Grundlagen der Akustik und elektronischen Klangerzeugung

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• › Der komplette, fertig gebaute Synthesizer (Synthedit-Datei) [2 KB ] [link 03]
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• › Rosa Rauschen [3 KB ] [link 07]
• › Sägezahn [3 KB ] [link 08]
• › Sinus [2 KB ] [link 09]
• › Weißes Rauschen [3 KB ] [link 10]
• › ADSR-Kurve [2 KB ] [link 11]

Inhaltliche Beschreibung

Zum Thema: Akustik und Synthesizer:

Grundlagen der Akustik:
Jede Schwingung lässt sich durch drei Parameter charakterisieren:
¬ Die Wellenform bestimmt den Klang
¬ Die Amplitude steht für die Lautstärke
¬ Die Frequenz gibt die Tonhöhe an

Die einfachste Schwingungsform liegt mit der harmonischen oder sinusförmigen Schwingung vor, die z.B. von einer Stimmgabel erzeugt wird. Durch die Überlagerung verschiedener Schwingungen entstehen unendlich viele verschiedene Klangfarben. Eine ausführliche Erläuterung akustischer Grundlagen mit vielen Hörbeispielen und auch einigen kostenlosen Programmen zum Herunterladen findet sich auf der Seite ars auditus: http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ars_auditus/
Zur Relevanz von Synthesizern für das aktuelle Musikleben, siehe die Unterichtseinheit:Klangsynthese:http://netzspannung.org/learning/meimus/synthesis/

Aufbau von Synthesizern:
Ein Synthesizer ist ein regelbarer künstlicher Klangerzeuger (englisch: to synthesize = künstlich erzeugen). Heutzutage werden künstliche Klänge fast ausschließlich mittels elektronischer Bauelemente realisiert.
Das wichtigste Element der Klangerzeugung ist der Oszillator, der Baustein, in dem eine Schwingung erzeugt wird. Sein Name leitet sich von Oszillieren (lateinisch: oscillare = pendeln, schaukeln) ab.
Im Oszillator entstehen verschiedene Wellenformen:
(vgl. angehängte Dateien)
Sinus
Sägezahn
Rechteck
Dreieck
Puls
Weißes Rauschen
Rosa Rauschen

Weitere wichtige Begriffe:
VCO kontrolliert die Tonhöhe. VCO = spannungsgesteuerter Oszillator, englisch: Voltage Controlled Oscillator
VCA regelt die Lautstärke des Klangs. VCA = spannungsgesteuerter Verstärker, englisch: Voltage Controlled Amplifier.
LFO erzeugt besonders langsame Schwingungen, die unterhalb der Hörschwelle liegen. LFO = Niederfrequenz-Oszillator, englisch: Low Frequency Oscillator Filter. Sie entfernen spezielle gewünschte oder unerwünschte Frequenzen aus einem Klang. Der LFO wird meistens zur Klangveränderung benutzt (z.B. Tremolo oder Vibrato).

Der Hüllkurven-Generator:
Bei allen natürlichen Instrumenten verändert sich die Lautstärke vom Klangbeginn bis zum Klangende. Nach lautem Beginn klingt der Ton z.B bei einem Klavier langsam aus. Beim Synthesizer übernimmt die Steuerung des Lautstärkenverlaufs der ADSR-Hüllkurven-Generator. Sein Name setzt sich aus den Anfangsbuchstaben seiner vier Parameter zusammen.

Hüllkurven-Parameter:
Attack(-time) bestimmt die Zeit, in der die Hüllkurve nach dem Start die größte Lautstärke erreicht. (Attack = angreifen)

Decay(-time) bestimmt die Zeit, in der die Hüllkurve nach dem Attack auf den Haltepegel (Sustain) abfällt. (Decay = abklingen)

Sustain(-level) bestimmt die Lautstärke, die nach dem Decay so lange gehalten wird, bis die Taste losgelassen wird. (Sustain = halten)

Release(-time) steuert die Zeit, die die Hüllkurve nach dem Loslassen der Taste (!) braucht, um vom Sustain (Haltepegel) auf den Nullpunkt abzuklingen. (Release = freigeben, loslassen)


Vermittlungsziele
Aufgaben des Unterrichts:
Das Thema Akustik findet sich in allen Curricula für den Musikunterricht wieder. So heißt es z.B. im bayerischen Lehrplan für die achte Klasse des Gymnasiums unter der Überschrift „Instrument und Klang”, dass die Schüler die Phänomene Schwingung, Frequenz, Amplitude usw. verstehen, traditionelles und elektronisches Instrumentarium hinsichtlich der Klangerzeugung vergleichen und Einsatzmöglichkeiten von Synthesizer und Computer erkunden sollen. Die hier angesprochene Verbindung zwischen akustischen Phänomenen und Instrumentenkunde steht im Mittelpunkt dieses Unterrichtsvorschlags. Mit Hilfe von Synthedit, einem Software-Modularsystem zur Erstellung elektronischer Musikinstrumente, bauen die Schüler einen einfachen Synthesizer.

