DE1051100B - Verfahren zur Erzeugung von Klaengen fuer elektronische Musik - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Rundfunksendungen, insbesondere Hörspiele, erfordern vielfach neue Gestaltungen der Geräusch- bzw. Klangkulisse. Vor allen Dingen müssen bei der Darstellung von künstlich verformten Geräuschen, die symbolisch in die Handlung eingreifen oder die akustische Atmosphäre bilden, sollen natürliche Geräusche oder Klänge nach dramaturgischen Gesichtspunkten umgeformt werden.

Solche Klangumformungen sind ein wesentliches Element der »Musique Concrete«, die aus natürlichen Klangbildern, wie z. B. Musik, Sprache, Geräusche, durch technische Umwandlung neue Klangbilder gewinnt.

Für diese Umformung natürlicher Klangbilder bzw. für die Erzeugung von Klangbildern wurden verschiedene Verfahren benutzt. Es ist beispielsweise ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem aus einem kontinuierlichen Frequenzspektrum (weißes Rauschen) und aus einem beispielsweise durch einen Multivibrator erzeugten Linienspektrum neue Klänge dadurch entstehen, daß durch Filter- und Verstärkersätze besondere Klangkombinationen ausgewählt und zusammengesetzt werden. Die Filtersätze gestatten eine selektive Anhebung oder Absenkung der im Durchlaßbereich liegenden Spektralgebiete. Mit Hilfe derartiger elektrischer Filter, Bandpässe usw. kann auch die Frequenzkurve eines vorgegebenen Klangspektrums in weiten Grenzen verändert werden. Hierzu soll auf eine bekannte Anordnung zur Klangfarbenbeeinflussung bei elektrischen Musikinstrumenten verwiesen werden, die aus zwei Röhren besteht und bei der der harmonische Aufbau des ursprünglichen Klanges nicht geändert wird. Beispielsweise werden durch den Schwingkreis der ersten Röhre bestimmte Spektralgebiete hervorgehoben. Die durch die Schaltung der zweiten Röhre bedingten nichtlinearen Verzerrungen erzeugen neue Frequenzen (Oberwellen, Summen- und Differenztöne). Zur Umformung von Klängen bedient man sich bekanntlich auch der Frequenzmodulation, bei der jedoch die Intervalle zwischen den Teiltönen erhalten bleiben.

Außerdem hat man Klangtransformationen durch Veränderung der Abspielgeschwindigkeit gegenüber der Aufnahmegeschwindigkeit des Tonereignisses durchgeführt. Am einfachsten lassen sich solche Umwandlungen mit einem Magnettongerät veränderlicher Bandgeschwindigkeit ausführen. Diese Klangformationen sind Transponierungen im musikalischen Sinne, d. h., die Intervalle bleiben erhalten (vgl. Fig. 1). Infolge der verschiedenen Geschwindigkeit verändert sich aber die Dauer des Tonereignisses, sie wird kürzer oder länger. Durch die gleichzeitige Verkürzung bzw. Verlängerung der Ein- und Ausschwingvorgänge tritt allerdings eine oft nicht unerhebliche

Verfahren zur Erzeugung von Klängen
für elektronische Musik

Anmelder:

Südwestfunk,
Baden-Baden, Hans-Bredow-Straße

Dr.-Ing. Ludwig Heck und Dipl.-Ing. Fred Bürck,
Baden-Baden,
sind als Erfinder genannt worden

Veränderung des Klangcharakters ein. In diese Art von Klangtransformationen gehört auch das Rückwärtsspielen von Bändern. Weiterhin wurde eine Umformung der Klangbilder durch mechanische Schnitte des aufgenommenen Magnettonbandes, z. B. durch Herausschneiden, Überkleben usw. erreicht. Schließlich ergab sich eine Klangumformung durch einfache multiplikative Mischung von zwei Tönen, z. B. durch einen Ringmodulator. Es entstehen dabei Summen- und Differenztöne und bei Klängen entsprechende Seitenbänder.

