Die Klang- und Geräuscherzeugung analoger Synthesizer

Unterrichtseinheit für allgemeinbildende Schulen für Klassenstufen 9 bis 12

Handlungsorientiertes Arbeiten mit Beispielprogrammen in unterschiedlichen Komplexitätsgraden

Der Artikel bezieht sich auf von mir erstellte kostenfreie Synthesizersoftware.
Die Programme, die ebenfalls kostenlosen Bedienungsanleitungen und Arbeitsblätter finden Sie hier.

Zum erfolgreichen Arbeiten sind folgende Voraussetzungen notwendig:

  • PC Arbeitsplätze zu je 2, höchstens 3 Schülern
  • Leistungsdaten der PCs: mindestens 1 GHz Prozessor (Intel Pentium IV oder AMD Athlon), System Microsoft Windows 98, ME, 2000, XP, 256 MB RAM, 20 MB freier Festplattenspeicherplatz
  • An jedem PC ein Musik-Keyboard, dass über USB oder MIDI-Schnittstelle mit dem PC verbunden ist*
  • Multimedia-Lautsprecher
  • Jeweils 2 Kopfhörer und eine Y-Klinkenkupplung
  • zum verzögerungsfreien Live-Spielen der Klänge den virtuellen Soundkartentreiber Aiso4all

*Da in den Programmen ein virtuelles Keyboard vorhanden ist, kann auf ein externes Keyboard nebst MIDI Schnittstelle zur Not verzichtet werden.

Sachanalyse

Einleitung

Der Synthesizer ist über die Jahre sowohl in Popmusik aber auch in Formen der alten Musik (im Volksmund „klassischer Musik“) ein fester Bestandteil der Ensembles geworden. Insbesondere konzertante Filmkompositionen im spätromantischen Stil greifen zumindest teilweise, wenn nicht sogar vollständig auf Synthesizer zurück.

Die elektronischen Klangerzeuger, die nach Hornbostel und Sachs zur Gruppe der Elektrophone gehören, dienen dabei zum Einen zur Erzeugung von Klangverläufen, die mit herkömmlichen akustischen Instrumenten nicht wiedergegeben werden können. Zum Anderen dienen Synthesizer zum teilweisen oder vollständigen Ersatz eines Orchesters. Ein gutes Beispiel dafür sind die zahlreichen Filmmusiken des Filmkomponisten Hans Zimmer, der sich sehr aufwendig produzierter, digitaler Aufnahmen von echten Instrumenten bedient, um selbige Instrumente mittels eines Synthesizers als Orchesterensemble erklingen zu lassen.

Das Ziel hierbei ist es, den Synthesizer möglichst originalgetreu nach einem akustischen Instrument klingen zu lassen. Dies ist inzwischen in einer Qualität möglich, die es auch Fachleuten äußerst schwer macht, eine „Fälschung“ vom Original zu unterscheiden.

In der Popmusik ist in den letzten Jahren die Stilrichtung Techno erschienen. Klanglich basiert diese Musik auf Synthesizern der 60er und 70er Jahre. Hier wird kein Wert darauf gelegt, ein akustisches Instrument nachzuahmen. Im Gegenteil! Je futuristischer der Klang, desto besser.

Technomusik bedient sich absichtlich technisch klingender Klänge

Die Unterschiede zwischen Technomusik und Nicht-Technomusik sind schon auf den ersten Höreindruck offensichtlich.

Während in der alten Musik der Wechsel der Harmonien und die Beziehung einzelner Stimmen untereinander von Bedeutung sind, stellt sich dies in einer Technoproduktion vollkommen anders dar.

Harmonisch gesehen stehen Technoproduktionen auf sehr einfachem Niveau. Es gibt kaum Akkordwechsel, einzelne Harmonien werden über Minuten gehalten. Kadenzen haben hier kaum Bedeutung. Auffällig ist, dass Synthesizerklänge mittels so genannter Sequenzer technisch erstellte, hoch repetetive Tonabfolgen (Motive) spielen, die aufgrund der sehr kleinen Notenwerte und des hohen Tempos manuell nur sehr schwer bis gar nicht reproduzierbar sind. Diese Tonabfolgen werden an die Akkordwechsel angepasst, und dürfen somit auch fachlich korrekt als „Sequenzen“ bezeichnet werden. Grundbaustein dieser Motive sind oft Akkordbrechungen.

Techno steht daher zumindest prinzipiell kompositorisch der Minimalmusic sehr nahe.

Trotz der vordergründigen Eintönigkeit des Klanggeschehens finden auffällige Veränderungen statt. Diese Veränderungen beruhen sehr häufig auf der Verwendung von Effekten. Sehr beliebt sind langgestreckte Filterverläufe, die einen Klang erst dumpf und dann immer heller erscheinen lassen (gerne auch umgekehrt, zum Modul Filter siehe unten).

