初心者も安心！Pythonで音を鳴らす7つの方法

はじめに
●Pythonとは
- ○Pythonの特徴
●Pythonで音を鳴らすための準備
- ○必要なライブラリのインストール
●Pythonで音を鳴らす方法
●Pythonで音を鳴らす際の注意点と対策
●Pythonの音響制御の応用例
まとめ

はじめに

今回はPythonを使って音を鳴らす7つの方法を詳細に解説します。

プログラミング初心者の方でも、本記事を読むことでPythonを用いて音を鳴らす基本的な手法を理解し、自身のプロジェクトに応用できるようになるでしょう。

●Pythonとは

Pythonは、1991年にギド・ヴァンロッサムによって開発された汎用的なプログラミング言語で、そのコードの可読性と簡潔さが特徴です。

学習の敷居が低く、また、広範なライブラリやフレームワークが存在するため、初心者から専門家まで幅広く利用されています。

○Pythonの特徴

Pythonの一番の特徴はその可読性と使いやすさです。

明確な文法規則と豊富なライブラリがあり、データ分析、ウェブ開発、人工知能開発、ゲーム開発など、様々な用途で使用できます。

また、その汎用性の高さから、初学者にとって最初のプログラミング言語として推奨されることも多いです。

●Pythonで音を鳴らすための準備

Pythonで音を鳴らすためには、いくつかの準備が必要です。

まず、Pythonの環境が整っていることを確認しましょう。

Pythonのバージョンは3.xが推奨されます。

次に、音を鳴らすためのライブラリをインストールする必要があります。

○必要なライブラリのインストール

Pythonで音を鳴らすためには、「simpleaudio」「pygame」「pydub」などのライブラリがあります。

インストールはpipを利用します。

下記のコマンドを実行することでインストールできます。

pip install simpleaudio pygame pydub

このコードでは、「pip」というPythonのパッケージ管理システムを使って、音を鳴らすために必要なライブラリ「simpleaudio」「pygame」「pydub」をインストールしています。

この例では、ターミナルやコマンドプロンプトを開き、上記のコマンドを実行してライブラリをインストールしています。

この操作により、Pythonで音を鳴らすために

必要なライブラリが手元の環境にダウンロードされ、利用可能になります。

●Pythonで音を鳴らす方法

Pythonで音を鳴らすには様々な方法があります。今回は、その中でも主に使用される7つの方法を解説します。

それぞれの方法は、初心者でも実装できるよう、具体的なコード例とともに詳細に説明します。

○方法1：単一の音を鳴らす

Pythonで単一の音を鳴らす方法を見ていきましょう。

今回は「simpleaudio」ライブラリを使用します。

□サンプルコード1

import numpy as np
import simpleaudio as sa

frequency = 440  # 440Hz（A4）の音を出す
fs = 44100  # サンプリング周波数
seconds = 3  # 3秒間鳴らす

t = np.linspace(0, seconds, seconds * fs, False)
note = np.sin(frequency * t * 2 * np.pi)
audio = note * (2**15 - 1) / np.max(np.abs(note))  # 16ビットオーディオに変換
audio = audio.astype(np.int16)

play_obj = sa.play_buffer(audio, 1, 2, fs)
play_obj.wait_done()

このコードでは、まずnumpyとsimpleaudioをインポートしています。

次に音の周波数（ここでは440Hz）、サンプリング周波数（44100Hz）、音の持続時間（3秒）を定義します。

そして、numpyのlinspaceとsin関数を使って、指定した周波数と持続時間のサイン波を生成します。

生成したサイン波を16ビットオーディオに変換し、simpleaudioのplay_buffer関数を使って音を出力しています。

このコードを実行すると、3秒間440Hzの単一の音（A4）が鳴ります。

○方法2：メロディを演奏する

次に、Pythonで複数の音を鳴らしてメロディを演奏する方法を見ていきましょう。

この方法でも「simpleaudio」ライブラリを使用します。

□サンプルコード2

import numpy as np
import simpleaudio as sa

def play_tone(frequency, duration):
    fs = 44100
    t = np.linspace(0, duration, duration * fs, False)
    note = np.sin(frequency * t * 2 * np.pi)
    audio = note * (2**15 - 1) / np.max(np.abs(note))
    audio = audio.astype(np.int16)
    play_obj = sa.play_buffer(audio, 1, 2, fs)
    play_obj.wait_done()

notes = [(440, 0.5), (440, 0.5), (493.88, 0.5), (587.33, 1)]
for note in notes:
    play_tone(*note)

このコードでは、最初に指定した周波数と持続時間で音を鳴らすplay_tone関数を定義しています。

そして、メロディを形成するためのノートとその持続時間のリストを定義し、リストの各要素に対してplay_tone関数を実行してメロディを演奏しています。

このコードを実行すると、440Hzの音を0.5秒、493.88Hzの音を0.5秒、587.33Hzの音を1秒鳴らす、簡単なメロディが演奏されます。

○方法3：WAVファイルを再生する

Pythonを使用して音声ファイル、特にWAVファイルを再生する方法を解説します。

Pythonのwaveモジュールとpyaudioモジュールを使用することで、簡単にWAVファイルを再生することができます。

□サンプルコード3

import wave
import pyaudio

def play_wav(filename):
    wav_file = wave.open(filename, 'rb')
    p = pyaudio.PyAudio()
    stream = p.open(format=p.get_format_from_width(wav_file.getsampwidth()),
                    channels=wav_file.getnchannels(),
                    rate=wav_file.getframerate(),
                    output=True)

    data = wav_file.readframes(1024)
    while data:
        stream.write(data)
        data = wav_file.readframes(1024)

    stream.stop_stream()
    stream.close()
    p.terminate()

play_wav('test.wav')

