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Literatur zur Klangsynthese

Charles Dodge, Thomas A. Jerse (ed.)
Computer Music Synthesis Composition and Performance

Andy Farnell
Designing Sound (Excerpt)

Tom Holmes
Electronic and Experimental Music

Johannes Kreidler, Programming Electronic Music in Pd

Eduardo Reck Miranda
Computer Sound Design. Synthesis Techniques and Programming

Olli Niemitalo
Digital sound processing tutorial for the braindead!

Burk, Polansky, Repetto, Roberts, Rockmore
Music and Computers

Miller Puckette
The Theory and Technique of Electronic Music

Douglas Repetto
Music and Computers.
A Theoretical and Historical Approach

Davide Rocchesso
Introduction to Sound Processing

Curtis Roads
Microsound
+ CD (FLAC Files, ZIP)

Curtis Roads
Computer Music Tutorial

Steven W. Smith
The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing

 

Begriffsbestimmungen

sample
(engl. = Probe);
1)   die Aufzeichnung eines konkreten Klangs;
2)   die Zahlendarstellung von 1) (= Digitalisierung) geschieht durch die Puls Code Modulation, PCM), die keine Modulationsform der Klangsynthese ist. Das Abtasten der Schwingung geschieht mit einem A/D-Wandler (analog/digital).
wave
(engl. = Welle); oft auch (fälschlich) für: Schwingung (korrekt : oscillation)
wave form:
Wellenform, Schwingungsform
wave generator:
Oszillator, der gespeicherte Samples ausliest (= table-lookup).
wave table:
Produkt von PCM; Tabelle, in der eine Schwingung über einen zeitlichen Verlauf digital erfasst ist
table lookup:

s.o.; hat nichts mit Wavetable Synthese zu tun! Diese, von Curtis Roads
(„Computer Music Tutorial“) sogenannte „Fixed-waveform table-lookup
Synthese“ ist die elementare Tätigkeit eines Oszillators, liest dieser
doch genau/nur eine Periode einer Grundwellenform (z. B. Sinus oder
Sägezahn) aus und sendet diese immer wieder, solange wie gewünscht, zu
einem D/A-Wandler.

Die frühen Synthesizer arbeiteten mit physikalischen Größen wie etwa
Spannung, um Klänge zu bearbeiten. Die Klangmerkmale veränderten sich analog zu der angelegten physikalischen Größe. Da bei dieser
Analogen Synthese die Filter und Hüllkurvengeneratoren den vorhandenen Klang durch Wegnehmen beeinflussten, spricht man auch von Subtraktiver Synthese.

Mit was arbeitet man bei der Klangsynthese?
1)   mit analogen oder digitalen Samples
2)   mit elementaren Wellenformen
3)   nur mit Zahlen und mathematischen Prozeduren (digitaler Klang)

Mit Samples arbeiten:
ROM-Sample-Synthese (Sample Playback), AWM, AWM 2, AI, Direct Digital
Synthesis, Granular Synthese, PWM, Scanned Synthesis und Transitional
Synthesis (Wave Sequencing, Wave Table Synthesis, Vector Synthesis)

Mit elementaren Wellenformen arbeiten
die Additive Synthese, auch Fourier Synthese genannt, das Formant Shaping, Time
Sclice Synthese und die Modulations Synthesen.
Die Modulations Synthesen sind Spezialtechniken, die aus der Additiven
sowie Subtraktiven Analyse mit nachfolgender Resynthese hervor gegangen
sind. Hierzu zählen: AM, FM (AFM), Ringmodulation (FMX, cross
modulation), Phase Distortion (iPD), RCM, Resonance Modulation
(Filter), Wave Shaping und Formant Synthese. Zur
Resynthese gehören LPC und der Phase Vocoder.

Oberbegriff für den digital repräsentierten Klang
ist DSP (= Digital Signal Processing, digitale Signal Bearbeitung).
Zahlen, die Klänge darstellen, werden nach bestimmten
Rechenvorschriften berabeitet und werden zu neuen Zahlen, die
-umgewandelt- analog gehört werden können. Hier kommt der Convolution eine besondere
Bedeutung zu: Mit dieser Prozedur, auch cross modulation gennannt,
lässt sich so ziemlich alles erklären: Modulation, Filter,
Reverberation und Cross Synthese. Das Physical Modelling („modeling“ geht auch) oder Virtuelle Synthese gehört mit Karplus-Strong Synthese und der Waveguide Synthese auch hier hin.
Mischformen der Synthese sind Composite Synthese und die Linear Arithmic Synthese.

