Der vierte Teil unserer Serie „Synthesizer“ handelt von Workstations und Physical Modeling. Diese beiden digitalen Methoden der Klangerzeugung sind erst in den 80iger und 90iger Jahren entstanden. Jede für sich hat die Welt der Synthesizer revolutioniert.
Zum Einen blicken wir heute zurück auf die bisherigen drei Beiträge. Vor allem die Welt der digitalen Synthesizer werden wir kurz Revue passieren lassen. Zum Anderen wird es einen kurzen Überblick über die Entstehung der Workstations und die Funktionsweise und die Entstehung von Physical Modeling geben.
[vorheriger Artikel: Synthesizer Teil 3 - Frequenzmodulation und Sampling]
Rückblick auf Anfänge der digitalen Synth-Welt
Letzte Woche haben wir uns in dieser Serie mit den Anfängen der digitalen Synthesizer befasst. Anfang der 80iger begann alles mit der FM-Synthese. Sie läutete die Welt der digitalen Synthies ein. Mit einem FM-Synthesizer war es zum ersten Mal möglich, komplexe analoge Signale im Ansatz nachzubilden.
Nach der FM-Synthese wurde das digitale Sampling entwickelt. Hier wurde ein völlig anderer Weg gegangen: Man zeichnete echte Signale auf, und gab diese auf Tastendruck wieder. So war es mögliche echte Klänge wiederzugeben.
Die Entwicklung der digitalen Welt ging jedoch weiter. Nach der FM-Synthese und dem Sound-Sampling kamen die ersten Workstations und das Physical Modeling auf den Markt.
Workstations
Definition der Workstation
Genau genommen ist eine Workstation kein eigener Synthesizer, und auch keine Neuentwicklung. Viel eher sind es Ansammlungen von Klangerzeugern und Möglichkeiten Klänge zu manipulieren, die in einem Gerät zusammengefasst werden. Neben einem Synthesizer, einem Sampler und einem Drumcomputer können auch Effektgeräte wie Hall und Flanger eingebaut sein. So wird zum Einen die Möglichkeit gegeben viele Sounds miteinander zu kombinieren, zum Anderen könnte man theoretisch komplexe Musikstücke mit einem Gerät spielen.
Heutige Keyboards sind in der Regel Workstations. Mit ihnen kann jeder Musiker eine komplette Band simulieren. Heute ist es wesentlich billiger sich eine Workstation anzuschaffen, als jedes Gerät einzeln zu besorgen.
Geschichte der Workstations
1987 brachte Roland mit dem D-50 die erste Workstation auf den Markt. Damals waren die Möglichkeiten noch sehr beschränkt. Es gab noch keinen Drumcomputer und auch die Effekte hielten sich in Grenzen. Der D-50 galt nur deshalb als Workstation, weil er zwei verschiedene Arten der Klangerzeugung und ein Effektgerät kombinierte: Neben dem Sampling wurden mit einem Synthesizer Grundwellenformen erstellt, die dann mit einem Effektgerät bearbeitet werden konnten.
Korg M1 © Warren B.
Den Titel Workstation darf eigentlich erst die Korg M1 tragen. Mit diesem Gerät brachte Korg die erste echte Workstation 1988 auf den Markt. Die M1 integrierte mehrere Geräte: einen Synthesizer, ein Effektgerät, einen Drumcomputer und einen Sequenzer. Mit der Workstation von Korg gelang es zum ersten Mal komplexe Musiksequenzen nachzubilden.
Die Workstations entwickelten sich nach und nach weiter. Heute gibt es eine Vielzahl von Hardwaregeräten. Auch Softwareworkstations sind mittlerweile auf dem Markt. Die Funktionsweise hat sich nie geändert. Einzig die Ansammlung der einzelnen Elemente einer Workstation ist variabel, generell befinden sich jedoch immer ein Klangerzeuger, ein Sequenzer, ein Effektgerät und ein Drumcomputer in einer Workstation.