Zur Erzeugung von Klängen für elektronische Musik wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Originalklangspektrum nach dem Prinzip der Frequenzumsetzung unter Verwendung von Modulatoren und Demodulatoren mit Zusatzträgerwellen durch Ver-Stimmung dieser Zusatzträger nach oben oder unten zu verschieben.

Die Erfindung geht von den bekannten Schaltungen der Frequenzumsetzung aus, wie sie bei der Trägerfrequenz-Telephonie bekannt sind. Bei der Trägerf requenz-Telephonie werden die ursprünglichen Klänge (Sprache, Musik) am Empfangsort möglichst naturgetreu reproduziert. Durch den Erfindungsgedanken werden aber in den elektrischen Kreisen absichtlich Verstimmungen vorgenommen, so daß sich in dem umgesetzten Spektrum die ursprünglichen Klangkomponenten sowohl in bezug auf ihre Reihenfolge als auch auf ihre Intervalle ändern und so neue Klangbilder entstehen, die mit dem Original nichts mehr zu tun haben. Die Frequenzumsetzung kann einfach oder mehrfach durchgeführt werden.

Bei dem neuen Verfahren erfolgt eine Veränderung der inneren Struktur des Klanges durch Intervallspreizung bzw. Intervallschrumpfung, d. h., es handelt sich um Klangumwandlungen im Sinne von Intervall-

809 750/39

änderung der einzelnen Klangkombinationen. Ein Vergleich zwischen der Erzeugung von Klängen mittels Frequenzumsetzung und dem synthetischen Aufbau der Klänge läßt sich nicht ziehen, denn in dem ersten Fall handelt es sich .um Umwandlungsprodukte vorgegebener Klänge, während es sich im zweiten Falle um einen synthetischen Aufbau des Klanges aus Harmonischen handelt. Bei der Frequenzumsetzung entstehen die Klänge augenblicklich, während der synthetische Aufbau von Klängen einen außerordent-Hch hohen Zeitaufwand erfordert. Außerdem erlaubt die Frequenzumsetzung, durch Änderung der Verstimmung des Zusatzträgers aus einem einzigen Originalklang theoretisch unendlich viele Klangumwandlungsprodukte abzuleiten. Da diese Produkte augenblicklich entstehen, kann beispielsweise ein Komponist sofort den subjektiven Höreiridruck kontrollieren. Die Möglichkeit der Feststellung der Einstellung der Verstimmung erlaubt eine jederzeitige Wiedergabe des betreffenden Klanges. Ferner ermöglicht die Anwendung des Iterationsverfahrens bei der Verstimmung nach abwärts die Erzeugung neuer Klänge einschließlich der Restprodukte. Schließlich werden durch die Iteration die Klangumwandlungsprodukte selbsttätig in eine zeitliche Ordnung eingefügt. Eine solche zeitliche Zuordnung verschiedenartiger Klänge ist bei der Synthese nicht ohne weiteres zu erreichen.^

Es gelingt daher durch das neue Verfahren, die Tonhöhe und die Klangstruktur nach bestimmten Gesetzen umzuwandeln sowie durch wiederholte Anwendung dieser Klangumwandlung das vorgegebene Spektrum eines Klanges nach oben her abzubauen bzw. das Spektrum nach oben bis über die Hörbarkeitsgrenze zu verschieben. Derartige Klangumsetzungen lassen sich mit den bekannten, vorstehend beschriebenen Metho^ den nicht erzielen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist an Hand der Zeichnungen erläutert. Es bedeutet

Fig. 1 ein Schema einer Transponierung,

Fig: 2 dieUmsetzung einer niederfrequenten Schwingung in Seitenbänder,

Fig. 3 die Zurückführung eines ausgesiebten Seitenbandes in eine niederfrequente Lage,

Fig. 4 die Änderung der Tonhöhe und der Klangfarbe eines Klangbildes durch Verschiebung,

Fig. 5 a und 5 b ein Schema, bei dem das obere Seitenband hinter der Modulationsstufe ausgefiltert und durch einen Demodulator in die niederfrequente Lage zurückgeschoben worden ist,

Fig. 6 die Darstellung eines Originalklanges,

Fig. 7 die Umformung eines aus vier Harmonischen bestehenden, in Fig. 6 dargestellten Originalklanges.