Überlegungen zum Unterrichtsansatz:
Grundbegriffe der Akustik könnten schon aus dem Physikunterricht bekannt sein. Besser ist jedoch, sie nochmals kurz zu wiederholen. Auch Vorkenntnisse über Synthesizer dürften nur sehr gering sein, da diese im Musikunterricht nur selten zum Thema werden. Möglicherweise sind einigen SchülerInnen Synthesizer in der Gestalt eines Keyboards oder als Werkzeug in Sequenzern bekannt, doch werden sie sich wahrscheinlich nicht intensiver mit der Funktionsweise beschäftigt haben. Dies gilt besonders für Schülerinnen. Während Schüler aufgrund ihres Interesses an Technik eher neugierig und offen gegenüber diesem Thema sind und sich bisweilen auch selbständig einige technische Kenntnisse erarbeiten, empfinden die meisten Schülerinnen das Thema als wenig reizvoll. Technische Zusammenhänge üben auf sie - wie man vielen Studien zum Mediengebrauch von Jugendlichen entnehmen kann - keine vergleichbar starke Faszination aus.
Das bei diesem Unterrichtsvorhaben gewählte Vorgehen setzt kein themenbezogenes Fachwissen auf Seiten der SchülerInnen voraus und auch die Nutzung der Software ist bei klaren Arbeitsvorgaben und einigen Hilfestellungen, die in den nachfolgenden Handlungsschritten vorgestellt werden, unaufwändig erlernbar. Dennoch sollte bei der Bildung von Computer-Arbeitsgruppen darauf geachtet werden, dass möglichst jeweils erfahrenere SchülerInnen mit weniger erfahrenen zusammen kommen, damit es später keine zu großen qualitativen Unterschiede bei den Ergebnissen gibt. Das Arbeitsvorhaben bietet den SchülerInnen viele Möglichkeiten, selbst forschend aktiv zu werden. Die vorgeschlagenen Arbeitschritte am Computer können problemlos variiert und ergänzt werden. Die Qualität des Ergebnisses bemisst sich allein an den Möglichkeiten des Synthesizers zur vielfältigen Klangerzeugung. Durch diese Zielsetzung und die offene Arbeitsplattform werden die SchülerInnen ermutigt, eigenständige Lösungen zu finden.
Empfehlenswert ist hier auch ein kritisches Nachdenken über die musikkulturellen Konsequenzen (z.B. Veränderungen in der klangästhetischen Wahrnehmung, Veränderungen in der Musikproduktion) im Unterricht. Anregungen dazu finden Sie in der Unterrichtseinheit Klangsynthese:
http://netzspannung.org/learning/meimus/synthesis/


Arbeitsprozesse:
Motivation/Hinführung:
Als Ausgangspunkt für die Unterrichtseinheit kann ein Musiktitel mit der Bitte, besonders auf die Instrumentierung zu achten, vorgespielt werden. Im anschließenden Gespräch fällt dann schnell das Stichwort „Synthesizer”. Als Musikbeispiele bieten sich z.B. Titel der Gruppe Kraftwerk,„The final Countdown” der Gruppe Europe oder der Titel „Popcorn” an.

Erarbeitung:
Gemäß der Themenstellung „Bau eines Syntheszisers” sollen die SchülerInnen selbständig ihre Synthesizer entwickeln. Dazu gibt der Lehrer in dieser Arbeitsphase eine kurze Einführung in die Bedienung von Synthedit. Danach erhalten die SchülerInnen das angehängte Arbeitsblatt:"Liste der Arbeitsschritte" und bilden Kleingruppen (2-3 Schüler) für die Arbeit am PC. Sie können mit Hilfe des Arbeitsblattes die Arbeitsschritte 1-6 selbst nachvollziehen. In einer weiteren Arbeitsphase folgen dann die Schritte 7-9.
Zur Lehrerinformation zeigt ein Beispielfilm die Bedienung von Synthedit. Bitte schalten sie beim Ansehen des Films den Ton ein!

