Python Matplotlibでスペクトログラムの上にX軸グリッドを表示する方法

PythonのMatplotlibでスペクトログラムの上にX軸のグリッドを表示するには、grid()メソッドを使用します。この記事では、信号データとそのスペクトログラムの両方にX軸グリッドを重ねて描画する手順を、具体的なコード例とともに解説します。

実装の手順

• 図のサイズを設定し、subplots間および周囲のパディングを調整します。
• numpyを使用して、t、s1、s2、nse、x、NFFT、Fsの各データポイントを作成します。
• subplots()メソッド（nrows=2）で新しい図を作成するか、既存の図をアクティブにします。
• plot()メソッドでtとxのデータポイントを折れ線グラフとしてプロットします。
• 現在の線スタイルでグリッドをレイアウトします。
• X軸のマージンを設定します。
• specgram()メソッドでスペクトログラムをプロットします。
• 点線スタイルや色などのプロパティを指定してグリッドをレイアウトします。
• show()メソッドで図を表示します。

コード例

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

plt.rcParams["figure.figsize"] = [7.50, 3.50]
plt.rcParams["figure.autolayout"] = True

dt = 0.0005
t = np.arange(0.0, 20.0, dt)

s1 = np.sin(2 * np.pi * 100 * t)
s2 = 2 * np.sin(2 * np.pi * 400 * t)
s2[t <= 10] = s2[12 <= t] = 0

nse = 0.01 * np.random.random(size=len(t))
x = s1 + s2 + nse
NFFT = 1024
Fs = int(1.0 / dt)

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(nrows=2)
ax1.plot(t, x)
ax1.grid(axis="x", ls="dotted", lw=2, color="red")
ax1.margins(x=0)

Pxx, freqs, bins, im = ax2.specgram(x, NFFT=NFFT, Fs=Fs, noverlap=900)
ax2.grid(axis="x", ls="dotted", lw=2, color="red")
plt.show()

出力結果

コードのポイント

この例では、100Hzの正弦波（s1）と400Hzの正弦波（s2）にランダムノイズ（nse）を加えた合成信号xを作成しています。上段のサブプロット（ax1）には元の波形を、下段のサブプロット（ax2）にはspecgram()によるスペクトログラムを表示しています。

グリッドの表示にはgrid(axis="x", ...)と指定することでX軸方向のみにグリッドを引くことができ、ls（線種）、lw（線幅）、color（色）の各パラメータで見た目をカスタマイズできます。これにより、時間軸上のどの位置にどの周波数成分が現れているかを視覚的に確認しやすくなります。