【中学技術】音のデジタル化とは？標本化・量子化・符号化をテスト前に整理

はじめに

スマートフォンで音楽を聞いたり、友だちに音声メッセージを送ったりするのは、今ではあたりまえですよね。
でも、空気のふるえである「音」が、どうやって数字になって保存されているのか、考えたことはありますか。
中学技術の情報の分野では、この「音のデジタル化」が定期テストでよく出ます。

覚えることは意外と少なく、標本化、量子化、符号化という三つの手順と、データ量を求める式がポイントです。
ところが、標本化と量子化を取りちがえたり、ビットとバイトの変換を忘れたりして、点を落としてしまう人が少なくありません。

この記事では、音の正体から順番にたどって、三つの手順、音質とデータ量の関係、そして例題まで、テスト前に整理できるようにまとめました。
YouTubeの動画とあわせて読むと、さらに頭に入りやすくなりますよ。
それでは、一緒に見ていきましょう。

音が数字になる3ステップ

音のデジタル化は、「標本化」「量子化」「符号化」という三つのステップで進みます。
最初に全体の流れをつかんでおくと、あとの細かい話がすっと入ってきます。
横方向の時間を区切るのが標本化、縦方向の高さを数字にするのが量子化、その数字を0と1に直すのが符号化です。
この順番は入れかえられないので、名前と役割をセットで覚えてください。

ポイント1：音の正体とアナログ・デジタルのちがい

まずは、デジタル化する前の「もとの音」がどんなものかを確かめましょう。
ここが分かると、なぜ三つのステップが必要なのかが見えてきます。

音の正体は空気のふるえ

アナログとデジタルのちがい

アナログとは、大きさが切れ目なく連続して変わる表し方のことです。
針が動く時計や、液体が上がっていく温度計が代表例で、針や線がなめらかに動きますよね。
それに対してデジタルは、数字のようなとびとびの値で表す方法です。
数字が表示される時計や体温計を思い浮かべてください。
表示されている数字と次の数字のあいだの値は、そのままでは表せません。
音の波はなめらかに続くアナログの量で、これをとびとびの数字に直すことが、音のデジタル化なんですよ。
この二つの言葉の意味は、テストの最初の問題によく出ます。

覚え方のコツは、アナログは連続、デジタルはとびとびと言いかえることです。
テストでは「次のうち、デジタルで表したものはどれか」のような形でよく出ます。
針の時計は連続して動くのでアナログ、数字が切りかわる時計はデジタルと見分けましょう。
音のように、もともと自然の中にあるものは、ほとんどがアナログの量です。
それをコンピュータで扱えるように変換するのが、デジタル化の役割だと言えます。

なぜ音を数字に直すのか

コンピュータの中は、電気が流れるか流れないかの二つの状態しか区別できません。
だから扱えるのは、0と1で表せる数字だけなんです。
音の波のままでは、コンピュータに保存することも、計算することもできません。
いったん数字に直しておけば、保存して何度でも聞き直せますし、ネットで友だちに送ることもできます。
しかも数字はコピーしても形がくずれにくいので、音質が落ちにくいという良い面もあります。
この便利さが、デジタル化をする大きな理由なんです。
理由を聞かれたら、保存や送信ができるからと答えられるようにしておきましょう。

音をデジタルにするメリットを整理しておきましょう。
一つめは、保存や持ち運びが簡単になること。二つめは、ネットワークで送りやすいこと。三つめは、編集や加工がしやすいことです。
たとえば録音した声のノイズを消したり、音量をそろえたりする作業は、数字を計算で変えることで実現しています。
スマートフォンの録音アプリや音楽配信も、すべてこのしくみの上に成り立っているんです。

