6.2 Klangerzeugung

Um die Möglichkeiten des Einsatzes von Musik im Computer besser einschätzen zu können, werden in diesem Kapitel verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Klang beschrieben.

6.2.1 Traditionelle Instrumente

Im Gegensatz zur üblichen Einordnung von Instrumenten nach ihrem Schwingungserreger (Streich-, Blas-, Schlaginstrument etc.) werden Instrumente in der Musikalischen Akustik primär nach ihren Schwingungserzeugern (Saiten-, Luft-, Membraninstrument etc.) gruppiert. Eine umfassendere Übersicht mit genaueren Beschreibungen ist z.B. bei [Str91] zu finden.

  
6.2.2 Subtraktive Synthese

Das Prinzip der elektronischen Klangerzeugung durch subtraktive Synthese besteht darin, einen obertonreichen Klang (vgl. Kapitel 6.1.2) als Ausgangsmaterial durch Verarbeitungsmöglichkeiten (wie z.B. Filter) zu beeinflussen. Zur synthetischen Erzeugung eines Klangs wird ein Schwingungserzeuger, ein Oszillator (OSZ), benötigt. In den ersten Synthesizern^6.1 wurden diese Oszillatoren durch Kondensatoren realisiert. Die dabei enstehende Schwingung einer elektrischen Spannung kann durch die Membran eines Lautsprechers in Schallwellen umgewandelt werden. In Abb. 6.4 sind typische Wellenformen aufgezeigt, die ein analoger Oszillator hervorbringen kann. Damit die Frequenz des Oszillators beinflußbar ist (hierdurch wird ein Spiel auf einer Tastatur erst möglich), sind diese spannungsgesteuert: Eine Erhöhung der Spannung führt zu einer Erhöhung der Frequenz. Dieses Prinzip wurde von Bob Moog 1964 entwickelt. Die Grundfunktionen jedes Synthesizers gehen auf diese Zeit zurück (siehe Abb. 6.5). Akustik primär nach ihren Schwingungserzeugern (Sait

  

Abbildung 6.4: Wellenformen eines Oszillators

  

Abbildung 6.5: Aufbau eines Synthesizers

Das Signal aus dem Oszillator kann durch Filter bearbeitet werden; hierdurch ergibt sich eine Änderung in der Klangfarbe. Bekannt sind Filter durch Bass- und Höhenregler an der heimischen HIFI-Anlage. Am gebräuchlichsten sind Low-Pass-Filter, bei denen tiefe Frequenzen möglichst unbeeinflußt durchgelassen und ab einer Cutoff-Frequenz alle höheren Frequenzen weggefiltert werden. Weitere Filterarten sind in Abb. 6.6 dargestellt.

  

Abbildung: Low- und High-Pass-Filter schneiden Frequenzen ab einer Grenzfrequenz weg, durch Kombination lassen sich die darunter gezeigten Filter ermöglichen

Nachdem Tonhöhe und Klangfarbe festgelegt sind, kann durch den Verstärker (Amplifier) die Amplitude (Lautstärke) des Signals beeinflußt werden. Damit ein Klang sich im zeitlichen Verlauf auch ändern kann, braucht man einen Envelope Generator (Hüllkurvengenerator, siehe Abb. 6.7). Der zeitliche Verlauf wird durch mindestens vier Phasen bestimmt:

  

Abbildung 6.7: Envelope Generator (EG)

ATTACK - Nach dem Tastendruck wird angegeben, in welcher Geschwindigkeit und wie stark das Signal anschwillt. In der DECAY-Phase wird der Pegel auf einen SUSTAIN-Level abgesenkt, der solange erhalten bleibt, bis die Taste losgelassen wird. Die RELEASE-Phase gibt an, wie das Signal ausklingt. Für eine periodische Änderung des Signals dient der Low Frequency Oszillator (LFO), mit dem sich Effekte wie Tremolo realisieren lassen. Der LFO arbeitet genauso wie der Tongenerator (OSZ), mit dem Unterschied, daß die Frequenz unterhalb der Hörgrenze (<16Hz) liegt. EG und LFO können zur Steuerung der Tonhöhe (OSZ), Klangfarbe (Filter) oder Lautstärke (Amplifier) eingesetzt werden.

6.2.3 FM-Synthese

Yamaha stellte 1980 den ersten Synthesizer mit Frequenz-Modulation (FM) vor. FM wurde 1967 von dem Computermusiker John Chowning entwickelt. Bekannt ist das Prinzip durch die Radioübertragung (UKW). Die Idee ist, daß eine Welle (meistens eine Sinuswelle) durch eine andere beeinflußt (moduliert) wird (siehe Abb.6.8). Unterhalb der Hörgrenze ist dieser Effekt als Vibrato bekannt. Liegen beide Wellen (Träger und Modulator) innerhalb des Hörbereichs, so ergeben sich Änderungen im Obertonspektrum und der Grundfrequenz der Trägerwelle. Die Auswirkungen der FM sind nur schwer abschätzbar, besonders wenn sich mehrere Wellen gegenseitig beeinflussen (z.B. sechs beim meistverkauften Synthesizer Yamaha DX7, vier auf dem bei PC-Soundkarten weitverbreiteten OPL-3-Soundchip). Es sind zwar mit wenigen Parametern sehr komplexe Sounds erstellbar, jedoch ist die gezielte Programmierung ohne Kenntnisse von Klangspektren und mathematischem Hintergrund der FM nicht möglich [Gor88].

