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Zeit

Grundlagen der Akustik (Teil 1: Zeit)
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Wenn man die Zeit mit einer Stoppuhr misst, dann scheint unsere Auffassung von Zeit sehr gradlinig. Doch im täglichen Leben schauen wir ja nicht immer auf die Uhr und schliesslich weiss jeder, dass der Fluss der Zeit ziemlich relativ sein kann.

Praktisch jeder empfindet dieselben fünf Minuten wieder anders, und es scheint alles von der jeweiligen ausgeführten Aktivität abzuhängen: Eine Stunde lang einen grossartigen Film anschauen dauert auf keinen Fall so lange wie eine Stunde lang im Stau stehen.

Figure 1a: Klangereignis mit Hall. Achtet auf die fortschreitende Abschwächung des Pegels.

Figure 1a: Klangereignis mit Hall.
Achtet auf die fortschreitende Abschwächung des Pegels.
Wissenschaftler messen Zeit in Sekunden - das Zeitempfinden von Musikern dagegen ist einiges schwankender: Entweder durch Beschleunigung des Tempos, oder wegen einer durch Stress leicht verstimmten Note. In der Tat ist Tonhöhe ein Wert, der durch Frequenz definiert wird. Da dieser Wert nun also zeitabhängig ist, so hängt er auch von unserem Empfinden einer Sekunde ab. Wenn sie länger oder kürzer scheint, so kann einem auch die Note zu hoch oder zu tief vorkommen.

Es wird gesagt, dass während des Mittelalters - lange bevor der Erfindung des Metronoms in 1816 - der Puls eines Menschen als Referenz diente. Deshalb war es jeweils von Vorteil einen Musiker mit ruhigem Charakter zu wählen.









Ein Experiment

Signal reverse
Figure 1b: Dasselbe Signal über einen 'Reverse' Effekt
(umgekehrt): Das lauteste Ereignis befindet sich jetzt
am Ende des Signals.

Für diejenigen von Euch, welche sich noch an Magnetbänder erinnern können: Ein umgekehrter Klavierton tönt überhaupt nicht mehr nach Klavier und eine umgekehrte Strophe von Shakespeare tönt auf eine gewisse Art und Weise wie...Schwedisch. Was unsere Ohren zu hören glauben ist jeweils ein einziges, homogenes Klangereignis. In Wirklichkeit kann dieses Klangereignis jedoch mehr als kleiner Zug mit vier unterschiedlichen Wagons beschrieben werden: Ganz abhängig davon in welche Richtung der Zug fährt, erreichen auch die Wagons den Bahnhof zur einer anderen Zeit und in einer anderen Reihenfolge. Genau aus diesem Grund hören unsere Ohren auch zwei vollkommen verschiedene Klänge.

Genau diese Idee steckt auch hinter der oftmals in Fachartikeln erwähnten ADSR Hüllkurve. Das 'Reverse' Preset, das man bei gewissen Halleffekten finden kann, manipuliert nichts anderes als die Hüllkurve des Halls. Es wird sich wahrscheinlich um einen abfallenden Klang handeln und in etwa wie in Figure 1 aussehen. Sollte derselbe Klang umgekehrt werden, so wird das Ende zuerst abgespielt und man erhält eine ähnliche Wellenform wie in Figure 1b.

Attack und Decay

Damit ein Klang erzeugt werden kann, braucht es zwei 'Täter':

- Einen Erreger: Dieser erzeugt die nötige Energie
- Das erregte Element: Dieses Element nimmt die Energie auf, beginnt zu vibrieren und erzeugt eine Wellenform


Zum Beispiel: Bei einer Geige ist der Erreger ein Bogen, das erregte Element eine Saite. Bei einem Schlagzeug ist der Erreger der Schlagzeugstock und das erregte Element das Fell. Jede Phase der ADSR Kurve zeigt demnach ein Verhältnis von Zeit zu Energie und besitzt jeweils eine ganz eigene Funktion. Schauen wir uns die einzelnen Elemente einmal etwas genauer an.