Akustik: Schall, Klang, Ton, Geräusch

Akustik ist die Lehre des Schalls. Der Begriff Schall beschreibt alle hörbaren Ereignisse. Schall wird in der Regel durch Schwingungen erzeugt, welche vom schwingenden Körper aus als sogenannte Schallwellen in das umgebende Medium weitergeleitet werden. Diese Schallwellen können sich in Gasen, flüssigen oder festen Körpern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. In der Luft beträgt Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit bei Normbedingungen (20°C Temperatur, 1013hPa Luftdruck) 343m/s. Nach einer Sekunde haben die Schallwellen demnach ca. einen Kilometer zurückgelegt. Man nennt dies auch die Schallgeschwindigkeit.

Wir hören Töne von ca. 16 bis 20.000Hz. Unsere Wahrnehmung ist auch innerhalb der genannten Frequenzgrenzen bestimmten Beschränkungen unterworfen. Die damit zusammenhängenden Phänomene werden durch die Psychoakustik näher umschrieben. Grundlage für unsere Schallwahrnehmung ist die Physiologie des Außen-, Mittel- und Innenohres. Mehr zum Thema in meinem Artikel über Hörphysiologie und Psychoakustik.

Alle Töne, die eine Frequenz von unter 16 Hz haben, liegen im Bereich des Infraschalls. Alle Töne über 20.000 Hz liegen im Ultraschallbereich.

Man unterscheidet Schall in die Komponenten Klang, Ton und Geräusch. Klänge und Töne haben eine differenziert wahrnehmbare Tonhöhe. Man kann deren Tonhöhe mitsingen. Geräusche haben keine bestimmte Tonhöhe und verfügen wie Rauschen über eine Gleichverteilung von vielen Einzeltönen über das gesamte hörbare Spektrum von 16 bis 20.000Hz.

Ein Melodieinstrument erzeugt einen Klang. Dieser Klang besteht aus vielen einzelnen Tönen. Ein Ton ist der sogenannte Sinuston, welcher die einfachste Schwingung in der Akustik darstellt.

Die harmonische Struktur eines Klanges wird unterteilt in die Grundharmonische (tiefster Sinuston) und die Ultraharmonischen (mehrere Sinustöne mit steigender Tonhöhe). Als Tonhöhe des Klangs wird vom Menschen die Grundharmonische wahrgenommen, und das unabhängig davon, ob die Grundharmonische wirklich zu hören ist (Residuum-Effekt). Musiker sprechen hier eher ungenauer vom „Grundton“. Die ultraharmonischen Töne sind gleichbedeutend mit den „Obertönen“. Die Obertöne sind bei Instrumenten, die eindimensionale Schwingungen erzeugen, immer ein ganzzahliges Vielfaches der Grundharmonischen.

Also zum Beispiel:

Grundharmonische= 100Hz, 2. Harmonische = 200Hz, 3. Harmonische= 300Hz, 4. Harmonische= 400Hz usw.

Obertöne und Naturtöne bzw. Naturtonreihe

Man kann verschiedene Tonhöhen bei Blasinstrumenten durch Überblasen erzeugen, was dann zur Naturtonreihe führt. Gleiches gilt für das Abgreifen von Flageolett-Tönen auf der Gitarre. Die Tonhöhen der Naturtonreihe entsprechen den Tonhöhen der einzelnen Obertöne bzw. der Ultraharmonischen.

Bei der Naturtonreihe spricht man von „Grundton“ und „Obertönen“.
Um etwas Licht ins sprachliche Wirrwarr zu bringen, hier eine tabellarische Auflistung der Obertonreihe mit der Gegenüberstellung vergleichbarer physikalischer Begrifflichkeiten.

Teilharmonische

Grund- und Obertöne

Intervall

Faktor


1 (Grundharmonische)

Grundton

Prime

1-fache Frequenz

2 (Ultraharmonische)

1. Oberton

Oktave

2-fache Frequenz des Grundtons

3 (Ultraharmonische)

2. Oberton

Oktave + Quinte

3-fache Frequenz

4 (Ultraharmonische)

3. Oberton

Oktave + Oktave

4-fache Frequenz

5

4. Oberton

Oktave + Oktave + große Terz in natürlicher Stimmung

5-fache Frequenz

6

5. Oberton

Oktave + Oktave + Quinte

6-fache Frequenz

7

6. Oberton

Oktave + Oktave + Septime in natürlicher Stimmung

7-fache Frequenz

8

7. Oberton

Oktave + Oktave + Oktave

8-fache Frequenz

9

8. Oberton

Oktave + Oktave + Oktave + große Sekunde in natürlicher Stimmung

9-fache Frequenz

Achtung! Eine Trompete ist so eng mensuriert, dass sie die eigentliche Grundharmonische (den Grundton) nicht erzeugen kann. Die Harmonischen der Trompete fangen also erst bei der 2-fachen Frequenz an. Eine Posaune kann hingegen die Grundharmonische spielen.