A

Additive Synthese (Fourier Synthese)
Bei der Additiven Synthese wird das Klangspektrum Oberton für Oberton
aufgebaut. Jeder Oberton hat Amplitude, Frequenz und Phase.

AFM (Advanced Frequency Modulation)    > Frequenzmodulation

AI (Advanced Integrated)    > ROM-Sample Synthese

AM (Amplitudenmodulation)- Synthese  > Modulationssynthese
Die Lautstärke einer Trägerfrequenz wird von außen manipuliert, z. B. durch eine andere Schwingung. Keine Synthese, sondern eine Prozedur.

      

Analoge Synthese
Eher eine Hardware-Klassifikation: es werden analoge Daten manipuliert. Die Sound Parameter sind stufenlos regelbar und werden sehr schnell erzeugt;  Chaotische Prozesse und Fertigungstoleranzen der analogen Bauteile machen das erzeugte Audiosignal sehr beliebt. Es wird
nichts gerechnet, da die Vorgänge am Steuerungelement analoge Veränderungen am Klang bewirken. Bei der digitalen Klangverarbeitung (DSP = Digital Sound Processing) wird das Verhalten analoger Schwingkreise rechnerisch simuliert: Digitale Synthesizer sind „Physikalische Modelle“ von analogen!

AWM   > ROM-Sample Synthese

AWM 2   > ROM-Sample Synthese

B

C

Composite Synthesis
Man mischt künstliche und gesamplete Klänge zu einem neuen Klangereignis.

Convolution
Oberbegriff
für eine Mathematische Prozedur, aus der u. a. Modulation,
Filterprozeduren, zeitliche Verläufe (Hall etc.) und Cross Synthese
abgeleitet werden
können.

Cross Modulation    > Ringmodulation

D

Direct Digital Synthese
Ein
Computer rechnet das digitale Material von vorhandenen waves um; diese
Transformation nach bestimmten Rechenvorschriften bringt neue Klänge
hervor.

DSP (= Digital Signal Processing);
Verarbeitung von durch Zahlen repräsentiertem Sound (digital-binär). Kernbegriff der Software Synthese.

Digitale Waveguide Synthese   > Waveguide Synthese

E

F

Filter  > Subtraktive Synthese

FM (Frequenzmodulation)-Synthese; hierzu gehört auch Advanced FM.
Ein
Sinusoszillator (Träger, carrier) kann durch einen Regler verstimmt
werden. Ist dieser Regler ein anderes schwingungsfähiges Gebilde
(modulator), entstehen komplexe Oberschwingungen, deren Beschaffenheit
allerdings schwer vorher zu bestimmen ist.

FMX    > Ringmodulation

Fourier Synthese    > Additive Synthese

Formant Shaping    > Additive Synthese

Formant Synthese
FM-Synthese und ein paar Algorithmen und ein paar Filter

G

Granular Synthese
Viele sehr kleine gesamplete Klangabschnitte werden per Algorithmus neu zusammen gesetzt. Im Unterschied zum Wave Sequencing sind hier die Sample Abschnitte so kurz, dass sie nicht mehr als Impulse empfunden werden, sondern als Klangfarben.

H

I

iPD (interactive Phase Distortion)    > Phase Distortion Synthesis

J

K

Karplus-Strong-Synthese > Physical Modelling
Ausgangspunkt ist ein Pulsklang oder ein explosives Geräusch, das eine delay-Einheit
mit Rückkopplung anregt; bei bestimmten Voraussetzungen kommt es zu einem Klang mit definierter Tonhöhe. Diese Synthese wird zur Bildung von Klängen gezupfter Saiten oder anderer Klänge mit perkussivem Charakter benutzt.

L

Linear Arithmic Synthese
Dieses Syntheseprinzip geht von der Annahme aus, dass das Ohr zur Identifizierung eines Klanges in erster Linie auf seine Attackphase (Einschwingphase) achtet.

Linear Predictive Coding (LPC)
Wird zur Sprachsynthese  benutzt.; eine Art von Resynthese, die sehr großen Wert auf die Formung des Endklanges durch Filter legt. Verwendung bei Spracherzeugung.

