ERKENNEN VON KLÄNGEN

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1 ERKENNEN VON KLÄNGEN Christian Nitschke Studiengang Mediensysteme Bauhaus-Universität Weimar Projekt: Synaesthesia WS 2003/2004

2 Inhaltsverzeichnis I REIZ UND WAHRNEHMUNG IN DER AKUSTIK... 3 I.1 Phasen des Klanges... 3 I.2 Hörwahrnehmung... 4 II EINTEILUNG VON SCHALLEREIGNISSEN... 5 III KLANG... 6 III.1 Tonhöhe und Grundfrequenz... 6 III.2 Lautstärke und Intensität... 6 III.3 Klangfarbe... 7 IV KLANGFARBE... 8 V KOMPONENTEN DER KLANGFARBE V.1 Zeitlich invariantes Partialton-Spektrum V.2 Transienten V.3 Überlagerter Geräuschanteil zur Einschwingzeit

3 I Reiz und Wahrnehmung in der Akustik Ist es eigentlich ein Klang, wenn im Wald ein Baum umfällt und niemand in der Nähe ist, der es hören kann? (nach [1], S.312) I.1 Phasen des Klanges Definition "Klang" in mehreren Phasen: Klang hier als Synonym für alle wahrnehmbaren Schallereignisse 1. Akustik: Schallquelle, Gesetzmäßigkeiten beim Fortpflanzen des Schalls 2. Physiologische Akustik: Wirkung Schall->Sinnesorgane->Nervensignale 3. Semantik: Auswertung Nervensignale->Erkennen (der Schallquelle) theoretisch noch: 4. Psychologische Akustik: Wirkung des Erkannten auf den jeweiligen Menschen (Ästhetik, Emotion) (psychologische Akustik) Einfluß (3./4.): Bildung Erfahrung individuelle Empfindlichkeit Gefühl, Intuition ->Synaesthesie Beispiel: ([3], S.174 ff.) Probelaut Akustik Psychoakustik Semantik Ästhetik Wasserkessel kocht Farbiges Geräusch, schmales Frequenzband, 8000Hz, stationär, Hoher Zischlaut Es gibt Tee. Angenehm Schlange zischt 60dB Farbiges Geräusch, schmales Frequenzband, 7500Hz, gelegentlich unterbrochen, 55dB Schlange bereitet Angriff vor Beängstigend 3

4 I.2 Hörwahrnehmung Hörwahrnehmung ist Zweig der Psychophysik, Psychophysik untersucht Zusammenhang zwischen Reiz und Reaktion des Menschen Reiz ist zurückzuführen auf physikalische Eigenschaften Reaktion ist Interpretation der physikalischen Ereignisse physikalische Eigenschaften eines Reizes (Sender): mit Instrument messbar Veränderung eines physikalischen Trägers z.b.: Lautstärkemesser, Spektrum-Analyzer Quelle: Webers, Tonstudiotechnik perzeptive Eigenschaften eines Reizes (Empfänger): Wahrnehmung, Empfindung eines Reizes durch einen Menschen generiert durch Sinnesorgane -> Gehirn auf Basis der Analyse von physikalischen Eigenschaften subjektiv wichtig: Unterscheidung zwischen physikalischen und perzeptiven Eigenschaften von Reizen 4

5 II Einteilung von Schallereignissen aperiodisch =Geräusch Schallereignis periodisch Ton Klang = reine = Gruntton Sinusschwingung + Obertonspektrum harmonisch disharmonisch Frequenzen der Obertöne sind Vielfache der Frequenz des Grundtons keine Vielfache der Frequenz des Grundtons -> reine Töne fast nicht existent (Stimmgabel) -> aperiodische Schallereignisse (Geräusche) haben unbestimmte Tonhöhe 5

6 III Klang schon als Kinder lernen wir Klänge verschiedener Instrumente zu unterscheiden (Musikunterricht: Prokofief, "Peter und der Wolf") unterscheiden sich durch gespielte Grundtöne aber auch beim Spielen derselben Note 3 Hauptattribute von Klang: Klang Tonhöhe Lautstärke Klangfarbe nicht nicht nicht Grundfrequenz Intensität Spektrum-, Amplitudenhüllkurve -> zwar Abhängigkeit, aber verschiedene Betrachtung von physikalischem und perzeptivem Standpunkt -> Dauer, abhängig von Zeit kann noch dazugezählt werden III.1 Tonhöhe und Grundfrequenz Attribut, welches erlaubt, Klänge auf einer Tonhöhenskala anzuordnen. je höher die Grundfrequenz, desto höher ist empfundene Tonhöhe Veränderungen der Grundfrequenz (um gleiche Anzahl Hz) bei tieferen Frequenzen besser wahrgenommen Grundfrequenz wird aus Unterschied 2er aufeinanderfolgender Frequenzen im Spektrum gewonnen (nicht über niedrigste Frequenz) -> Tonhöhe trotz Entfernung der Grundfrequenz aus dem Spektrum korrekt wahrgenommen III.2 Lautstärke und Intensität Attribut, welches erlaubt, Klänge auf einer Läutstärkeskala anzuordnen. je höher die Intensität eines Schallereignisses, desto höher die empfundene Lautstärke Zusammenhang zwischen Intensität und Lautstärke ist nicht linear -> Verzehnfachen der Intensität = Verdopplung der Lautstärke -> 10dB-Regel empfundene Lautstärke ist abhängig von der Frequenz des Signals 6