このコードでは、waveとpyaudioモジュールを使ってWAVファイルを再生するplay_wav関数を定義しています。

関数では、まずwaveモジュールのopen関数で指定したファイルを読み込み、その後pyaudio.PyAudioオブジェクトを生成します。

次に、PyAudioオブジェクトのopenメソッドを用いて、WAVファイルのパラメータに基づいてオーディオストリームを開始します。

そして、1024フレームずつ音声データを読み込み、ストリームに書き込みます。

最後に、ストリームを停止し、閉じてPyAudioオブジェクトを終了します。

このコードを実行すると、指定したWAVファイル（ここでは’test.wav’）が再生されます。

○方法4：MP3ファイルを再生する

次に、PythonでMP3ファイルを再生する方法を見ていきましょう。

ここではpygameモジュールを使用します。

□サンプルコード4

import pygame

def play_mp3(filename):
    pygame.mixer.init()
    pygame.mixer.music.load(filename)
    pygame.mixer.music.play()

play_mp3('test.mp3')

このコードでは、pygameモジュールを使ってMP3ファイルを再生するplay_mp3関数を定義しています。

関数では、まずpygame.mixerモジュールのinitメソッドでミキサーを初期化し、次にloadメソッドでMP3ファイルを読み込みます。

最後に、playメソッドを呼び出して音楽を再生します。

このコードを実行すると、指定したMP3ファイル（ここでは’test.mp3’）が再生されます。

○方法5：マイク入力から音を出力する

次に、マイクからの入力をリアルタイムで出力する方法を説明します。

これにはPythonの標準ライブラリの一つであるpyaudioを使用します。

pyaudioは、マイクからの音声データを取得し、そのデータを出力することも可能です。

□サンプルコード5

import pyaudio

def mic_to_speaker():
    p = pyaudio.PyAudio()

    stream = p.open(format=pyaudio.paInt16, channels=1, rate=44100, input=True, output=True, frames_per_buffer=1024)

    while True:
        data = stream.read(1024)
        stream.write(data)

    stream.stop_stream()
    stream.close()
    p.terminate()

mic_to_speaker()

このコードでは、pyaudioを使ってマイク入力から音を出力するmic_to_speaker関数を定義しています。

関数内ではまず、pyaudio.PyAudioオブジェクトを生成します。

次に、PyAudioオブジェクトのopenメソッドを用いて、マイクからの音声入力とスピーカーへの音声出力を同時に可能にするオーディオストリームを開始します。

そして、無限ループ内で、1024フレームごとに音声データを読み取り、そのデータを即座に出力します。

このコードを実行すると、マイクからの音声がリアルタイムでスピーカーから出力されます。

つまり、このコードは基本的なエコー（反響）システムとして機能します。

○方法6：音の高さや音量を変更する

音楽や音声処理の分野では、音の高さや音量を調節することが必要になる場合があります。

Pythonを使用すれば、このような音声の操作も比較的簡単に実現できます。

ここでは、pydubというサードパーティ製のライブラリを使用します。

□サンプルコード6

from pydub import AudioSegment

def change_volume_pitch():
    sound = AudioSegment.from_file("test.wav")

    # 音量を10dB増加
    louder_sound = sound + 10

    # 音の高さを10半音上げる
    higher_pitch_sound = sound.speedup(playback_speed=1.05946309436)

    louder_sound.export("louder_test.wav", format='wav')
    higher_pitch_sound.export("higher_pitch_test.wav", format='wav')

change_volume_pitch()

このコードでは、pydubを使って音量と音高を変更するchange_volume_pitch関数を定義しています。

関数内でまず、pydub.AudioSegmentのfrom_fileメソッドを用いて音声ファイルを読み込みます。

次に、”+”演算子を使用して音量を10dB増加させます。

その後、speedupメソッドを使用して音の高さを10半音上げます。

最後に、変更した音声を新たなファイルとしてエクスポートします。

このコードを実行すると、指定したWAVファイルの音量が10dB増加した音声ファイルと、音の高さが10半音上がった音声ファイルが出力されます。

○方法7：音をループさせる

最後に、音をループさせる方法を見ていきます。

ここでもpydubを使用します。pydubは音声のループ再生をサポートしています。

□サンプルコード7

from pydub import AudioSegment
from pydub.playback import play

def loop_sound():
    sound = AudioSegment.from_file("test.wav")

    # 音声を3回ループ
    loop_sound = sound * 3

    play(loop_sound)

loop_sound()

このコードでは、pydubを使って音声をループさせるloop_sound関数を定義しています。

関数内でまず、pydub.AudioSegmentのfrom_fileメソッドを用いて音声ファイルを読み込みます。

次に、”*”演算子を使用して音声を3回ループさせます。

最後に、pydub.playbackのplayメソッドを用いてループさせた音声を再生します。

このコードを実行すると、指定したWAVファイルが3回ループして再生されます。