Achtung! Die Trompete spielt beim Überblasen im physikalischen Sinne keine Töne sondern Klänge. Gleiches gilt für die „Flageoletttöne“ der Gitarre. Physikalisch genauer wäre hier der Begriff Flageolettklänge. (Immer daran denken: Ein Ton ist für den Physiker und Akustiker ein sogenannter Sinuston, also z.B. das Tuten im Telefonhörer!)

Instrumente, die vorwiegend eindimensionale Schwingungen erzeugen, sind nach Hornbostel und Sachs Aerophone und Chrodophone (Luftklinger und Saitenklinger)!
Dazu gehören alle Blasinstrumente, Kirchenorgelpfeifen, alle Saiteninstrumente, auch ein Klavier.
Ihr Klang enthält Töne mit den Frequenzverhältnissen der Obertonreihe.

Instrumente, die vorwiegend zweidimensionale Schwingungen erzeugen, sind Membranophone (Fellklinger)!
Pauken, Trommeln usw.
Ihr Klang entspricht nicht den Frequenzverhältnissen der Obertonreihe.

Instrumente, die vorwiegend dreidimensionale Schwingungen erzeugen, sind Ideophone (Selbstklinger)!
Glockenspiel, Xylophon, Kirchenglocke, Klangschale, usw.
Ihr Klang entspricht in den meisten Fällen nicht bzw. nur annähernd den Frequenzverhältnissen der Obertonreihe.

Alle natürlichen Instrumente erzeugen mehr oder weniger geräuschhafte Anteile. Bei Blasinstrumenten ist so gut wie immer ein permanenter Luftstrom als Rauschen wahrnehmbar. Fast alle natürlichen Instrumente erzeugen einen geräuschhaften Anteil beim Anschlagen bzw. Anblasen. Man spricht hier vom Anschlagsgeräusch bzw. dem Anblasgeräusch.

Klangsyntheseverfahren

Es gibt mehrere verschiedene Klangsyntheseverfahren. Die verschiedenen Ansätze zur Klangerstellung beruhten im Wesentlichen darauf, auf einer möglichst kostensparenden Basis möglichst umfangreiche Klangvariationen und Manipulationen möglich zu machen. Größere Popularität erreichten die subtraktiv analoge Synthese, die additiv analoge Synthese, die FM-Synthese, die virtuelle analoge oder virtuell akustische Synthese.

Populäre Geräte zu den einzelnen Syntheseformen waren bzw. sind:

 

Syntheseform Firma und Gerätetyp
subtraktiv, analog Moog (Minimoog), Arp 2500
additiv, analog Hammond (B3, Zugriegel Orgel)
FM-Synthese Yamaha (DX7)
Virtuell analog VSTi Instrument „Minimogue VA“ (kostenlos im Internet erhältlich)
diverse kostenlose und kostenpflichtige Instrument-Programme (sogenannte „Plug-ins“)
Sampling diverse aktuelle Sample-Player (Keyboards, E-Pianos, GM-Expander)
Virtuelles Sampling VSTi Instrument „Linuxsampler“ (kostenlos im Internet für Linux, Windows und Mac OS erhältlich)
diverse kostenlose und kostenpflichtige Instrument-Programme (sogenannte „Plug-ins“)

Unter den Syntheseformen sind die subtraktive und additive analoge Synthese die einfachsten. Mit ihnen sind vorwiegend synthetisch bzw. elektronisch klingende Klänge erstellbar. Die subtraktive Synthese wird weiter unten sehr genau besprochen und ist essentieller Teil der Unterrichtseinheit.