Bau eines einfachen virtuellen Synthesizers mit Synthedit
Bei knappem Zeitbudget oder geringer technischer Ausstattung kann die Entwicklung des virtuellen Synthesizers auch im Klassengespräch als Frontalunterricht erfolgen. Nachfolgend sind die einzelnen Arbeitsschritte aufgeführt:
1. Zunächst wird der Oszillator an die Soundkarte angeschlossen.
2. Nun wird die gehörte Wellenform visualisiert. Zu den physikalischen Grundlagen des Schalls (Lautstärke, Tonhöhe usw.) und der Darstellung von Schallwellen findet sich eine gute Einführung auf der Webseite.
3. Zur Regulierung der Lautstärke wird ein Schieberegler eingebaut. Nun kann der Zusammenhang zwischen der Wellenform und der Lautstärke beobachtet werden (Veränderung der Amplitude).
4. Ein weiter Schieberegler verändert die Tonhöhe. Nun kann auch der Zusammenhang zwischen der Wellenform und der Tonhöhe beobachtet werden (Veränderung der Frequenz), vgl. erläuternde Abbildung
5. Durch die Einfügung eines Menüs können verschiedene Wellenformen ausgewählt werden.
6. Ein weiterer Schieberegler kontrolliert die Pulsbreite. Auch hier kann der der Zusammenhang zwischen Wellenform und Tonhöhe (Veränderung der Frequenz) beobachtet werden.
7. Die Einfügung eines Hüllkurvengenerators eröffnet neue klangliche Möglichkeiten. Zum besseren Verständnis kann die Veränderung des Klangs in seinem Verlauf zunächst gut am Klavier erarbeitet werden. Unterschiedliche Anschlagstärken und Tonhöhen führen zu unterschiedlichen Klangverläufen. Nach Systematisierung dieses Klangverlaufs an der Tafel mit entsprechender Beschriftung kann dann der Hüllkurvengenerator hinzugefügt werden.
8. Durch die Hinzufügung eines Keyboards wird der Tonraum erweitert. Das Keyboard kann nun über die Tastatur oder mit der Maus gespielt werden.
9. Weitere klangliche Gestaltungsmöglichkeiten ergeben sich durch den Einbau eines Filters.
10. Sollten die SchülerInnen in Gruppenarbeit die Synthesizer erstellt haben, präsentieren sie sich diese am Ende der Unterrichtsstunde gegenseitig. Dabei sollten auch die gemachten Erfahrungen (Schwierigkeiten bei der Arbeit und die gefundenen Lösungen) zur Sprache kommen und eine kleine musikalische Demonstration die Funktionstüchtigkeit des neuen Musikinstruments zeigen. Zudem sollten im Klassengespräch die grundlegenden akustischen Zusammenhänge thematisiert werden, da - anders als im Frontalunterricht - bei der Gruppenarbeit sicherlich die technischen Aspekte dominieren.

Möglichkeiten der Vertiefung und Weiterführung:
¬ Sicherlich ist ein Blick auf komplexere, mit Synthedit entwickelte Programme reizvoll. Sie zeigen die Komplexität von Synthesizern und die Leistungsfähigkeit der Software. Hinweise auf entsprechende Webseiten finden sich unter dem Stichwort „Materialien” für die Arbeit im Unterricht.

¬ Reaktor SoundSchool Analog:
Der kostenlose Synthesizer bietet eine erstaunliche Klangfülle. Anhand seiner übersichtlichen Oberfläche lassen sich die bislang erarbeiteten Bausteine eines Synthesizers gut wiederholen. Besonders hilfreich ist die grafische Darstellung der ADSR-Hüllkurve. Ergänzend kann darüber gesprochen werden, welche weiteren - bislang nicht angesprochenen - Module der Synthesizer enthält. Durch praktische Versuche kann auf deren Funktionsweise geschlossen werden.

