今回はRaspberry PiとUSBマイクを組み合わせて騒音測定器の作成方法を紹介します。
この記事では「Raspberry Pi 3B」とサンワサプライ社のUSBマイクロホン「MM-MCU01BK」を使用します。「Raspberry Pi 3」はLinuxOS相当のOSを動作可能で、USBポートも標準搭載されているため、ハードウェアの増設やドライバーのインストールといった特別な環境整備を行うことなく、USBマイクの入力音声をPythonスクリプトなどから操作することが可能です。
USBマイクの入力音声から騒音レベルを測定することで、下記のような課題解決に応用できると考えています。
- 騒音対策：騒音レベルをディスプレイ表示し、ユーザーに注意喚起
- スマートホーム：テレビやスピーカーの音量を一定以下に保つ
- 空間表現：音楽のパーカッション成分と照明、LEDライトを連動させ、耳だけでなく目でも音楽を楽しめる空間を作成
実際にテレビやスピーカーの音量を一定以下に保つために、スマートリモコン化した事例を以下の記事で紹介しています。
こんにちは、ほっさまです。 皆さんは、騒音問題について考えることはあるでしょうか。 私はマンションタイプの集合住宅に居住していて、最近はテレワークにより一日のほとんどを家の中で過ごしているため、自分自身や近隣住民が出す生活音に以[…]
動作確認済み環境
OS: Raspbian Buster with desktop（Release date: 2019-09-26）
プログラミング言語: python3（version=3.7.3）
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1. 必要モジュール、パッケージのインストール
USBマイクから音声を取得するためにPythonの「PyAudio」パッケージをインストールします。
1-1. PortAudio modules
「PyAudio」は「PortAudio」というオーディオの再生、録音機能を持つライブラリのラッパーです。「PyAudio」を使用する場合は、「PortAudio」関連のモジュールを事前にインストールしておく必要があります。
「PortAudio」関連のモジュールのインストールは、以下のコマンドで行います。
| sudo apt-get install libportaudio2 libportaudiocpp0 portaudio19-dev |
1-2. PyAudio
「PyAudio」は以下のpipコマンドでインストールできます。
| pip3 install pyaudio |
2. USBマイクの接続、識別番号の確認
2-1. USBマイクの接続
「Raspberry Pi 3B」のUSBポートにUSBマイクを接続します。
2-2. USBマイクの接続確認
「Raspberry Pi 3B」のターミナルで、「lsusb」コマンドを実行し、USBマイクが認識されていることを確認します。
| $ lsusb | |
| Bus 001 Device 004: ID 0d8c:8100 C-Media Electronics, Inc. | |
| Bus 001 Device 003: ID 0424:ec00 Standard Microsystems Corp. SMSC9512/9514 Fast Ethernet Adapter | |
| Bus 001 Device 002: ID 0424:9514 Standard Microsystems Corp. SMC9514 Hub | |
| Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002 Linux Foundation 2.0 root hub |
2-3. USBマイクの識別番号の確認
「PyAudio」でUSBマイクの入力音声を取得するためには、USBマイクの識別番号を指定する必要があります。認識されている全ての音声入出力デバイスの識別番号は以下のPythonスクリプトを実行することで確認できます。
| import pyaudio | |
| p = pyaudio.PyAudio() | |
| for index in range(0, p.get_device_count()): | |
| device_info = p.get_device_info_by_index(index) | |
| print("DEVICE_INDEX:{}, DEVICE_NAME:{}".format(device_info["index"], device_info["name"])) | |
| p.terminate() |
（実行結果）
| DEVICE_INDEX:0, DEVICE_NAME:bcm2835 HDMI 1: - (hw:0,0) | |
| DEVICE_INDEX:1, DEVICE_NAME:bcm2835 Headphones: - (hw:1,0) | |
| DEVICE_INDEX:2, DEVICE_NAME:USB PnP Sound Device: Audio (hw:2,0) | |
| DEVICE_INDEX:3, DEVICE_NAME:sysdefault | |
| DEVICE_INDEX:4, DEVICE_NAME:output | |
| DEVICE_INDEX:5, DEVICE_NAME:dmix | |
| DEVICE_INDEX:6, DEVICE_NAME:default |
「lsusb」と同様に、デバイス名からの判断が難しい場合には、USBマイクを接続していない状態の出力結果と比較することで、デバイス名の特定が可能です。
3. 騒音レベルの測定
3-1. Pythonスクリプト
| import pyaudio | |
| import numpy as np | |
| import sys | |
| import time | |
| # check args | |
| if (len(sys.argv) < 2) or (not sys.argv[1].isdecimal()): | |
| print("Please specify input_device_index in integer") | |
| sys.exit(-1) | |
| p = pyaudio.PyAudio() | |
| # set prams | |
| INPUT_DEVICE_INDEX = int(sys.argv[1]) | |
| CHUNK = 2 ** 10 # 1024 | |
| FORMAT = pyaudio.paInt16 | |
| CHANNELS = int(p.get_device_info_by_index(INPUT_DEVICE_INDEX)["maxInputChannels"]) | |
| SAMPLING_RATE = int(p.get_device_info_by_index(INPUT_DEVICE_INDEX)["defaultSampleRate"]) | |
| RECORD_SECONDS = 1 | |
| # amp to db | |
| def to_db(x, base=1): | |