Die additive Synthese wurde beispielsweise in der Hammond Orgel realisiert. In den Modellen der 70er Jahre wurden anstatt der Taktmotoren (der ersten Orgelmodelle aus den vorangegangenen Jahren) Sinustongeneratoren in brikettgroßen IC-Schaltkreisen verbaut, um einen Orgelklang zu realisieren. Ein typischer Hammondorgelklang bestand dann aus bis zu 9 Sinustönen, die nicht nach Frequenz sondern nach dem Imperialmaß „Fuß“ angeordnet wurden. Die Fußangaben entsprechen der Länge von Kirchenorgelpfeifen. 16″ ist dabei das tiefste Register, gefolgt von 8″, 4″, 2″. Es gibt einige ungerade Fußlagen z.B. 5 1/3″, 2 2/3″. Die Fußlagen kann man direkt den Obertönen zuordnen. Z.B. entspräche das 16″ Register dem Grundton bzw. der Grundharmonischen, 8″ ist dann der erste Oberton (eine Oktave), 4″ der dritte Oberton (zwei Oktaven), usw. Das Prinzip dieser Klangsynthese geht auf die Spektraltheorie von Helmut Helmholtz zurück. (Mehr zu dieser Problematik findet sich im Kapitel 6.3 „Klangfarbe und Klangcharakter“ des Skriptums „Musikalische Akustik, Instrumentenkunde, Neue Musiktechnologien“ von Prof. W. M. Stroh, Literaturlink 1). Problematisch ist hierbei, dass sich ein natürlicher Instrumentenklang aus mehr als nur spezifischen Obertönen zusammensetzt. Der individuelle Klangcharakter von Instrumenten wird besonders durch die Einschwingphase der Instrumente bestimmt. Tatsächlich sind die nachfolgenden periodischen bzw. quasiperiodischen Klangverläufe von eindimensional schwingenden Instrumenten untereinander teilweise sehr ähnlich und das Frequenzspektrum alleine reicht nicht dafür aus, dass ein Hörer Klänge sicher unterscheiden kann. Dementsprechend wenig wirklich verschiedene Klänge waren mit der Hammondorgel realisierbar, zumal man mit ihr nur sehr begrenzten bis gar keinen Einfluss auf Einschwing- und Ausschwingphase des Klangs nehmen konnte.

Die FM-Synthese wurde in den 80er Jahren durch die Firma Yamaha populär. Siehe dazu meinen Text zur FM-Synthese. Die FM-Synthese machte es ab 1981 möglich, „akustisch“ klingende Instrumentenklänge zu erzeugen, auch wenn diese noch nicht viel mit ihren akustischen Vorbildern gemein hatten. Insbesondere dreidimensionale Klangverläufe und deren komplexes, sich über die Zeit stark änderndes Klangspektrum (z.B. das von schwingenden Metallzungen) waren sehr authentisch durch FM nachzubilden. Daher war die FM-Synthese eine ideale Möglichkeit alte E-Pianos (mit mechanischer Klangerzeugung, z.B. Fender Rhodes und Wurlitzer) nachzuahmen bzw. deren Klänge ästhetisch weiterzuentwickeln. Es gibt neben verschiedensten FM-E-Pianosounds sehr überzeugend klingende FM-Klänge vom Vibraphon und Marimbaphon.

Das Sampling-Verfahren wurde gegen Ende der 1980er Jahre durch seine digitale Verfügbarkeit populär und von verschiedenen Firmen eingeführt. Es verdrängte recht schnell die FM-Synthese.

Sampling ist in seiner Reinform eigentlich keine „Synthese“, da beim Sampling nur Aufnahmen von Klängen bei Tastendruck abgespielt werden. „Synthese“ beschreibt sinngemäß das Zusammenfügen von verschiedenen Komponenten zu einem Klang. Man gruppiert Sampling-Instrumente daher auch richtig in die Gattung „Sample-Player“ ein. Technisch sowie sprachlich haben diese Instrumente viel mit einem CD-Player gemein. Anschlag und Anblasgeräusche sowie eine reichhaltige Auswahl von Artikulationsmöglichkeiten der natürlichen Instrumente sind leicht zu reproduzieren. Der Soundprogrammierer benötigt dazu noch nicht einmal ein tieferes Verständnis von der jeweiligen Klangerzeugung eines bestimmten natürlichen Instrumentes. Durch den immer günstiger werdenden digitalen Speicher (gemeint sind sowohl Massenspeichermedien als auch RAM (Random Access Memory) Speicher) gilt Sampling heute als das Verfahren der Wahl, um bereits existierende Klangereignisse natürlicher Instrumente zu reproduzieren. So können inzwischen fast alle Instrumente eines Orchesters in täuschend echter Klangqualität nachgebildet werden. Es existieren dafür Klangbibliotheken mit teilweise über 1TB (einem Terrabyte = 1024 Gigabyte = 1.048.576 Megabyte) an Einzelsamples von jeder nur erdenklichen Spielweise der Orchesterinstrumente. (Zum Vergleich: Die ersten Sampleplayer mussten mit 8 Megabyte gespeicherter Instrumente auskommen).

Als neueste Entwicklung sind virtuelle Synthesizer zu sehen. Dies sind PC-Programme, die den Aufbau und den Klang eines echten akustischen Instrumentes oder eines analogen elektroakustischen Instrumentes (z.B. eines Synthesizers) innerhalb eines PCs „virtuell“ nachbilden. Innerhalb dieser Unterrichtseinheit werden virtuelle Synthesizer verwendet, um praxisnah das subtraktiv analoge Klangsyntheseverfahren den Schülern nahezubringen.
Es gibt inzwischen eine Vielzahl an virtuellen Instrumenten und Effekten. Viele davon sind auch kostenlos erhältlich. Siehe hierzu meinen Artikel zu diesem Thema.

