はじめに

音楽を聴いている時にイヤフォンジャックを上手に半抜きにすると、伴奏だけが聞こえる現象があります。
イヤフォンジャックのR/Lチャンネルが接続、GNDが未接続状態になった時に、RもしくはLが逆位相になり※それぞれの音を打ち消し合うことで生じるらしいです。
※なぜ逆位相になるんでしょうか・・・？

逆位相で打ち消しあった音楽は、何時も聴いている音楽と全く違う雰囲気になり、味わい深いものになります。
今回は、pythonを用いてこの逆位相音楽をソフトウェア上で作ってみたいと思います。

逆位相音楽

音声信号は空気や水などの媒質中を伝搬する縦波です。
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日頃聴いている音は、振幅、周期の異なる縦波が沢山合成する事で出来ています。その様な信号をマイクで録音し時系列信号にした時、次のようになります。
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この信号に対して、信号の上限を反転させた物を逆位相信号と呼びます。
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音声信号は縦波なので、位相を反転させた所で聞こえ方は殆ど変わりません。しかしながら、「逆位相の波をぶつけると０になる」という波の面白い性質を用いる事で面白い事が出来ます。
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「逆位相の信号をぶつけると、同じ音が打ち消し合って聞こえなくなる」という性質が得られます。

これを普通のモノラル音楽に対して適用すると単なる無音になるだけなのですが、ステレオ音源で逆位相処理を行います。
前回の記事で左右のマイクの音の時間差を用いる事で立体音響を作れることを確認しました。
nsr-9.hatenablog.jp

ステレオ録音した際は、音源の位置によって左右のマイクに入る音に差が生まれます。
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逆に位置によっては左右のマイクで同じ音が録音されることも有ります。
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簡単に表現すると、「左右のマイクの中央に配置された音源は差が出ない」「それ以外の位置に配置された音源は差がでる」ということになります。

ここで、ステレオ音源のLとRで逆位相音楽を作ると次のように様になります。
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青い部分がキャンセルされ、赤い部分がそのまま残るような音楽が作られます。
ここで一般的な楽曲の録音環境を考えてみると、メインボーカルを中央に配置すると思います。

f:id:nsr_9:20211003194236p:plain これをさっきの図に照らし合わせると、ボーカルがキャンセルされ伴奏が取り出せる事が理解できます。

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pythonで逆位相音楽

pydubを使うとあっという間に逆位相化する事が出来ます。

from pydub import AudioSegment

#Load an audio file
sound1 = AudioSegment.from_mp3("audio.mp3")

# Invert phase of audio file
sound2 = sound1.invert_phase()

ch1_array = np.array(sound1.get_array_of_samples())[::2]
ch2_array = np.array(sound2.get_array_of_samples())[1::2]

# ステレオ音声に変換
song_st = np.zeros([ch1_array.size + ch2_array.size], dtype=np.int16)
song_st[::2] = ch1_array
song_st[1::2] = ch2_array

    # arrayからpydudへ変換
song_out = AudioSegment(
        song_st.tobytes(),
        sample_width=song.sample_width,
        frame_rate=song.frame_rate,
        channels=2,
        )

song_out.export("out.mp3", format="mp3")