキッズステーション 楽器を作り、音を分解してみよう！
workshop
東北大学ぶらりがくでの「声を可視化して分析しよう」ワークショップの様子
東北大学・ぶらりがく。 TOHOKU UNIV · 2019.10
ワークショップで参加者がアプリを使って音を分析している様子
参加者がアプリで音を分析。 HANDS-ON · WORKSHOP
KODOキッズステーション「楽器を作り、音を分解してみよう！」ワークショップの様子
楽器をつくって、音を分解。 KODO KIDS · 2023.08
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ブラウザで、音を見てみよう。

マイク付きのデバイスとブラウザがあれば、その場ですぐに使えます。
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