Fig. 8 und 9 Klangbilder, die durch fortlaufende Frequenzumsetzung entstanden sind,

Fig. 10 eine Rückkopplungsschaltung zur Durchführung mehrerer aufeinanderfolgender Klangumsetzungen.

Das neue Verfahren arbeitet nach folgendem Prinzip: Eine niederfrequente Schwingung (Klang, Sprache) wird durch multiplikative Mischung in einem Modulator mit Hilfe eines sinusförmigen Trägers Q₁ in Seitenbänder umgesetzt, wie dies beispielsweise die Fig. 2 zeigt. Mittels eines Kanalfilters wird wie bei der Einseitenbandübertragung mit unterdrücktem Träger ein Seitenband ausgesiebt. Zweckmäßigerweise wählt man eine Modulationsschaltung, die von sich aus bereits den Träger unterdrückt, z. B. Ringmodulatoren, siehe das Frequenzspektrum in Fig. 2. Das ausgesiebte Seitenband wird in einem Demodulator (vgl. Fig. 3) - unter Verwendung eines

zweiten sinusf örmigenTrägers Q₂ wieder in eine niederfrequente Lage zurückgeschoben, die aber mit der ursprünglichen niederfrequenten Lage nur dann identisch ist, wenn die Trägerfrequenz des Demodulators Q₂ gleich der Trägerfrequenz des Modulators Q_i ist. Das Spektrum von Fig. 3 bezieht sich auf die Verwendung eines Ringmodulators als Demodulator. Die bei der Demodulation entstehenden Seiteubänder können bei Bedarf, z. B. im Fall der Schallaufzeichnung mit einem Hochfrequenzmagnetophon, durch einen Tiefpaß unterdrückt werden.

Akustisch bedeutet die Verschiebung eines Klangbildes in eine andere Lage, wie dies beispielsweise Fig. 4 zeigt, sowohl eine Änderung der Tonhöhe als auch der Klangfarbe, denn die Frequenzverhältnisse werden hier verändert. Die Frequenzumsetzung unterscheidet sich damit grundlegend von einer Transponierung im musikalischen Sinne, wie in Fig. 1 gezeigt.

Man muß bei dieser Art der Frequenzumsetzung zwei Fälle unterscheiden:

1. Die \^rerschiebung eines Klangbildes in eine höhere Frequenzlage (nach oben).

2. Die Verschiebung in eine tiefere Frequenzlage (nach unten), wobei das Frequenzspektrum unter Umständen in zwei Teile aufgespalten wird, die sich gegenseitig überlagern.
Die Fig. 5 gibt beispielsweise die Verhältnisse unter der Annahme wieder, daß das obere Seitenband hinter der Modulationsstufe ausgefiltert wird, und zwar zeigt Fig. 5 a die Verschiebung des Frequenzspektrums nach oben (negative Verstimmung), Fig. 5 b die Verschiebung des Frequenzspektrums nach unten (positive Verstimmung).

Besteht die Modulation aus Grund- und Obertönen, so ergibt sich bei einer Verschiebung in eine höhere Lage ein Spektrum, bei dem die Reihenfolge der Harmonischen zwar gewahrt bleibt (Regelfolge), der Intervallabstand (d. h. das Frequenzverhältnis) zweier aufeinanderfolgender Komponenten aber sich verkleinert (vgl. Fig. 5 a). Aus dem ursprünglich harmonisch aufgebauten Klang entsteht ein Sinustongemisch, dessen Komponenten nicht mehr harmonisch zu der tiefsten Komponente liegen. Es läßt sich jedoch nachweisen, daß die Komponenten des umgesetzten Spektrums als Harmonische einer virtuellen Grundfrequenz aufgefaßt werden können.