ポイント2：標本化・量子化・符号化の3ステップ

ここからが、音のデジタル化の中心です。
一つずつ、何をする作業なのかを言葉と図のイメージで押さえていきましょう。

標本化は時間を区切って高さを取り出す

量子化は高さを近い目盛りに丸める

量子化は、標本化で取り出した高さを、決まった目盛りの数字に当てはめる作業です。
取り出した高さは、ちょうど目盛りの上にあるとは限りません。
そこで、いちばん近い目盛りに丸めて、扱いやすい整数に直します。
階段をイメージすると分かりやすく、坂道のように連続した高さを、何段かの階段に置きかえるわけですね。
目盛りの数は、次のポイントで学ぶビット数で決まります。
目盛りが細かいほど、もとの高さに近い数字を選べるんですよ。
この「丸める」という言葉が、量子化を説明するときの合言葉です。

量子化では、丸めるときに少しだけ誤差が出ます。
本当は目盛りの間にあった高さを、近い目盛りに寄せてしまうからです。
中学のテストでは、目盛りが細かいほど誤差が小さくなる、と押さえておけば十分です。
標本化が横方向、量子化が縦方向の作業だと、グラフを思い浮かべながら区別してください。
この区別ができると、記述問題でも迷わなくなりますよ。

符号化は数字を0と1に直す

符号化は、量子化で決まった数字を、0と1の並びに直す作業です。
たとえば八段階に分けたなら、三つの0と1の並びで、すべての段階を区別できます。
3ビットで8通りというのは、2を3回かけた数と同じ考え方でしたね。
こうして、音の波は最終的に、長い0と1の列になります。
この列はコンピュータが保存でき、通信で送ることもできます。
ここまでたどり着いて、音のデジタル化の三つのステップが完成するんです。
符号化の「符号」とは、0と1のような約束ごとの記号のことだと考えてください。

三つのステップをまとめて言うと、標本化で時間を区切り、量子化で高さを数字にし、符号化でその数字を0と1に直す、という流れです。
順番を入れかえると意味が通らなくなるので、必ず標本化、量子化、符号化の順に覚えましょう。
「時間を区切って、高さを丸めて、0と1にする」と口に出して唱えるのがおすすめです。
書いて覚えるよりも、声に出すほうが、テスト中に思い出しやすいですよ。

ポイント3：標本化周波数とビット数で音質とデータ量が決まる

三つのステップが分かったら、次は「細かさ」が音にどう影響するのかを見ていきましょう。
テストで計算が出るのも、このポイントです。

標本化周波数が高いほど音はなめらか

ビット数が増えると段階は2倍になる

量子化ビット数は、一回分の高さを何ビットの数字で表すかという大きさです。
ビット数が多いほど、高さを分けられる段階の数が増えます。
段階の数は、2をビット数の回数だけかけた数です。
3ビットなら2を3回かけて8段階、4ビットなら16段階、8ビットなら256段階になります。
音楽CDの16ビットでは、65536段階まで細かく分けられます。
ビットが一つ増えるたびに、段階がちょうど2倍になるのがポイントです。
5ビットなら32段階と、倍々に増えていきます。

段階が増えると、小さな音と大きな音の差を、より細かく表せるようになります。
反対に段階が少ないと、小さな音の変化が同じ数字にまとめられてしまい、ざらざらした音になりがちです。
標本化周波数が横方向の細かさなら、ビット数は縦方向の細かさだと整理してください。
この二つがそろって初めて、もとの波を細かく写し取れます。
テストでは「何ビットなら何段階か」を計算させる問題がよく出るので、2をかけていく練習をしておきましょう。

データ量の求め方と例題

音のデータ量は、標本化周波数にビット数と録音時間をかけて求めます。
式にすると、データ量は、回数かけるビット数かける秒数です。
答えの単位はビットになります。
バイトで答えたいときは、8ビットが1バイトなので、最後に8で割ってください。
例題です。1秒に8000回、1回8ビットで2秒間録音したときは、8000×8×2で128000ビット。
8で割ると16000バイトになります。
単位の変換が、計算ミスのいちばんの原因なんです。
答えを書く前に、ビットかバイトかをもう一度見直す習慣をつけましょう。