Physical Modeling
Die Geschichte von Physical Modeling
Für die Entstehung des Physical Modeling bedurfte es zuerst einiger anderer Erfindungen.
1983 entwickelten Kevin Karplus und Alex Strong den Karplus-Strong-Algorithmus, welchen sie 1987 patentierten. Dieser Algorithmus eignet sich besonders für das Simulieren von Saiteninstrumenten, und setzte den Grundstein für das Physical Modeling.
Jedoch war es erst mit der Entwicklung von DSPs möglich Physical Modeling auf den Markt zu bringen. DSPs sind kleine Prozessoren, welche sehr schnell reagieren können und nahezu keine Latenzzeiten haben. Deshalb sind sie ideal für die Klangerzeugung. Ende der 80iger Jahre kamen die ersten DSPs auf den Markt.
1990 entstanden nach und nach die ersten Synthesizer die Physical Modeling beherrschten.
Wie bei der FM-Synthese auch, sicherte sich Yamaha die Rechte an diesem neuen Verfahren zur Sounderstellung, und entwickelte zusammen mit der Stanford University das Verfahren für Physical Modeling. 1994 kam mit dem Yamaha VL-1 der ersten serienmäßig gebaute Synthesizer mit Physical Modeling auf den Markt.
Mitte der 90iger begann man die alten analogen Synthesizer mit Physical Modeling nachzubilden. Dies führte dazu, dass die alten Sounds und Klänge wieder populär wurden.
Funktionsweise von Physical Modeling
Anders als die FM-Synthese und das Sound-Sampling ist das Physical Modeling nicht mehr mit analogen Möglichkeiten darstellbar. Dieses Problem gab es schon bei der FM-Synthese. Jedoch kann man die FM-Synthese mit Bauteilen niedriger Toleranz noch ziemlich gut darstellen.
Physical Modeling wird jedoch nicht mit elektrischen bzw. virtuellen elektrischen Bauteilen dargestellt. Diese Art der Klangerzeugung wird mit Hilfe von mathematischen Formeln erstellt. Dazu wird ein Instrument in mehrere Module aufgeteilt. Nimmt man das Beispiel eines Saxophons, welches auch auf Wikipedia zu finden ist, so besteht dieses Instrument aus drei Modulen:
- Dem Mundstück: dieses dient zur Erzeugung des Klanges. Ein Holzblättchen wird angeblasen und vibriert dadurch.
- Das Resonanzrohr: durch Öffnen und Schließen der Klappen wird das Resonanzrohr verlängert oder verkürzt. So kann Einfluss auf den Klang und die Tonhöhe genommen werden.
- Der Trichter: Er beeinflusst das Abstrahlverhalten des Instruments.
Diese drei Module werden jetzt in einem gesamten Model in ein mathematisches System übertragen. Anhand dieses System wird das Frequenzspektrum eines Klanges und seine Hüllkurve berechnet. Der Klang kann danach ausgespielt werden.
Möglichkeiten von Physical Modeling
Da man bei dieser Methode zur Klangerzeugung sehr nah an die originalen Frequenzspektren kommt, klingen diese Synthesizer sehr echt. Physical Modeling ist deshalb in seinen Möglichkeiten sehr ähnlich dem Sampling, bietet jedoch einige Vorteile: Beim Sampling können nur Klänge wiedergegeben werden, die vorhehr aufgenommen wurden. Beim Physical Modeling können alle Klänge eines Instruments berechnet werden. Der Arbeitsaufwand und die Kosten halten sich also in Grenzen.
Außerdem hat man die Möglichkeit die Module von verschiedensten Instrumenten zu kombinieren. Man kann damit neue Klänge schaffen. Die Variationsmöglichkeiten sind nahezu unbegrenzt.
Das war die Fortsetzung zur digitalen Synthese. Nächste Woche beenden wir dann mit den Hybrid- und Softwaresynthesizern den digitalen Teil dieser Serie.
