Schall

Begriffsbestimmung

Als Luft-Hörschall werden Luftdruckschwankungen bezeichnet, die über das menschliche Ohr wahrnehmbar sind. Diese breiten sich in Form einer Longitudinalwelle räumlich um die Schallquelle aus und können lokal als Schwingung interpretiert werden. Aus der Schwingungslehre entstammen dann auch die grundlegenden Begriffe AmplitudeFrequenz und Wellenform.

Als Gehör versteht man die „Gesamtheit aller Funktionsteile, welche zur Entstehung der als Hören bezeichneten Empfindung beitragen“ (1, Rieländer, S. 110). Dazu zählen neben dem Ohr selbst auch jene Teile des Gehirns, die „…in einem komplizierten kognitiven Prozeß die ankommenden Signale als Worte, Musik, Lärm und so weiter“ (2, Ackermann, S. 7) interpretieren.

Ton/ Klang/ Geräusch

Die Terminologie in der Akustik und der Musik unterscheidet sich (4, vgl. Rieländer, S. 163):

Akustik Musik
Ton, Sinuston, reiner Ton, einfacher Ton Ton
Klang, einfacher Klang, harmonischer Klang Ton
Klanggemisch, Mehrfachklang, Zusammenklang Klang

Im folgenden wird hier die Terminologie der Akustik verwendet.

Die Obertonstruktur eines Geigenklanges

Das Prinzip der subtraktiven Klangsynthese

Als Ausgangsmaterial liefert ein Oszillator (VCO = voltage controlled oscillator) eine obertonreiche Schwingung.

Ein nachgeschaltetes Filter (VCF = voltage controlled filter) entfernt (subtrahiert) bestimmte Anteile dieser Obertöne indem es ihre Lautstärke absenkt und formt somit den entstehenden Klang.

Ein Verstärker (VCA = voltage controlled amplifier) kontrolliert schließlich die Ausgangslautstärke des Klangs.

Da das Prinzip der subtraktiven Synthese mit Analogtechnik realisiert wurde, basieren auch heute noch die Paradigmen im Aufbau und Umgang mit der subtraktiven Synthese auf den Metaphern der analogen Bausteine.

VCO

Diese vier analogen Grundwellenformen, die der spannungsgesteuerte Oszillator bereitstellt, dienen als Material für den Synthesizer zur weiteren Bearbeitung. Die obertonlose Sinusschwingung ist zur Filterung natürlich ungeeignet.

Hörbeispiel Sinuswelle

Sinusschwingung

Hörbeispiel Dreieckswelle

Dreiecksschwingung

Hörbeispiel Sägezahn

Sägezahnschwingung

Hörbeispiel Rechteck (Pulsweite 30%)

Hörbeispiel Pulsweitenmodulation

Rechteckschwingung

VCF

Es gibt vier klassische Filter-Varianten:

  • das Lowpass-Filter, das alle Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz (Cutoff) durchlässt

Hörbeispiel Lowpass-Filter (zur Rechteckwelle)

  • das Hipass-Filter, das alle Frequenzen oberhalb der Cutoff-Frequenz durchlässt

Hörbeispiel Hipass-Filter

  • das Bandpass-Filter, das die beiden ersten Filtertypen in Reihe schaltet und so den Bereich zwischen den Cutoff-Frequenzen durchlässt

Hörbeispiel Bandpass-Filter

  • das Bandsperre-Filter, das die beiden ersten Filtertypen parallel schaltet und so alles außer dem Bereich zwischen den Cutoff-Frequenzen durchlässt

Hörbeispiel Bandsperre-Filter

  • ein weiterer wichtiger Parameter des VCF ist die Resonanz. Mit ihr kann der Grad der Verstärkung des Signals an der Cutoff-Frequenz geregelt werden.

Hörbeispiel Lowpass-Filter mit Resonanz

Beispiel für den musikalischen Einsatz verschiedener Filter:

 Caddie’s Day von Philippe Cam

VCA

Dem Filter nachgeschaltet findet sich ein spannungsgesteuerter Verstärker (voltage controlled amplifier = VCA), welcher die Lautstärke des vom Filter geformten Klanges bestimmt.