M

Modulationssynthese
von Curtis Roads im „Computer Music Tutorial“ geprägt. Hierunter fallen z. B. AM, FM und
Ringmodulation

Multiwave Synthese
Hat sich hier eingeschlichen, hat nichts mit unserem Thema zu tun, gibt es aber, bis hin zu Anwendungen in der Lasertechnik. Das Interessanteste bei der Web Suche war eine Technik, die anscheinend die Periode (Frequenz) der Stromversorgung änderte (also zum Beispiel von 50 auf 90
Hz hier in Deutschland) und/oder sogar die Sinuscharakteristik der Wechselspannung deformierte! Das alles, um im Audio-HiFi-Bereich klangliche Verbesserungen zu erreichen.

N

Nekrosynthese
(Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung vom 14.04.02); zur Auflockerung eingeflochten: Auf Seite 62 unter „Radio Jenseits“ erfahren wir, dass Mitglieder des „Vereins für Transkommunikationsforschung“ Radiosignale aufnehmen. Mit der Software „Cool Edit“ zerhackt man die Signale in Stücke von 50 Millisekunden, die dann nach dem Zufallsprinzip zu
Silbensalat gemischt werden. Aus dieser Mischung hört man dann Worte und Sätze, Antworten auf die Fragen, die man während der Aufnahme gestellt hat. Kein Kommentar.

O

P

PCM   (= Pulse Code Modulation) > ROM-Sample-Synthese
Methode, um ein analoges Signal (Audio) in Zahlenwerte umzuwandeln (Digitalisierung), keine Synthese Methode

Phase Distortion Synthese; hierzu gehört die iPD (interactive Phase Distortion)
Arbeitsweise an die FM Synthese angelehnt; jedoch wird der carrier durch ein Wave-shaper-Modul modifiziert..

Physical Modeling (auch: modelling)
Physical
Modeling versucht mathematisch exakt die Instrumente zu beschreiben.
Bogen, Saiten, Resonanzkörper, der Vorgang der Klangerzeugung selbst,
all das wird in komplizierten mathematischen Formeln nieder gelegt. Zur
Modellbildung gehören z. B. Karplus-Strong oder Waveguide Synthese.

Pulse Width Modulation
PWM (Pulsweitenmodulation) geschieht analog. Die Wellenform des Oszillatorpulses ist in der Weite modulierbar durch einen anderen Oszillator (LFO) oder durch eine Hüllkurve (envelope).

Q

R

RCM (Realtime Convolution, eine Modulationssynthese)
ausgebaute FM Synthese

Resonance Modulation
Bezieht sich auf die Veränderung der Filter Resonanz

Resynthese
Setzt eine vorherige Analyse voraus. Digital durchgeführte Additive Synthese,
die auf Werten beruht, die von einer Fourier Analyse kommen. Die Fourier Analyse, die an einem Sample durchgeführt wurde, kann diesen also resynthetisieren, Die Hüllkurven Parameter (Amplitude, Frequenz) eines jeden Partialtones können dabei verändert werden, ohne dass sich die anderen Klangeigenschaften ändern, wichtig zum Beispiel für Tonstauchung und -dehnung („Time Stretching“), Digitalpianos (Anschlagsdynamik) und formantunabhängige Transpositionen (Vermeidung des „Micky-Mouse-Effektes“).
Den kombinierte Gebrauch von Analyse und Resynthese findet man beim Phase Vocoder und bei der Linear Predictive Coding (LPC).

Ringmodulation
Hierzu gehören auch „cross modulation“ und FMX („frequency cross modulation“).
Benennung nach der Verschaltung der (ursprünglich analogen) Bauelemente; wie AM,
jedoch fehlt der Trägerton. Keine Synthese, sondern eine Prozedur. Zwei originale Frequenzen werden am Ausgang mit Summe und Differenz der Ausgangstöne gemischt. Es lassen sich inharmonische Obertonspektren erzeugen (metallischer Klang).

ROM-Sample-Synthese (sample playback)
PCM (Pulse Code Modulation) liefert die Zahlenwerte; AWM (Advanced Wave Memory),
AWM2 (Advanced Wave Memory Version 2) und AI (Advanced Integrated);
Gespeicherte Samples werden abgespielt

S

Sample Playback > ROM-Sample-Synthese

Scanned Synthesis
Geschieht durch das Abtasten eines Objektes. Der so gewonnnene Umriss (shape)
wird als transformierendes Element eines Samples benutzt. Interessant ist, dass das Objekt alles sein kann, z. b. auch ein Gemälde oder eine Bevölkerunsstatistik!