Subtraktiv analoge Klangsynthese

Synthesizer mit diesem Klangerzeugungsverfahren sind durch aktuelle Musikstile wie House, Dancefloor und Techno wieder populär geworden. Sie waren Mitte der 80er Jahre fast vollständig durch FM-Synthesizer der Firma Yamaha vom Markt verdrängt.

Module

Abb. 1:Steve Porcaro, Keyboarder der Band Toto vor einem modularen Moog-Synthesizer (Lizenz: CC-by 2.0, Urheber: Jim Gardner, Quelle: https://www.flickr.com/photos/jamesthephotographer/120916737/ )

Die Klangerzeugung analoger und digitaler Synthesizer beruht auf einem modularen Aufbau. Ältere analoge Geräte verfügen über die Möglichkeit, einzelne Module zur Klangerzeugung bzw. Klangmanipulation via Musiker-Klinkenkabel (6,3mm Mono-Klinkenstecker, bekannt als Kopfhörerstecker) frei miteinander zu verbinden. Man nennt diese Kabel auch Patchkabel. Ein modular aufgebauter Synthesizer kann je nach Anzahl der Module die Größe einer Schrankwand erreichen.

Moderne digitale Synthesizer verfügen auch über eine Vielzahl dieser Module, jedoch ist die Möglichkeit der freien Verknüpfung der Module durch das jeweilige Betriebssystem des Synthesizers mehr oder minder eingeschränkt.

Modul 1, der Oszillator

Die subtraktiv analoge Synthese ist dadurch bestimmt, dass der Klangerzeuger, ein sogenannter Oszillator eine sehr geringe Anzahl an Wellenformen erzeugen kann.

 

Abb. 2: Synthesizer 1 bestehend aus fünf einfachen Modulen: Tastatur, Oszillator, Verstärker Oszilloskop und Pegelmesser (VU-Meter). (Quelle: www.markus-fiedler.de)

Diese Wellenformen sind in der Regel auf die Typen Sinus, Dreieck, Rechteck, Puls, Sägezahn und Rauschen beschränkt. Deren englische Bezeichnungen sind: Sine, Triangle, Square, Pulse, Sawtooth, Noise. Die Wellenformen werden nach Ihrem Erscheinungsbild in einem Oszilloskop benannt. Dreieck, Rechteck, Sägezahn und Pulswellenform enthalten in zunehmendem Maße Obertöne. Die Sinuswellenform besteht aus nur einem Teilton, der Grundharmonischen. Die Dreieckwellenform enthält Harmonische mit den Frequenzfaktoren 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 usw.. Die Ultraharmonischen werden mit zunehmender Frequenz relativ schnell leiser.

Die Rechteckwellenform enthält ebenfalls alle ungeraden harmonischen Teiltöne (1,3,5,7,9,11,13 usw.), diese sind allerdings in den hochzahligen Ultraharmonischen immer noch recht laut. Als Besonderheit der Rechteckwellenform ist zu erwähnen, dass man ihre Pulsweite (engl. „pulse width“) verändern kann. Bei einer langen Pulsweite entstehen lautere Ultraharmonische. Die Sägezahnschwingung enthält alle ganzzahligen Harmonischen mit den Frequenzfaktoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 usw.

Rauschen enthält Töne, die über das gesamte Hörspektrum verteilt sind. Rauschen hat keine bestimmte wahrnehmbare Tonhöhe.

Modul 2, das Filter

Der Begriff Filter ist hier sächlich und nicht männlich wie beim „Kaffeefilter“, weil es sich um ein mathematisch greifbares technisches Element handelt. Mit einem Filter kann man recht einfach Einfluss auf die Lautstärke der Ultraharmonischen eines Klanges nehmen. Man unterscheidet Tief-, Band- und Hochpassfilter. Wie der Name der einzelnen Filter sagt, lassen sie entweder die Bässe, die Mitten oder die Höhen eines Signals passieren. Der Rest wird ausgefiltert.

In elektronischen Musikinstrumenten ist das Tiefpassfilter sehr populär. Mit diesem kann man einen Klang ähnlich wie mit dem menschlichen Mundraum so formen, dass er den Vokalen a, e, i, o, u entspricht. Ein „Whap“ oder „Quak“ ist somit sehr leicht realisierbar.