Wird ein Grundton mit seinen Obertönen in eine tiefere Lage verschoben, so liegen nicht mehr alle Komponenten in Regelfolge, das Spektrum klappt zum Teil um (vgl. Fig. 5 b). Bezeichnet man als Verstimmung die Differenz IQ₂-Q_iI =AQ, so liegen im umgesetzten Spektrum alle diejenigen Komponenten in Kehrfolge, deren Frequenz im ursprünglichen Spektrum kleiner als AQ war. In der Kehrfolge werden die ursprünglich höchsten Harmonischen zu den tiefsten Komponenten des umgesetzten Spektrums, und umgekehrt. Auch in diesem Fall lassen sich, die einzelnen Komponenten wieder als Harmonische zu einer Gruridfrequenz darstellen. :
Das in den Fig. 6 und 7 dargestellte Beispiel zeigt die Umformung eines aus vier Harmonischen bestehenden Klanges, deren Amplituden im Verhältnis 5 :4 :3 :2 stehen. Der Klang am Eingang.des Modulators durchläuft eine C-Dur-Tonleiter über vier Oktaven von C bis C³. In Fig. 6 sind die aufeinanderfolgenden Klangspektren übereinander dargestellt. Fig. 7 zeigt die zugehörigen Klangspektraa des umgesetzten Klangbildes am Ausgang des Demodulators, wobei eine Verstimmung AQ = 1000 Hz zugrunde'gelegt ist. Man erkennt, daß alle Harmonischen zuerst

eine Abwärts- und dann erst eine Aufwärtsbewegung durchlaufen. Bei Beginn der Abwärtsbewegung liegen alle Komponenten in Kehrfolge, im letzten Teil der Aufwärtsbewegung in Regelfolge. Im mittleren Gebiet tritt eine allmähliche Umkehr der Kehrfolge in die Regelfolge ein. Die tiefste Komponente — das ist die ursprüngliche 4. Harmonische — geht zuerst von der Abwärts- in die Aufwärtsbewegung über, die höchste Komponente —- das ist der ursprüngliche Grundton — zuletzt. ίο

Zur Bestätigung dieser theoretischen Betrachtung wurden zahlreiche Versuche mit folgendem Ergebnis durchgeführt:

1. Bei einem von unten nach oben gleitenden Sinuston läßt sich die in den Fig. 5 a und 5 b gezeichnete Frequenzumsetzung ohne weiteres nachweisen.

2. Wird ein Sinuston mit einem geringen Oberwellenteil benutzt, so spaltet sich das Klangbild hinter dem Demodulator auf, man hört deutlich den Grundton mit den höher liegenden Harmonischen, Jede dieser Komponenten macht aber hinter dem Demodulator eine ähnliche Abwärts- und Aufwärtsbewegung wie der Grundton, jedoch zeitlich gegeneinander versetzt (vgl. Fig. 5 b).

3. Bei komplizierten Klanggebilden (Klavier, Holzbläser, Streicher usw.) werden die Verhältnisse in bezug auf den hörphysiologischen Eindruck wesentlich verwickelter. Die physikalischen Zusammenhänge der Fig. 6 und 7 bleiben natürlich erhalten. Rein gehörmäßig muß man aber drei Bereiche unterscheiden:

a) Klänge in Kehrfolge, die sich dadurch auszeichnen, daß es besonders in den tiefsten Lagen schwierig ist, eine exakte Tonhöhe festzulegen, da gleichzeitig mehrere Komponenten deutlich hörbar sind.

b) Klänge in Regelfolge, die sich in ihrer Tonhöhe, besonders in den höheren Lagen, eindeutig bestimmen lassen.

c) Klänge der Regel- und Kehrfolge, bei denen Teile der Komponenten in das Gebiet unter der Hörschwelle fallen. Es treten hier Tonhöhensprünge nach aufwärts bzw. abwärts auf, da die einzelnen Komponenten gemäß der bekannten Abhängigkeit der Lautstärke von der Tonhöhe verschieden stark geschwächt bzw. sogar vollkommen unterdrückt werden (Verdeckungseffekte). Die stetige Abwärts- und Aufwärtsbewegung der umgesetzten Tonleiter ist gehörmäßig nicht mehr vorhanden. Es ist auf diese Weise z. B. möglich, die chromatische Folge der zwölf Halbtöne in eine andere Zwölftonreihe umzusetzen, deren Töne und Intervalle sich aber nicht mehr in die Klangverhältnisse der reinen bzw. temperierten Stimmung einordnen lassen.