Zur Recherche der Fachbegriffe für die SchülerInnen bietet sich die Online-Bibliothek Wikipedia an. Unter dem Stichwort "Synthesizer" findet sich eine gut verständliche Einführung in das Thema mit Klangbeispielen. Unter dem Stichwort "Subtraktive Synthese" wird genau das in dieser Unterrichtseinheit erarbeitete Verfahren erläutert.
Eine Weiterführung bietet auch die Unterrichtseinheit: Klangsynthese: "Musikmachen mit dem Virtuellen Synthesizer Reaktor SoundSchool Analog" vgl.: http://netzspannung.org/learning/meimus/synthesis/

Da Synthedit als Shareware zur Verfügung steht, können die SchülerInnen auch ermutigt werden, in ihrer Freizeit den in der Schule erarbeiteten Synthesizer weiter auszubauen oder eigene kleine Ideen zu verwirklichen. Zu einem späteren Zeitpunkt sollten dann in einer Vorführstunde oder -ecke die Ergebnisse präsentiert werden. Die vorgestellten Handlungsschritte können - wie oben angesprochen - im Frontalunterricht realisiert werden. Lernintensiver und für die SchülerInnen reizvoller ist jedoch eine Unterrichtsgestaltung, die Gelegenheiten bietet, selbst als „Synthesizer-Designer” aktiv zu werden, wie unter dem Punkt „Erarbeitung” dargestellt. Eine Vertiefung der physikalischen und technischen Zusammenhänge kann z.B. durch die arbeitsteilige Recherche zentraler Begrifflichkeiten (s. Sachanalyse) geschehen. In einem kurzen Vortrag, der durch ein Handout und eine Präsentation gestützt wird, stellen die SchülerInnen danach „ihre” Begriffe vor.

Hardware / Software

Die minimale Multimedia-Ausstattung
¬ Ein Computer am Lehrertisch, ausgestattet mit interner Soundkarte und Anschluss für externe Klangwiedergabe über eine Audio-Anlage, Tastenfeld und Maus kabellos, Fernsehgerät oder Beamer
¬ Software: Synthedit oder vergleichbares Programm zur Erstellung von Software-Synthesizern


Die optimale Multimedia-Ausstattung
¬ Ein Computer am Lehrertisch, ausgestattet mit interner Soundkarte und Anschluss für externe Klangwiedergabe über eine Audio-Anlage, Tastenfeld und Maus kabellos, Beamer, Internetanschluss
¬ Je ein Computer für jeweils drei oder vier SchülerInnen (Gruppenarbeit), ausgestattet mit interner Soundkarte, internem CD-Brenner, zwei Lautsprechern, Kopfhörerausgang mit Verteilerbox für vier Kopfhörer, vier Kopfhörern, Monitor, Internetanschluss
¬ Software: Textverarbeitung, Präsentationsprogramm, Synthedit oder vergleichbares Programm zur Erstellung von Software-Synthesizern

Weitere Einzelheiten zur Ausstattung des Musikraums mit neuen Musiktechnologie: vgl. Medienausstattung unter:
http://netzspannung.org/learning/meimus/technology/

Sekundärliteratur

• GORGES, Peter: Audio, MIDI, MP3. Einführung in die digitale Musikwelt, Bonn: Voggenreiter, 2002
• HALL, Donald: Musikalische Akustik. Ein Handbuch, Mainz: Schott, 1997
• JANSEN, Brigitte; Brockes, Ewald: Musik und Akustik. In: http://www.lehrer-online.de/url/akustik. Letzte Aktualisierung: 11.04. 2000
• KAUSER, Ulf: VST-Instruments. Synthesizer und Sampler aus Software; von der TB-303-Emulation bis zum Modul-Synthesizer; Freeware, Shareware, Kaufware, Bergkirchen: PPV Presse Project Verl.-GmbH, 2002
• KREMER, Martina: ars auditus Akustik-Gehör-Psychoakustik. In: http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ars_auditus/, o.J.
• Medienpädagogischer Forschungsverbund Südwest: Jim-Studie 2004. Jugend, Information, (Multi-)Media. Basisuntersuchung zum Medienumgang 12- bis 19-Jähriger in Deutschland. Baden-Baden, 2004
• MICKLISCH, Christoph: Mit dem Neon zum Synthieklang. Ein Grundkurs zur Klangsynthese mit VST Instrumenten. In: http://www.schott4music.com/netzspezial/ (hier in der Rubrik „musikunterricht digital” ). Letzte Aktualisierung: 2003
• Wikipedia: Stichwort Synthesizer. In: http://de.wikipedia.org/wiki/Synthesizer. Letzte Aktualisierung: 25. März 2005
• ZUTHER, Dirk : Synth Rock. Unterrichtsmaterialien zur Geschichte der Synthesizer-Musik, Oldershausen: Institut für Didaktik populärer Musik, 1995