Thomas Münch

GRUNDLAGEN DER AKUSTIK UND ELEKTRONISCHEN KLANGERZEUGUNG (only available in gERman)

Mit Synthesizern die Grundlagen der Akustik vermitteln

Synthesizer sind ein herrliches musikalisches Spielzeug. Eine Unzahl von Knöpfen und Schiebereglern laden zum Experimentieren ein, wobei das Ergebnis zumeist dem Zufall überlassen bleibt. Und wenn einmal ein interessanter Klang entstanden ist, kennt niemand so ganz genau die zugrunde liegenden Ursachen.
In dem hier vorgestellten Arbeitsvorhaben lernen SchülerInnen auf einfache Weise die akustischen und technischen Grundlagen elektronischer Klangerzeugung kennen, indem sie selbst einen einfachen Synthesizer am Computer bauen. Sie werden dabei angeregt, jedes Bauteil ”ihres” Synthesizers bewusst auszuwählen, mit den anderen Bauteilen zu verknüpfen und intensiv auszuprobieren. Wie die Erfahrung aus dem Schulalltag zeigt, nähern sich viele SchülerInnen nach dieser Unterrichtseinheit Synthesizern mit ganz anderen Augen und Ohren und setzen sie bewusster zum Musikmachen ein.

Zeitbedarf und Rahmenbedingungen

Die SchülerInnen der Sekundarstufe I sollten bereits Basis-Erfahrungen im Umgang mit dem Computer besitzen. Der Zeitbedarf ist recht flexibel gestaltbar, da unterschiedlich tief in die Thematik eingestiegen werden kann. Mindestens werden jedoch 2-3 Schulstunden benötigt, damit die SchülerInnen auch selbst an Computern aktiv werden können.

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: [link 01] 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. [link 02] Medienausstattung

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 [link 03] ars auditus.
Zur Relevanz von Synthesizern für das aktuelle Musikleben, siehe die Unterichtseinheit [link 04] Klangsynthese

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:
[link 05] Sinus
[link 06] Sägezahn
[link 07] Rechteck
[link 08] Dreieck
[link 09] Puls
[link 10] Weißes Rauschen
[link 11] 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 SchülerInnen 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 [link 12] Synthedit, einem Software-Modularsystem zur Erstellung elektronischer Musikinstrumente, bauen die SchülerInnen 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 [link 13] [1] - 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 [link 14] Klangsynthese.

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 [link 15] 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 [link 16] Synthedit. Danach erhalten die SchülerInnen das Arbeitsblatt [link 17] Liste der Arbeitsschritte [PDF | 54 KB] 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:
[link 18] [RealMedia | 1,5 Min.], [link 19] [Windows Media | 1,5 Min.]
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. [link 20] vgl. erläuternde Abbildung
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 [link 21] vgl. erläuternde Abbildung und [link 22] Ars Auditus
3. Zur Regulierung der Lautstärke wird ein Schieberegler eingebaut. Nun kann der Zusammenhang zwischen der Wellenform und der Lautstärke beobachtet werden (Veränderung der Amplitude). [link 23] vgl. erläuternde Abbildung
4. Ein weiter Schieberegler verändert die Tonhöhe. Nun kann auch der Zusammenhang zwischen der Wellenform und der Tonhöhe beobachtet werden (Veränderung der Frequenz) [link 24] vgl. erläuternde Abbildung
5. Durch die Einfügung eines Menüs können verschiedene Wellenformen ausgewählt werden. [link 25] vgl. erläuternde Abbildung
6. Ein weiterer Schieberegler kontrolliert die Pulsbreite. Auch hier kann der Zusammenhang zwischen Wellenform und Tonhöhe (Veränderung der Frequenz) beobachtet werden [link 26] vgl. erläuternde Abbildung
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 [link 27] vgl. erläuternde Abbildung
8. Durch die Hinzufügung eines Keyboards wird der Tonraum erweitert. Das Keyboard kann nun über die Tastatur oder mit der Maus gespielt werden. [link 28] vgl. erläuternde Abbildung
9. Weitere klangliche Gestaltungsmöglichkeiten ergeben sich durch den Einbau eines Filters. [link 29] vgl. erläuternde Abbildung
Den kompletten Synthesizer finden Sie [link 30] hier [ZIP| 3 KB].
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 den [link 31] Materialien.

[link 32] 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 man darüber sprechen, 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 [link 33] Synthesizer findet sich eine gut verständliche Einführung in das Thema mit Klangbeispielen. Unter dem Stichwort [link 34] Subtraktive Synthese wird genau das in dieser Unterrichtseinheit erarbeitete Verfahren erläutert.
Eine Weiterführung bietet auch die Unterrichtseinheit [link 35] Klangsynthese.
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.

Materialien

Software

Zum Erstellen von Synthesizern:

[link 36] Synthedit: Das Programm wird als Shareware vertrieben und kann in all seinen Funktionen uneingeschränkt vor dem Kauf ausprobiert werden. Die Benutzerführung und die Hilfsseiten sind fast ausschließlich in englischer Sprache. Auf der Webseite von Synthedit gibt es zahlreiche [link 37] Dateien zum Ausprobieren.

¬	[link 38] FX 2: Das Programm wird als Shareware vertrieben und ist vor der Bezahlung in der Nutzung eingeschränkt. Die Benutzerführung und die Hilfsseiten sind in englischer Sprache.

¬	[link 39] Sonic Assault: Hier finden sich zahlreiche mit Synthedit erstellte Synthesizer usw. zum Download.

Virtuelle Synthesizer:

¬	[link 40] SoundSchool Analog: Dort finden sich die Download-Adressen sowie die benötigen Passwörter. Das Programm steht als Freeware zur Verfügung.

[link 41] EduSynth: EduSynth ist ein speziell auf schulische Belange abgestimmter Synthesizer. Zu einigen Funktionen sind kurze, gut verständliche Erklärungen abrufbar. Das Programm steht als Freeware zur Verfügung. Sowohl ”SoundSchool Analog” als auch ”Edusynth” stammen von der Firma Native Instruments. EduSynth ist didaktisch besser aufbereitet, hat jedoch im Gegensatz zu SoundSchool Analog eine recht unübersichtliche Oberfläche.

¬	Die Seite [link 42] Soft Synths/Samplers bietet einen guten Überblick über Software, die Klänge in Echtzeit abspielt und erzeugt

Literatur

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.
[1] 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