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Klangsynthese, Sound Design und Klangbearbeitung - Teil 23

Physical Modeling Synthese
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Nachdem wir Synthesearten erkundet haben mit denen sich äusserst extravagante Klangwelten erzeugen lassen, schauen wir uns heute eine etwas konventionellere Herangehensweise an: Die künstliche Reproduktion bekannter akustischer Klangfarben mit Physical Modeling Synthese.

Wie wir jedoch gleich sehen werden kann diese Synthese auch sehr einfach zum Erzeugen neuartiger Klänge “missbraucht“ werden.

Gehen wir zu den Anfängen in dieser Serie zurück so werden wir uns daran erinnern, dass Klänge hauptsächlich aus Vibrationen bestehen. Grundsätzlich beruht das Prinzip eines Musikinstruments auf dem folgenden: Energie wird auf das Instrument angewendet; dies resultiert in Vibrationen die durch einen Resonator verstärkt werden. Dieser wiederum überträgt die verstärkte Energie in die umgebende Luft und macht es somit hörbar. Genau diese Schwingungscharakteristiken versucht man mit Physical Modeling zu emulieren.

Grundlagen

Ein fundamentales Prinzip von Physical Modeling ist der Zusammenhang zwischen Exciter und Resonator. Der Exciter beschreibt dabei eine Aktion (z.B. das Zupfen einer Saite, das Blasen eines Horns oder das Streichen eines Bogens) welche Vibration erzeugt. Der Resonator beschreibt dagegen das Verhalten des Instruments auf diese Vibrationen. Was die Physical Modeling (PM) Synthese so interessant macht ist die Fähigkeit alle Interaktionen zwischen Exciter und Resonator zu emulieren.

La synthèse sonore par modèles physiques

Die PM Synthese definiert die Dimensionen und Konstanten eines Instrumentes (inklusive zum Beispiel Masse und Elastizität) und definiert so genau welcher Exciter zum Zug kommt: Mundstück, Saite, Membrane, etc. Anschliessend wird der Urzustand des vibrierenden Objektes und dessen einschränkende Faktoren definiert. Letzteres kann realistisch oder nicht sein. Man könnte hier zum Beispiel beschliessen, dass eine Saite nie mehr aufhört zu schwingen.

Die dritte Stufe beschreibt das Verhältnis zwischen Exciter und Resonator. Für eine Gitarre könnte dies der hölzerne Klangkörper einer Gitarre sein, oder die metallene Röhre einer Trompete. Doch auch hier hält Euch grundsätzlich niemand davon ab die Materialien abzuwechseln.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der PM Synthese ist die Impedance - oder in anderen Worten der natürliche Widerstand des emulierten Materials und dem Medium in dem der Klang wiedergegeben wird.

 

Masse und Sprungfedern

Lejaren Hiller und Pierre Ruiz waren die ersten die in den 60er Jahren die Prinzipien des Physical Modeling auf die Simulation von Instrumenten anwendeten. Sie entwickelten ein mathematisches System das aus einem Netzwerk untereinander verbundener Sprungfedern bestand.

Wird also zum Beispiel eine Masse durch eine externe Energie angesprochen so werden dadurch verschiedene Sprungfedern zusammengedrückt. Die Sprungfeder überträgt die erhaltene Energie auf die nächste Masse und so weiter. Die richtige Anpassung der Massen und die Elastizität der Sprungfedern ermöglicht es verschiedenste Arten von Vibration zu beschreiben.

Dieses Prinzip kann auf Saiten, Membranen, Resonanzboxen und so weiter angewendet werden - eigentlich alles was man sich vorstellen kann.

 

Modale Synthese

Auch wenn die “Sprungfeder-Emulation“ ganz einfach zu verstehen ist so hinterlässt sie doch sehr schnell ziemlich komplexe mathematische Modelle die für Musiker nicht wirklich nützlich sind. In den 90er Jahren begannen Ingenieure damit diese Technologie zugängiger zu machen indem die Elemente sinnvoll unterteilt wurden (z.B. Saiten, Steg, Membrane, etc.).

Jede dieser Unterteilungen verfügt über eine eigene Charakteristik und jede Charakteristik war aufgrund existierender Forschungen der Industrie bereits in mathematischen Modellen vorzufinden. Aus diesem Grund konnte man auf diese Arbeit aufbauen und die Komplexität des Physical Modeling für den Anwender vereinfachen.

McIntyre, Schumacher und Woodhouse (MSW) Synthese

La synthèse sonore par modèles physiques

Dies ist eine weitere Form der Synthese dessen Ziel darin besteht Physical Modeling für Musiker zugänglicher zu machen. Hier werden jedoch im Gegensatz keine Unterteilungen definiert, sondern das Instrument als ganzes modeliert. Die sogenannte “MSW“ Synthese basiert auf dem zeitlichen Verhalten eines Signals. Es eignet sich besonders dazu das musikalische Ansprechverhalten zu beschreiben, speziell wenn es sich um Blasinstrumente und Saiteninstrumente handelt.

 

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