計算のコツは、かける順番を気にしなくていいことです。
どこからかけても答えは同じなので、計算しやすい順に進めましょう。
また、秒数が2倍になればデータ量も2倍、ビット数が2倍になってもデータ量は2倍になります。
音質をよくするほど容量が大きくなって、保存や送信に時間がかかることも覚えておいてください。
音楽配信のアプリがデータを小さくする工夫をしているのは、まさにこのためなんです。

テスト前の確認リスト

ここまでの内容を、テスト前の最終チェックとして整理します。
声に出して、一つずつ「言えるかな」と確かめてみてください。
全部に自信を持って答えられたら、音のデジタル化の基本はばっちりです。
言えなかった項目だけ、もう一度さきほどの見出しに戻って読み返しましょう。
時間がない日は、この確認リストだけを見返すのもおすすめです。
テスト直前の10分間で見直しても、要点がつかめるように並べました。

• 音の正体は空気のふるえで、波にするとなめらかに続くアナログの量になる。
• 音のデジタル化の順番は、標本化、量子化、符号化の三つである。
• 標本化は時間の方向を区切って高さを取り出す。1秒間に取り出す回数が標本化周波数。
• 量子化は高さの方向を目盛りに丸める。ビットが1つ増えると段階は2倍になる。
• データ量は回数×ビット数×秒数でビット。8で割るとバイトになる。

よくある質問

標本化と量子化のちがいがよく分かりません

結論から言うと、標本化は時間の方向、量子化は高さの方向の作業です。
波のグラフを思い浮かべてください。横軸の時間を一定の間隔で区切って高さを取り出すのが標本化です。
取り出した高さを、縦軸の目盛りにいちばん近い数字へ丸めるのが量子化です。
横と縦、時間と高さ、とセットで覚えると取りちがえません。
テストでは、どちらの説明文かを選ばせる問題が多いので、「時間を区切る」「高さを丸める」という言葉に注目して選んでください。
迷ったら、まず図をかいてみるのも手です。

周波数やビット数は、大きいほどいつも良いのですか

細かいほどもとの音に近づくのは確かですが、いつも得とは限りません。
回数もビット数も増やすと、データ量がそのぶん大きくなるからです。
容量が大きいと、保存する場所をたくさん使い、ネットで送るのにも時間がかかります。
また、人の耳で聞き分けられる細かさには限りがあるので、ある程度より上は差を感じにくくなります。
大切なのは、目的に合わせてちょうどよい細かさを選ぶことです。
テストでは、音質とデータ量の両方を書くと得点につながりますよ。
片方だけを書くと、理由が足りないと見られることがあります。

データ量の計算がうまくいかないときは、どう見直せばいいですか

まず、三つの数字が式に全部入っているかを確かめましょう。
標本化周波数、ビット数、秒数の三つをかけるのが基本です。
次に、問題文の単位を見てください。キロヘルツなら1000倍、分なら60倍して、ヘルツと秒にそろえる必要があります。
最後に、答えの単位がビットかバイトかを確かめます。バイトで求めるなら、最後に8で割るのを忘れないでください。
この三点を順にチェックするだけで、計算ミスの多くは防げるんですよ。
見直しの手順を決めておくと、本番でもあわてずにすみます。

おわりに

今回は、音のデジタル化を、テスト前に整理できる形でまとめました。
音は空気のふるえで、なめらかに続くアナログの量です。
それを標本化、量子化、符号化の三つのステップで、0と1の数字に直していました。
細かくするほど音は自然になりますが、そのぶんデータ量も増えます。

手順の名前と役割、ビットが1つ増えると段階が2倍になること、データ量の式。この三つが言えれば、テストで十分に戦えます。
まずは確認リストを声に出して読むところから始めてみてください。
少しずつ積み重ねれば、情報の分野はきっと得意になりますよ。

ご視聴ありがとうございました。
この記事の内容を動画でも解説しています。
ぜひご覧ください。