Hüllkurven

Spannungsgesteuerte Bauteile in Synthesizern (vor allem Filter und Verstärker) werden häufig nicht direkt durch das Steuersignal der Klaviatur angesprochen, sondern mittels einer sog. Hüllkurve (Envelope). Diese Hüllkurve bietet die Möglichkeit, statt einer kontinuierlichen Steuerspannung einen in wesentlichen Parametern regelbaren Verlauf der Steuerspannung zur Klangformung zu verwenden. Dieser Verlauf der Steuerspannung bleibt jedoch meist von der Klaviatur aus zusätzlich beeinflussbar. So sendet die Klaviatur zunächst einen Triggerimpuls, der den Ablauf der Hüllkurve auslöst:

  • Attack – Zeit zwischen Tastendruck und maximalem Pegel der Steuerspannung.
  • Decay – Zeit zwischen maximalem Pegel der Steuerspannung und des mit dem Sustain-Wert eingestellten Pegels. Bei maximal eingestelltem Sustain-Wert verliert der Decay-Wert seine Wirkung.
  • Sustain – Pegel der Steuerspannung, der nach dem Durchlaufen der Attack- und Decay-Phase für die Dauer des Tastendrucks erhalten bleibt
  • Release – Zeit zwischen Loslassen der Taste und Absinken der Steuerspannung auf 0 Volt.

Hörbeispiel: ADSR-Hüllkurve steuert den Verstärker

ADSR Hüllkurve

LFO

Zusätzlich zu den VCOs kommt ein weiterer Oszillator zum Einsatz, der im Gegensatz zu den VCOs Frequenzen unterhalb des Hörbereichs (unter 20 Hz) generiert und dessen Schwingung nicht als Klangsignal, sondern als Steuerspannung genutzt wird. Dieser Oszillator heißt Niederfrequenzoszillator (Low Frequency Oscillator = LFO). Die Einsatzpunkte dieser Steuerspannung sind generell dieselben wie bei den Hüllkurven (Steuerung von VCO, VCF, VCA), z.B. dient LFO zur Erzeugung eines Vibrato-Effekts zur Modulation der Frequenz des VCO.

Hörbeispiel: LFO moduliert den Oszillator

Übungs-Input: Ableton’s Analog Synthesizer

Übung 3: Subtraktive Synthese

Aufgaben zur Sitzung (1. Assignment)

Programmieren Sie mit Hilfe von Ableton Live’s ›Analog‹-Synthesizer drei Klänge:

Der erste Klang sollte einen perkussiven Charakter haben (z.B. einen Snare- oder HiHat-Sound). Zweitens geben Sie bitte einen Flächen-Sound ab (z.B. Streicher o.ä.). Den dritten Sound können Sie freier gestalten, hier ist ein Effekt-Sound mit extremeren Einstellungen der Parameter gefragt.

Speichern Sie Ihre drei Klänge in jeweils eigenen Spuren in einem Ableton-Live-Set (Datei -> Live-Set sichern). Bennenn Sie die Spuren einschlägig. Alle Einstellung am Synthesizer werden beim Speichern des Sets ebenfalls gesichert. Ein kurzer MIDI-Clip sollte jeweils zu den Sound gespielt werden.

Viel Spaß beim „Schrauben“.

Downloads/Material

Ackermann, Philipp: Computer und Musik. Eine Einführung in die digitale Klang- und Musikverarbeitung (Auszug)

Russ, Martin: Sound Sampling and Synthesis (pdf)

Chadabe (1975): The Voltage Controlled Synthesizer. In: Appleton / Perera (Hg.): Development and Practice of Electronic Music. Englewood: Prentice-Hall.

VCV Rack

Edusynth (nur Windows)

Phuture – Acid Tracks

Ableton Live Analog Tutorial