Figure 2
Figure 2 : A.D.S.R. Kurve eines ausgehaltenen Signals

A für Attack

Mit Attack wird die Zeit beschrieben, die es braucht, bis die erregte Energie auf das erregte Element übertragen wird. Der Attack ist für alle Instrumente von fundamentaler Bedeutung - besonders für Perkussion und Schlagzeug. Nimmt man zum Beispiel ein Klavier, so hängt ein grosser Teil des Klangcharakters genau vom Attack ab - oder in anderen Worten von der Technik des Pianisten. Auch Blasmusiker haben Zungentechniken entwickelt, mit denen sie sehr perkussive Attack Werte erzeugen können. Bei Stimmenaufnahmen kann schon mal ein Laut zu sehr herausstechen. Dies geschieht entweder weil der Sänger zu laut gesungen hat, oder der Sprecher die Verschlusslaute (d t p) zu stark betonte. Ein Kompressor kann da den Schaden zumindest verringern, doch ein Popschutz sollte das Problem eigentlich von Grund auf beheben.


D für Decay

Decay beschreibt die Zeit die vergeht, bis sich das Signal stabilisieren kann. Es ist im Wesentlichen der Unterschied zwischen der ursprünglichen Energie und der Energie, die benötigt wird, um den Klang zu halten. Bei einem Instrument ohne ausgehaltenem Klang sind diese Unterschiede nicht unbedingt hörbar. Die letzten Phasen treten ein, bevor wir sie wirklich wahrnehmen können (Figure 3).

Sustain und Release

S für Sustain

Dies beschreibt die Zeit, während der die Energie ausgehalten wird (also ein Instrument ausklingt). Es gibt hier zwei Möglichkeiten: Entweder wird der Sound wie in Figure 2 ausgehalten (zum Beispiel bei Blasinstrumenten, wo man so lange blasen muss, wie man die Note spielen möchte), oder der Klang stirbt relativ schnell ab (bei einem Schlagzeug hält der Klang nur so lange, wie das Fell in Schwingung versetzt wurde).
Die erste Kategorie erzeugt übrigens ein harmonisches Spektrum, und die zweite Kategorie ein nicht-harmonisches Spektrum. Darauf wird in den nächsten Wochen im Artikel über Klangfarben noch genauer eingegangen.


Figure 3
Figure 3: A.D.S.R. Hüllkurve eines Signals ohne Sustain

R für Release

Wenn einmal keine Energie mehr nachgeliefert wird, dann stirbt der Klang ab, bis er vollkommen verstummt. Für Klänge ohne Sustain setzt dies gerade nach dem Decay ein. Der Release Wert ist eher komplex. Er fängt theoretisch in dem Augenblick an, wo der Musiker keine Kontrolle mehr über das erzeugte Signal mehr hat und endet wenn der Klang vollkommen erschöpft ist. Bei einem Klavier schwingt die Note auch weiter, nachdem man die Taste wieder losgelassen hat (vorausgesetzt man hat das Sustain Pedal gedrückt). Zudem muss man immer auch an den Raum denken, in dem das Instrument gespielt wird. In Bezug auf den Decay tönt dasselbe Instrument in einem kleinen Raum bedeutend anders als in einer Kathedrale. Dieses lange Nachklingen mag bei gewissen synthetischen Sounds ganz gut tönen, ist aber bei Aufnahmen auch ziemlich schwierig zu kontrollieren.

Eine Hüllkurve synthetisieren

Es gibt zwei ganz bestimmte Anwendungen bei denen die ADSR Hüllkurve gezielt manipuliert wird. Erstere bringt uns direkt zu den Synthesizern.