 

Abb. 3: Synthesizer 2, orange gekennzeichnet ist der Tiefpassfilter, zur optischen Darstellung der Klangveränderung wurde ein Spektrometer hinzugefügt. (Quelle: www.markus-fiedler.de)

Diese Klangabläufe lassen sich durch eine Veränderung der Grenzfrequenz erzeugen. Das ist die Frequenz, ab der der Filter einsetzt. Ein Filter kann in Eigenresonanz versetzt werden. Die Eigenresonanz führt zu einer Betonung der Grenzfrequenz. Dies geschieht mit dem Resonanz-Parameter des Filters. Resonanzfähige Filter nennt man auch Moogfilter. Moog-Synthesizer hatten solche Filter, die zur Eigenschwingung fähig waren und zur Verzerrung des Klanges führen konnten.

Modul 3, die ADSR Hüllkurve

Die ADSR Hüllkurve wird durch die Abkürzungen der Parameter Attack, Decay, Sustain, Release benannt. Die Hüllkurve (engl. Envelope) erzeugt eine Lautstärkenveränderung über eine bestimmte Zeit.


Abb. 4: Synthesizer 3, orange gekennzeichnet ist die Hüllkurve (Quelle: www.markus-fiedler.de)

 

Parameter Sinngemäße Übersetzung Erklärung
Attack Anschlagszeit Beschreibt die Zeit, die der Klang benötigt um eine Maximallautstärke zu erreichen. Ein Klavierklang hat eine sehr kurze Anschlagszeit.
Decay Abschwellzeit Beschreibt die Zeit, die der Klang benötigt um von der Maximallautstärke auf eine unter Sustain beschriebene Lautstärke abzusinken.
Sustain Haltelautstärke Hier wird die Lautstärke definiert, mit der der Klang gehalten wird. Eine Orgel hat hier einen Wert von 100% und ein Klavier einen Wert von 0%
Release Abschwellzeit nach Tastenloslassen Die Zeit die der Klang benötigt, um nach dem Loslassen der Keyboardtaste zu verklingen. Ein Orgelklang verklingt sofort, ein Metallophonklang eher sehr lange.

 

Eine ADSR-Hüllkurve kann auch einen Filterverlauf steuern. Wobei hier dann nicht die Lautstärke sondern die Filtergrenzfrequenz Cutoff der Zielparameter ist, der durch die ADSR Hüllkurve verändert werden kann.

Modul 4, der Tieffrequenzoszillator

Dieser Oszillator schwingt mit relativ langen Perioden. Üblicher Weise liegt sein Frequenzbereich zwischen 0 und 10 Hz.

 

Abb. 5: Synthesizer 5, orange gekennzeichnet ist der Tieffrequenzoszillator. Dieser kann Einfluss auf verschiedene Module nehmen. Die Verknüpfungsmöglichkeiten sind durch orange Pfeile dargestellt. (Quelle: www.markus-fiedler.de)

 

Der Tieffrequenzoszillator (engl. LFO = Low Frequency Oscillator) kann auf alle möglichen Module eines Synthesizers einwirken. Am häufigsten werden die Tonhöhe, die Lautstärke und die Filtergrenzfrequenz durch den Tieffrequenzoszillator verändert (=moduliert). Man spricht hier in der Akustik auch von einer Modulation, die aber mit dem musiktheoretischen Begriff der Tonart-Modulation nichts gemeinsam hat!

Man kann beispielsweise mit Modulationsfrequenzen zwischen 3 und 5 Hz ein typisches Vibrato (bei Tonhöhenmodulation) oder Tremolo (bei Lautstärkenmodulation) erzeugen.

Modul 5, die Tonhöhenhüllkurve

Die Tonhöhenhüllkurve bietet die Möglichkeit die Tonhöhe bei Drücken der Keyboardtaste einen gezielten Verlauf vollziehen zu lassen.

 

Abb. 6: Synthesizer 6, orange gekennzeichnet ist die Tonhöhenhüllkurve. Hier als Beispiel ein für Yamaha-Synthesizer der FM-Reihe typisches Modul (Quelle: www.markus-fiedler.de)

Instrumente wie Trommeln haben beim Anschlagen eine höhere Tonhöhe als beim Ausklingen. Dies kann man mit einer Tonhöhenhüllkurve recht gut nachbilden.

Vorschläge zum Unterrichtsverlauf

Vorbemerkung

Es ist nicht ratsam, den Unterrichtsstoff innerhalb einer Schulstunde oder einer Doppelstunde abzuarbeiten. Es erscheint nach meiner Erfahrung sinnvoll, über den Zeitraum von 4 Schulstunden den Schülern die Gelegenheit zum praktischen Umgang mit den Synthesizern zu geben. So bleibt genügend Zeit, um bei jedem Schüler Fragen zu beantworten und ggf. Hilfestellungen zu geben. Der Unterrichtsstoff kann in einer Schulstunde nachbereitet, gesichert und gefestigt werden. Ästhetische Fragestellungen (siehe Ergebnissicherung) sollte man in einer weiteren Schulstunde klären. Die Unterrichtseinheit hat somit eine empfohlene Länge von 6 Stunden, was in etwa drei Wochen Arbeit entspricht.