Von besonderem Interesse sind die Klangbilder, die durch fortlaufende Frequenzumsetzung entstehen. Es wird von dem Originalklang eine erste Frequenzumsetzung, von dieser eine zweite, von der zweiten eine dritte Umsetzung usw. durchgeführt. Es sind wieder zwei Fälle zu unterscheiden:
a) Verschiebung des Klanges aus seiner natürlichen Lage nach unten (positive Verstimmung). Die Fig. 8 zeigt beispielsweise das Ergebnis für ein Tongemisch aus acht beliebigen Sinustönen. Der Klang wird stufenweise, und zwar jedesmal um die konstante Verstimmungsfrequenz nach unten hin abgebaut, bis schließlich alle Komponenten in das Gebiet zwischen 0 Hz und der Verstimmungs-

frequenz A Ω umgesetzt sind. Dabei zeigt sich, daß das Endergebnis bei geradzahliger Verstimmung ein anderes als bei ungeradzahliger Verstimmung ist. Es entstehen als Endprodukte zwei verschieden klingende Tongemische, die nicht weiter abgebaut werden können.

Besteht die Modulation aus einem von unten nach oben gleitenden Sinuston, so ergibt sich ein Bewegungsablauf des umgesetzten Sinustones, wie ihn die gestrichelten Linien der Fig. 8 andeuten. Die Zahl der Umsetzungen bestimmt dabei die Zahl der durchgeführten Pendelbewegungen.

Es läßt sich ferner zeigen, daß bei einem Klang aus Grund- und Obertönen sämtliche Obertöne auf die zwischen 0 Hz und der Verstimmungsfrequenz A Ω liegenden Obertöne des Originalklanges umgesetzt werden. Voraussetzung ist allerdings, daß die Verstimmungsfrequenz zahlenmäßig mit einer der Frequenzen der Obertöne zusammenfällt,
b) Verschiebung des Klanges aus seiner natürlichen Lage nach oben (negative Verstimmung). Fig. 9 zeigt das Ergebnis für dasselbe Klanggemisch wie in Fig. 8, und zwar für eine konstante Verstimmung von 1000 Hz. Das umgesetzte Klanggemisch wandert in immer höhere Frequenzbereiche, um schließlich aus dem Hörbereich zu verschwinden. Im praktischen Betrieb bestimmt im allgemeinen die Bandbreite des Filters die Begrenzung nach oben. Es entsteht ein tonleiterähnliches Gebilde, dessen obere Begrenzung durch die Filterbreite bzw. durch die Hörkurven gegeben ist.
Von Bedeutung ist, daß in den beiden Fällen a) und b) die Verstimmungsfrequenz die Zahl der notwendigen Umsetzungen bestimmt, bis das Originalklangbild nach oben oder unten vollkommen umgesetzt ist. Für den Abbau nach unten ist die Zahl η der notwendigen Verstimmungen gegeben durch das Verhältnis

Frequenz der höchsten Harmonischen

η — .

Verstimmungsfrequenz

Für die Frequenzumsetzung nach oben gilt die Formel

Bandbreite des Filters f„

ΔΩ

2π

dabei ist f_g die Frequenz des Grundtones. In letzterem Falle lassen sich rein elektrische Tonleitern erzeugen, deren einzelne Töne den konstanten Abstand der Verstimmungsfrequenz besitzen.