Die ersten analogen Modelle wurden entwickelt, um jede Sektion eines Klangs verändern zu können. Hier wurden akustische Instrumente stets als Vorbild genommen. In einem Synthesizer steuert der Envelope Filter (wird auch Envelope Generator, oder EG genannt) einen VCA (Voltage Controlled Filter) an und macht die jeweiligen Pegel von den ADSR Werten abhängig. Der Synthesizer erzeugt also ein konstantes Signal, welches anschliessend über einen VCA geschickt wird, der seine Anweisungen wiederum von den ADSR Einstellungen erhält (der VCA ist vom Strom abhängig, der ihm gespiesen wird).

Die Hüllkurve in Figure 2 kann zum Beispiel so beschrieben werden: Das Volumen eines Verstärkers wird von Null auf den gewünschten Pegel aufgerissen (A), anschliessend reduziert (D), bis ein zweiter stabiler Pegel erreicht wird (S). Abschliessend wird der Pegel stufenweise wieder auf Null reduziert (R).


Figure 4
Figure 4: Der Yamaha DX7 Envelope Generat

Ein bisschen Geschichte

Diese Herangehensweise war für eine lange Zeit ausreichend - auch wenn man gewisse Ungenauigkeiten zugeben musste. Tatsächlich wurden die absoluten Pegel von A,D und R nicht modifiziert, sondern nur die relativen, durch Sustain definierten Pegel.

Als der DX7 in den frühen 80er Jahren auf den Markt kam, gab es endlich Envelope Generators mit 8 Segmenten, welche die Lautstärke von der Zeitachse entkoppelten (Figure 4). Doch auch wenn so ein System neue Einstellungen und Klänge ermöglichte, so war die ganze Technik doch immer noch unzureichend. Erst als der Attack durch digitalisierte Samples (Roland D50) mit synthetischen Sounds verbunden wurde, stellte sich eine merkliche Verbesserung ein. Ähnliche Technologien wurden anschliessend schon bald von allen Herstellern übernommen.


Heutzutage können wir mit Physical Modeling die Hüllkurven eines Instruments sehr genau wiederherstellen und Parameter äusserst präzis einstellen. Um die dynamischen Hüllkurven eines Klangs bearbeiten zu können, trifft man aber auch heute noch immer die ADSR Parameter an.

Komprimierung

Die zweite Anwendung bei dem ein Musiker/Tontechniker eine Hüllkurve bearbeiten muss, ist bei einem Kompressor. Ein Kompressor besitzt normalerweise Anpassungen für die Hüllkurve, womit die gewünschte Komprimierung gezielt eingestellt werden kann. (Figure 5)

Abhängig vom Equipment findet man normalerweise einen Regler für den Attack. Dieser Wert bestimmt, wie schnell der Kompressor einsetzt, wenn ein gewisser Grenzwert überschritten wurde. Wird hier ein langsamer Wert eingestellt, so wird auch die Komprimierung eher diskret. Dies garantiert eine gewisse Komprimierung, ohne zu stark ins Signal einzugreifen (zum Beispiel bei klassischer Musik). Andererseits werden schnelle Pegelspitzen (also schnelle Attacks) bei so einer Einstellung überhaupt nicht berücksichtigt. Bei einem schnelleren Attack greift der Kompressor dagegen schneller ein - somit wird aber auch der Effekt jetzt viel besser gehört. Dies kann in der heutigen Musik ein gewünschter und interessanter Effekt sein, sollte aber mit Vorsicht genossen werden.

Auch der Release kann bei einem Kompressor modifiziert werden. Dieser Wert bestimmt, wie lange der Kompressor noch arbeitet, nachdem der Pegel den eingestellen Grenzwert unterschritten hat. Wie beim Attack so ist auch hier ein mittlerer Wert eher diskret, wogegen ein zu kurzer Release das Signal schnell zum bekannten 'Pumpen' bringen kann.

Sollte Ihr noch mehr über den Kompressor erfahren wollen, so empfehle ich folgenden Artikel.

Figure 5
Figure 5a: Standard Kompressor von Cubase

Figure 5
Figure 5: TC Electronics TC CL1B Plug-In





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