| y=20*np.log10(x/base) | |
| return y | |
| # main loop | |
| def main(): | |
| while True: | |
| start = time.time() | |
| stream = p.open(format = FORMAT, | |
| channels = CHANNELS, | |
| rate = SAMPLING_RATE, | |
| input = True, | |
| frames_per_buffer = CHUNK, | |
| input_device_index = INPUT_DEVICE_INDEX | |
| ) | |
| # get specified range of data. size of data equals (CHUNK * (SAMPLING_RATE / CHUNK) * RECORD_SECONDS) | |
| data = np.empty(0) | |
| for i in range(0, int(SAMPLING_RATE / CHUNK * RECORD_SECONDS)): | |
| elm = stream.read(CHUNK, exception_on_overflow = False) | |
| elm = np.frombuffer(elm, dtype="int16")/float((np.power(2,16)/2)-1) | |
| data = np.hstack([data, elm]) | |
| # calc RMS | |
| rms = np.sqrt(np.mean([elm * elm for elm in data])) | |
| # RMS to db | |
| db = to_db(rms, 20e-6) | |
| stream.close() | |
| elapsed_time = time.time() - start | |
| print("elapsed_time:{:.3f}[sec], DB:{:.3f}[db]".format(elapsed_time, db)) | |
| try: | |
| main() | |
| except KeyboardInterrupt: | |
| pass | |
| finally: | |
| p.terminate() |
（パラメータ解説）
・14行目：コマンドライン引数に、前章で確認した識別番号を指定します。
・15行目：USBマイクから一度に読み取る入力音声のフレーム数は「CHUNK」で指定します。パラメータは後で調整するため、この段階では一般的な「1024」（=2の10乗）を指定します。
・16行目：「FORMAT」に「pyaudio.paInt16」を指定することで、入力音声の量子化ビット数を「16」とします。これにより、入力音声データを[-32,768, 32,767]の値として扱えるようにします。
・17-18行目：入力音声のチャンネル数「CHANNELS」、サンプリングレート「SAMPLING_RATE」は、「get_device_info_by_index」メソッドで取得したデフォルト値を使用します。
・19行目：騒音レベルの計算に使用する音声データのサイズは「RECORD_SECONDS」で指定します。計算に使用するフレーム数は、「SAMPLING_RATE*RECORD_SECONDS」になります。
・31-42行目：音声入力部分（open、stream.readメソッド）は「PyAudio」の「Documentation & Examples」を参考に作成していますので、説明は割愛します。
・43行目（分子）：入力音声データはバイナリ形式で取得されます。このままでは騒音レベルの計算に使用できないため、「np.frombuffer」メソッドで整数型のNumpy配列に変換します。変換後の配列サイズは「CHUNK」で指定した数と一致します。
・43行目（分母）：入力音声データを「int16」の最大値「32,767」で除算することで最大値を「1」とします。これにより、入力音声データが最大値「1」の時の基準音圧レベル「1Pa」に対する騒音レベルが「0dB」となり、USBマイクの入力感度「0dB=1V/Pa」と対応させます。
・46行目：「RECORD_SECONDS」で指定した秒数分のデータから、実効値「RMS」を計算します。「RMS」は二乗平均の平方根を扱います。
・48行目：「RMS」から騒音レベルを計算します。基準音圧レベルは、人間の最小可聴音圧の「20μPa」とします。
| elapsed_time:1.812[sec], DB:61.476[db] | |
| elapsed_time:1.816[sec], DB:63.758[db] | |
| elapsed_time:1.812[sec], DB:57.581[db] | |
| elapsed_time:1.812[sec], DB:56.743[db] | |
| elapsed_time:1.820[sec], DB:58.754[db] | |
| elapsed_time:1.816[sec], DB:53.417[db] |
（参考：https://dsp.stackexchange.com/questions/13728）
・騒音レベルはスマートフォンアプリの「騒音測定器」と比較して、最小値「+2dB」、平均値「-3dB」の誤差があります。これは、1ループ当たりの経過時間が「RECORD_SECONDS」で指定した時間より遅れているために、データの取りこぼしがあったためと考えらえれます。
3-2. パラメータ調整
「CHUNK」の値を小さくすることで、1ループ当たりの処理時間を「RECORD_SECONDS」で指定した値に近づけます。
下表の結果から、「CHUNK」が「512」以下では処理時間にほとんど誤差がないため、1ループ当たりの処理時間は「入力音声データの長さ＋騒音レベルの計算にかかる時間」で収束しているものと考えらえれます。
騒音レベルの比較から、本記事のデバイスを使用する限りでは、「CHUNK」に「128」を設定するのが妥当と考えられます。
（パラメータごとの処理時間、騒音レベル）
| CHUNK | 処理時間[sec]
（平均） |
騒音レベル/Pythonスクリプト | 騒音レベル/スマートフォンアプリ | ||
| 最小 | 平均 | 最小 | 平均 | ||
| 128 | 1.11 | 50.6 | 53.1 | 51 | 54 |
| 256 | 1.12 | 46.9 | 49.0 | 45 | 48 |
| 512 | 1.13 | 52.6 | 54.0 | 48 | 53 |
| 1024 | 1.81 | 53.4 | 58.6 | 52 | 61 |
所感
USBマイクの入力音声から騒音レベルを測定した結果は、スマートフォンアプリで測定した騒音レベルと比較して、平均値が1dB未満に収まっているため、実用に足るものと考えられます。
記事内で紹介したデバイス
Physical Computing Lab
Raspberry Pi3 Model B ボード＆ケースセット 3ple Decker対応 (Clear)-Physical Computing Lab
TSI-P031-Clear