Die Verwirklichung aufeinanderfolgender Klangumsetzungen läßt sich beispielsweise mit einer Rückkopplungsschaltung durchführen. Man kann diese aufeinanderfolgenden Klangumsetzungen nacheinander hörbar machen, indem man in den Rückkopplungsweg eine Speichervorrichtung einschaltet. Als Speicher kann beispielsweise ein Magnettongerät verwendet werden (vgl. Fig. 10). Aus der Bandgeschwindigkeit und dem Abstand zwischen Aufnahme- und Wiedergabekopf ergibt sich die Speicherzeit T_s. Es ist zweckmäßig, entweder den Abstand zwischen Aufnahme- und Wiedergabekopf durch eine eingelegte Bandschleife in gewissen Grenzen veränderlich zu machen oder ein Magnettongerät mit mehreren nebeneinander angeordneten Wiedergabeköpfen zu verwenden. Es können dabei zwei Fälle unterschieden werden.

Im ersten Fall ist die Speicherzeit T_s größer als die Dauer des Originalklanges T. In diesem Fall sind die

Claims (7)

Klangprodukte der einzelnen Umsetzungen deutlich hintereinander zu hören, und zwar im Rhythmus^-. * S Die beiden Endprodukte der geradzahligen bzw. ungeradzahligen Umsetzungen bei Verstimmung nach unten pulsieren ebenfalls in diesem Rhythmus. Bei Verstimmung nach oben entschwinden die höheren CJmsetzungsprodukte allmählich aus dem Hörbereich. Tm zweiten Fall ist die Speicherzeit Ts wesentlich kleiner als die Dauer des Originalklanges T. Jetzt erklingen die Tonprodukte der einzelnen Umsetzungen gleichzeitig, dabei haben der Rückkopplungsgrad sowie die Verdeckungseffekte wesentlichen Einfluß auf das Gesamtklangbild. Es gelingt so beispielsweise, einen lange angehaltenen Trompetenton in einen mehrstimmigen posaunenähnlichen Chor umzuwandeln. Die Umsetzungsfrequenz ~ wird in diesem Falle zweckmäßigerweise durch künstliche VerhaIlung des umgesetzten Tongemisches unhörbar gemacht. Im ersten Fall bedeutet aber gerade die hörbare Umsetzungsfrequenz eine Rhythmisierung, die für die elektronische Musik von wesentlicher Bedeutung ist. Selbst technisch einfache Beispiele solcher Frequenzumsetzungen mit Rückkopplung ergeben ein geschlossenes Tonbild mit einer musikalischen Wirkung. Patentansprüche: 30

1. Verfahren zur Erzeugung von Klängen für elektronische Musik, dadurch gekennzeichnet, daß ein Originalklangspektrum nach dem Prinzip der Frequenzumsetzung unter Verwendung von Modulatoren und Demodulatoren mit Zusatzträgerwellen durch Verstimmung dieser Zusatzträger nach oben oder unten verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulatoren und Demodulatoren Ringmodulatoren verwendet werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch mehrfache Wiederholung der Frequenzumsetzung das Originalklangspektrum stufenweise nach oben oder unten versetzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Versetzung nach unten der Klang je nach der Verstimmung auf ein beliebiges Intervall zusammengedrängt wird, so daß sich als Endprodukt für die geradzahligen oder ungeradzahligen Umsetzungen zwei verschiedene Tongemische ergeben, die sich nicht weiter abbauen lassen.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Rückkopplung über bekannte Speicherelemente, beispielsweise durch Benutzung eines Magnettongerätes, in zeitlich fortlaufender Folge Frequenzumsetzungen in der Weise erzeugt werden, daß jede Frequenzumsetzung das Ausgangsmaterial für die nächste Frequenzumsetzung ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Benutzung eines Magnettongerätes die zeitliche Folge der aufeinanderfolgenden Frequenzumsetzungen durch Änderung des Abstandes zwischen Aufnahme- und Wiedergabekopf variiert wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der sinusförmigen Träger Schwingungen mit Frequenzoder Amplitudenmodulation verwendet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 712 461;
USA₁-Patentschrift Nr. 2 121 142.

30

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

© 809 750/39 2.59