  

Abbildung 6.8: Frequenzmodulation

6.2.4 Physical Modeling (PM)

Hierbei wird ein Instrument virtuell geformt. Es gibt verschiedene Klangerreger wie Saite (Gitarre, Klavier, Geige, etc.), Holzblättchen (Klarinette), Lippen (Trompete), Teilung des Luftstroms (Flöten), etc. Der Weg dieser Schwingungen durch einen Resonanzkörper (z.B. Geigenkorpus) wird simuliert; alle Wege und Reflexionen der Schwingung werden berechnet. Hierdurch ist ein sehr natürliches Klangbild und eine realistische Spielart eines Instruments möglich. Die Parameter der Synthese bewegen sich in einem erträglichen Rahmen, allerdings können schon kleine Änderungen ein ,,Zusammenbrechen des Klanges`` nach sich ziehen. Zur Programmierung einer Geige sind also Kenntnisse eines Geigenbauers erforderlich. So hat auch die Firma Yamaha, die als erstes PM eingesetzt hat, am Gerät keinen Zugriff auf die Basisalgorithmen (Charakterisierung einer Instrumentengruppe) zugelassen. Für diese Algorithmen stehen Entwicklungssysteme bereit und können über Disketten in die Endgeräte geladen werden. Zur Zeit sind diese Geräte noch in der gehobenen Preisklasse (>10.000DM). Das billigste Gerät ist zweistimmig, was bei dem heutigen GM-Standard (General MIDI, siehe Kapitel 6.4.2) - 24 bis zu 128 Stimmen - an die ersten Analogsynthesizer erinnert. Genauere Beschreibungen des Physical Modeling sind bei [Wae94] und [Brü94] zu finden.

6.2.5 Sampling

Das Ziel, Natursounds möglichst echt zu synthetisieren oder zu reproduzieren, ist ein fundamentales in der Musikgeschichte - man denke nur an die versuchte Nachbildung von Streicher- und Bläserklängen durch Kirchenorgeln. Mit Sampling ist dieses möglich geworden. Kontinuierliche Signale (elektrische Schwingungen eines Mikrophons oder eines Tonbandgeräts) können mit Hilfe eines Analog-Digital-(A/D-)Wandlers in diskrete Werte umgewandelt werden. Dabei ist zu beachten, daß die Qualität des digitalen Signals von zwei Punkten abhängt:

• Wie oft wird der Wert des analogen Signals digitalisiert (Samplefrequenz)?
• Mit welcher Genauigkeit werden die Werte erfaßt (Auflösung)?

  

Abbildung 6.9: Digitalisierung eines Audiosignals

Auf jeden Fall stellt das Resultat nur eine Näherung an das Originalsignal dar (siehe Abb. 6.9). Bei der Digitalisierung von Klängen gilt die Regel ,,Samplefrequenz gleich zwei mal Signalfrequenz``. Also ist bei einer Signalfrequenz von maximal 20 kHz (Hörgrenze des menschlichen Ohrs) eine Samplefrequenz von mindestens 40 kHz erforderlich. Dabei wird eine Sinuswelle von 20 kHz nur in zwei Stufen digitalisiert, welches nicht mehr einer Welle entspricht. Das menschliche Ohr gleicht solche ,,Fehler`` jedoch aus, so daß kein Hörunterschied zwischen analogen und digitalen Signalen (bei entsprechender Qualität) zu hören ist. Inzwischen hat sich eine Auflösung der Samples von 16 Bit (65536 mögliche Werte) durchgesetzt. Je geringer die Auflösung, desto größer ist der Unterschied zwischen dem analogen Wert und dem digitalisierten. Dieser Unterschied führt zu Verzerrungen des Signals, welche sich in Quantisierungsrauschen äußern. Ein weiteres Problem ist das Aliasing: Wenn das Signal Wellen außerhalb der Hörgrenze enthält (>20 kHz), erscheinen diese im digitalisierten Zustand wie hörbare Wellen. Das ist durch die geringe Samplefrequenz zu erklären (s. Abb. 6.10 - 6.12). Bekannt ist dieses Phänomen auch aus der Filmindustrie: Wenn sich ein Rad schneller dreht als die Bildwiederholungsfrequenz, scheint das Rad rückwärts zu laufen. Um diesen Effekt zu vermeiden, muß das Eingangssignal ab 20 kHz gefiltert werden, was den Preis für A/D-Wandler in die Höhe treibt. Ist das Signal einmal digitalisiert, kann es mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausgebeben werden, was zu einer Änderung der Tonhöhe führt. Dadurch ist es möglich, Samples auf einer Tastatur in dem gewohnten Zwölftonsystem zu spielen. (Siehe [Str91] und [Unk89a].)

  

Abbildung: Analoges Signal (nicht hörbar)

  

Abbildung 6.11: Digitalisiertes Signal

  

Abbildung: Neues analoges Signal (hörbar)

Zur Bearbeitung stehen neben den normalen Synthesizerfunktionen (Filter, LFO, EG, etc.) spezielle Methoden zur Verfügung. Wichtig ist insbesondere das Looping. Damit ein Sample so lange erklingt wie eine Taste gedrückt ist, muß ein bestimmter Sampleanteil (meist die Sustainphase, siehe Kapitel 6.2.2) mehrfach wiederholt werden.

6.2.6 Soundkarten

Auf Soundkarten stehen in der Regel mehrere der beschriebenen Möglichkeiten zur Tonerzeugung zur Verfügung. So sind häufig FM-Synthese und/oder Wavetables^6.2 integriert (meist in der Qualität von Synthesizern unterer bis mittlerer Preislage), und es besteht zusätzlich die Möglichkeit des Sampling. Neueste Entwicklungen bezüglich der Klangerzeugung wie Physical Modeling sind momentan teueren Synthesizern vorbehalten, welches sich erst bei deutlichem Preisverfall ändern wird.