Die einzelnen von mir erstellten Synthesizerprogramme sind auf fast jedem Windows-PC (Windows 98, ME, 2000, XP) lauffähig. Über die Software Wine sind die Synthesizer auch in Linux zu starten. Im vorliegenden Fall müssen die Programme einfach nur auf den PC kopiert und gestartet werden, umfangreiche Installationsroutinen sind nicht nötig.

Daher ist es sinnvoll, den Schülern die vorliegenden Synthesizer-Programme in Kopie mit nach Hause zu geben, um diese zu Hause den Unterrichtsstoff nacharbeiten oder vorbereiten zu lassen. Die allermeisten Schüler verfügen über einen eigenen PC.

Von Schülern wird in PC-gestützten Unterrichtseinheiten vereinzelnd vorgebracht, dass sie Schwierigkeiten haben, ein Programm zu installieren. Die Gründe der Schüler sind hierfür mannigfaltig, beruhen zumeist auf Unwissenheit, in sehr seltenen Fällen darauf, dass sie tatsächlich keinen PC zur Verfügung haben.

Einige Schüler schrecken nicht davor zurück, Hindernisse schlichtweg zu erfinden, um sich vor den Hausaufgaben zu drücken. Derartige Entschuldigungen sind für technisch versierte Lehrer zumeist leicht als Unwahrheiten zu durchschauen. Aber insbesondere technisch ungebildete Lehrer laufen hier Gefahr, sich von den Schülern überrumpeln zu lassen. Um etwaigen Diskussionen aus dem Weg zu gehen, sind folgende Wege für den Lehrer ratsam:

Zu Beginn der Unterrichtseinheit sind Hausaufgabenarbeitsgemeinschaften zu jeweils 2 bis 4 Personen mit jeweils funktionstüchtigen PCs zu bilden.

Der Computerraum der Schule sollte nach Unterrichtsschluss für die Bewältigung der Hausaufgaben zur Verfügung stehen.

In jedem Fall sollte jedem Schüler eine Bedienungsanleitung an die Hand gegeben werden, damit er oder sie das Programm problemlos starten kann. Diese Bedienungsanleitung ist Teil dieser Unterrichtsmaterialien.

Auf den Schul-PCs sollte das Programm vorinstalliert sein. Die Schüler sollten angeleitet werden, die Synthesizerprogramme zu starten.

In jedem Fall sollte am Ende der ersten Stunde angemerkt werden, dass sich Schüler sofort melden sollen, falls sie Schwierigkeiten bei der Ausführung der Programme haben. In solchen Fällen sollten sich betroffene Schüler mit Klassenkameraden zusammensetzen, die keine Probleme mit den Programmen haben. Abgesehen davon, dass dies den sozialen Zusammenhalt der Klasse fördert, vermeidet so der Lehrer ein „ich wusste nicht weiter und da habe ich gar nichts gemacht“ in der folgenden Schulstunde.

Ziele der Unterrichtseinheit

Die Schüler …

  • kennen die Begriffe Schall, Klang, Ton, Geräusch
  • können die Begriffe sicher anwenden.
  • können Klangereignisse den Begriffen sicher zuordnen.
  • kennen den grundlegenden Aufbau von analogen Synthesizern bzw. ihren digitalen Nachbauten (Module: Oszillator, Filter, ADSR Hüllkurve).
  • können einen Klang bezüglich seiner Beschaffenheit analysieren (z.B. perkussive Hüllkurve, brillianter Klang, gefilterter Klang).
  • erfahren live Klänge, die sie selbst erzeugen und individuell erstellt haben.
  • lernen den Computer als Musikinstrument kennen.
  • können gezielt bestimmte Klänge mit Hilfe des Synthesizers erstellen (z.B. ein „Quak“ oder ein „Whop“)
  • erörtern und beurteilen Vor- und Nachteile bzw. die Grenzen der Klangsynthese und setzen diese mit musikästhetischen Überlegungen in Verbindung („Klingt ein Synthesizerklang schön? Klingt ein Naturinstrument besser? Begründung?“)

Hinführung

Die Schüler werden aufgefordert, möglichst Instrumentalaufnahmen aktueller Techno-Produktionen herauszusuchen und vorzuspielen.