Subtraktive Synthese
Die Arbeitsweise basiert auf sehr obertonreichen Wellenformen, die von einem oder mehreren Oszillatoren erzeugt werden und in ihrer rohen Form steril und hart klingen. Diese Wellenformen werden von Filtern bearbeitet, die ihnen bestimmte Klanganteile entziehen. Meist werden
Obertöne beschnitten, d.h. der harte Klang wird durch das Filter dunkler. Da das Filter von außen steuerbar ist, kann seine Wirkung im Zeitverlauf durch Modulationen, Hüllkurven oder Spielhilfen
(Controller) gesteuert werden.

T

Time Slice Synthese
Das Time-Slice-Verfahren ist eine Abwandlung der Fouriersynthese. Der Klang wird dabei durch Obertonspektren gebildet, die im zeitlichen Verlauf hintereinander angeordnet werden. Der Oszillator blendet (interpoliert) dann von einem Spektrum zum anderen über. Jedes Spektrum
hat also eine „Zeitscheibe“ (Time Slice).

Transitional Synthesis
(= „Übergangs-Synthese“); es wird hier rechnerisch (durch Interpolieren) ein
fließender übergang zwischen zwei ähnlichen Ereignissen gestaltet. Hierzu gehören Z-Plane Synthesis, Wave Sequencing, Wave Table Synthesis und Vector Synthesis

U

V

Vector Synthese
Die Vektor-Synthese ist eine Erweiterung der Wavetable-Synthese. Vier Oszillatoren werden entweder durch einen Joystick, eine Hüll kurve oder andere Controller gesteuert. Allgemein: WS ist eine Technik, die es ermöglicht beliebig in Echtzeit von einer Klangquelle zur anderen zu
„faden“ (überzuleiten).

Virtual Synthesis > Physical Modelling

W

Wavelet Analyse
Variante zur Fourier Analyse bei der Zergliederung von Klangereignissen.
Wavelets sind mathematische Funktionen, die Ereignisse in beliebige Frequenzkomponenten aufspaltet. Die Ergebnisse können dann in beliebiger Auflösung betrachtet werden, was nach Fourier nicht geht. Darüber hinaus können auch Funktionen mit Spitzen und Sprüngen
untersucht werden.

Wave Sequencing
Kleine Teile verschiedener Samples werden linear zu einem neuen kombiniert.

Waveshaping
Klangveränderung des Originals durch eine nicht-lineare Funktion (Algorithmus,
Rechenvorschrift). Dies führt zur Verzerrung (distortion, fuzz), die aber kreativ genutzt werden kann, da auch Resonanz auftaucht.

Wavetable Synthese
1)
Man versteht unter dieser Synthese die Klangerzeugung auf der Basis
fertiger, digitaler Wellenformen, die entweder durch additive oder
subtraktive Nachbearbeitung geformt und zu Klängen verarbeitet werden.
Diese Wellenformen liegen als fest abgespeicherte Zahlentabellen
(wavetables) im ROM-Speicher des Synthesizers vor.
2)
Manche Hersteller benutzen diesen Begriff, um damit das Vermögen von
Soundkarten zu bezeichnen, die ihre Samples für das Playback in tables
( = Tabellen) im RAM gespeichert haben, das hat aber nichts mit
Synthese zu tun.

Waveguide Synthese (Digital Waveguide Synthesis)
Die Waveguide Modellierung beruht auf der Fortpflanzung einer Welle entlang eines Mediums. In einem ungedämpften Medium bewegen sich Wellen je zu Hälfte nach links und rechts aus. An den Enden eines Materials, z.B. einer Saite werden die Wellen reflektiert, wobei ein offenes (freischwingendes) Ende eine gleichphasige Reflektion bedeutet, ein geschlossenes (fixiertes) Ende eine gegenphasige. Die Wirkung von Dämpfung und Dispersion wird durch digitale Filter zusammengefasst und simuliert. Im Prinzip besteht das Waveguide Modell aus Verzögerungsgliedern (delays) und digitalen Filtern. Die Delays simulieren dabei die Beiden Wellen, die sich in entgegengesetzten Richtung ausbreiten (siehe Skizze).

X

Y

Z

Z – Plane Synthesis
Gestaltung des Übergangs zwischen zwei Filterprofilen.

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