Die Schüler diskutieren über die klanglichen Aspekte dieser Aufnahmen und sollen umgangssprachlich den Klang einzelner Instrumente beschreiben. Erste Lücken im Vokabular sollten hier deutlich werden. Das Gespräch wird durch den Lehrer zum Punkt geführt, an dem klar wird, dass die Schüler genaueres zur Klangsynthese bzw. über das nötige Vokabular erfahren müssen, um über die Thematik diskutieren zu können. Diese Unterrichtsphase sollte letztendlich in folgende Fragestellungen münden:

– Was genau ist ein Synthesizer?

– Wie ist das Instrument aufgebaut? Wie klingt es? (Hier später evtl. eine Differenzierung in die vorherrschenden Klangsyntheseverfahren Sampling und virtuell Analog)

– Was beschreiben die Begriffe Schall, Klang, Ton, Geräusch?

Erarbeitungsphase

Die Schüler erarbeiten in Kleinstgruppen oder Paaren die einzelnen Elemente der analogen subtraktiven Klangsynthese. Dafür stehen die Synthesizer 1 bis 6 zur Verwendung bereit.

Hier bieten sich zwei Möglichkeiten der Gruppenarbeit:

Einzelne Gruppen beschäftigen sich nur mit speziellen Modulen.

Diese erste Möglichkeit hat zum Vorteil, dass die Schüler differenziert nach Ihren Leistungen in einen bestimmten Schwierigkeitsgrad arbeiten können.

Leistungsschwache Schüler kann man gezielt zu Gruppen zuordnen, die einfachere Thematiken zu erarbeiten haben (einfach zu erklärende Module Oszillator und ADSR-Hüllkurve).

In der Ergebnissicherung sollten in diesem Fall die Schüler der einzelnen Gruppen berichten, welche Klangveränderungen Änderungen an Parametern ihres zu untersuchenden Moduls hervorrufen.

Alle Gruppen erarbeiten nacheinander alle Module.

Diese Möglichkeit eröffnet allen Schülern gleichermaßen, die Möglichkeit sich Schritt für Schritt über die Erarbeitung einzelner Module in die Welt der Synthesizer einzuarbeiten.

Ich halte diese Vorgehensweise bei den Schülern für nachteilhaft, die Schwierigkeiten im Umgang mit technischen Geräten haben. Der Synthesizer 6 hat eine Fülle an Parametern, die von „technophoben“ Schülern nicht unbedingt sofort überblickt werden können.

Ergebnissicherung

Hierzu sind die beiliegenden Arbeitsblätter dienlich. Wichtig ist in dieser Unterrichtseinheit nicht nur die Reproduktion von Wissen, sondern die persönliche, auditive Erfahrung der Schüler.

Am Ende der Unterrichtseinheit sollte eine kritische Betrachtung der elektronischen Musik stehen. Fragen könnten sein:
– Wo liegen die Grenzen der elektronischen Musik?
– Worin liegt der Reiz elektronischer Klänge?
– Wie einfach kann man elektronische Klänge erzeugen, welchen Arbeitsaufwand benötigt man, welchen Wert hat also ein Technostück?
Hier sollte man eine Technoproduktion oder ähnliche Popmusik mit anderen Musikstilen der alten Musik oder auch mit anderen Musikstilen wie Rock vergleichen.

– Kann man überhaupt den Wert von Musik bestimmen?

– Kann man Instrumente virtuell (das heißt in Software) auch so nachbilden, dass sie täuschend echt klingen?
Hierzu gibt es übrigens auch immer wieder Streit unter Fachleuten. Ich erinnere hierzu eine Diskussion mit Herrn Prof. Stroh und mir in meiner Fachprüfung. Dieses Thema bietet sich also für ein Sreitgespräch unter den Schülern an. Ich empfehle hierzu einfach mal das Anhören des folgenden Stücks. Man kann daran erkennen, wie weit die Technik vorangeschritten ist, und auf welch hohem klanglichen Niveau Instrumente eines klassischen Ensembles synthetisch reproduziert werden können. Es gibt inzwischen genügend noch weitaus bessere Aufnahmen in Funk und Fernsehen, bei denen selbst ein Fachmann kaum noch zwischen Original und Fälschung unterscheiden kann.

Trotz allem bleibt abschließend natürlich die Frage: Worin liegt der Reiz von Hand gemachter Musik auf echten Musikinstrumenten ?

Weiterführende Literatur

1. „Musikalische Akustik, Instrumentenkunde, Neue Musiktechnologien“ Wolfgang Martin Stroh, CvO Uni Oldenburg, 2008 (auch als PDF-Ebook erhältlich)
5. Landesbildungsserver Baden Würtenberg Thema „Akustik“ http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/akustik/

Seite erstellt am: 28.12.07, Letzte Änderung 01.07.12, neu eingestellt am 05.02.18