7 -> Hörkurve fördert Frequenzen aus dem Bereich der menschlichen Stimme Quelle: III.3 Klangfarbe Helmholtz: Qualität eines Tones/Klanges, die uns in die Lage versetzt, zwischen 2 Schallquellen zu unterscheiden beschreibt subjektiven Eindruck von Klängen, Musikinstrumenten In Literatur oft (nur unzureichend) dadurch definiert, was sie nicht ist: Definition American Standards Association (ASA), [6]: Wenn zwei Klänge mit derselben Tonhöhe, Läutstärke und Dauer gehört werden, und trotzdem ein Unterschied zwischen diesen Klängen wahrgenommen wird, so wird dieser Unterschied Klangfarbe genannt. z.b.: Klänge verschiedener Musikinstrumente -> kann nicht so einfach psychophysikalisch beschrieben werden wie Tonhöhe, Lautstärke 7

8 IV Klangfarbe Klangfarbe ist ein multidimensionales Attribut von Klängen. von Bismarck, 1971: G. von Bismarck, "Psychometrische Untersuchungen der Klangfarbe stationärer Schalle.", Akustik und Schwingungstechnik, VDI-Verlag, Düsseldorf, S , 1971 Schärfe: Schwerpunkt des Spektrums auf hohen Frequenzen Kompaktheit: tonal (kompakt) <-> geräuschig (nicht kompakt) -> Klangfarbe 2-Dimensional Plomp & Steneecken, 1971: R. Plomp, H. J. M. Steeneken, "Pitch versus timbre", Proc. 7th Intern. Congr. Acoust., Budapest, 1971 Forschungen an zeitlich invarianten Synthesizer-Klängen -> Spektrale Verteilung, unanbhängig vom Grundton wichtiger als Grundton Grey, 1977: J. M. Grey, "Multidimensional perceptual scaling of Musical Timbres.", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 61, No. 5, 1977 Forschung an zeitlich varianten Klängen von mechanischen Musikinstrumenten wollte wissen, welche Attribute von Klängen sehr wichtig für Erkennung sind, welche keine Rolle spielen (auch nicht für "geübte" Ohren) 8

9 3 Dimensionen, physikalische Abhängigkeiten: zeitlich invariantes Partialton-Spektrum Transienten - schnelle zeitliche Veränderung des Schwingungsmusters - durch Ein-, Ausschwingen, Vibrato, Tremolo Geräusche im Zusammenhang mit Einschwingvorgang Klassifizierung von Instrumentenklängen nach den 3 Dimensionen: Grey fragte geübte Musiker nach Ähnlichkeit von jeweils 2 Klängen (gleiche Tonhöhe, Lautheit und Dauer) -> Ähnlichkeit von Klangpaaren in 3D-Darstellung zusammengefaßt Quelle: 9

10 Unterteilung in 3 Familien mit mehreren Unterfamilien: 1. Familie: Es-Klarinette (K1) Sopransaxophon (X): mf (X1), p (X2), f (X3) Baß-Klarinette (K2) Englisch-Horn (EH) 2. Familie: Oboe (O) Posaune mit Dämpfer (P) 3. Familie Fagott (F) Horn (H) Violoncello (S): nah am Steg gestrichen (S1), normal (S2), nah am Griffbrett (S3) Trompete (T) Flöte (FL) physikalische Klangattribute, die für beobachtete Ähnlichkeiten verantwortlich sind -> 3 Dimensionen: z-achse (Höhe): spektrale Energieverteilung weiter oben: schmales Frequenzspektrum, meiste Energie auf niedrige Frequenzen verteilt -> grundtöniger Klang (z.b. Horn (H), Cello (S)) weiter unten: breites Frequenzspektrum, Energie stärker auf höhere Frequenzen konzentriert -> obertöniger Klang (z.b. gedämpfte Posaune (P)) x-achse (Breite): Anstieg und Abfall der einzelnen Partialtöne (Transienten) weiter links: Partialtöne schwingen fast gleichzeitig ein und aus -> z.b. Holzbläser weiter rechts: Partialtöne schwingen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ein aund aus -> Flöte (FL), Fagott (F), Streicher (S), Blechbläser -> Trompete z.b.: erst tiefe Partialtöne, später hohe dazu y-achse (Tiefe): vorhandenes "Anfangsrauschen" beim Einschwingen weiter hinten: Geräusch bestimmt Klangfarbe entscheidend mit -> z.b. Flöte (FL), Streichinstrumente (S) weiter vorn: Anfangsgeräusch spielt kaum eine Rolle -> z.b. Trompete (T), Posaune (P), Fagott (F) 10

11 Fazit: Klangfarbe von vielen physikalischen Klangeigenschaften abhängig Blechbläser: Transienten und Intensität der Partialtöne Flöte, Streicher: Geräusch + Klangbeim Einschwingen gezupfte, geschlagene Saite: schnelles Einschwingen, langsames Ausklingen Anmerkung: Problem in Natur von Instrumentenklängen: kein Instrumentenklang ist streng periodisch, also einfache Summation der Spektralanteile Vorkommen von Vibrato (FM), Tremolo (AM), Phasenverschiebungen macht Klang wärmer 11

12 V Komponenten der Klangfarbe 1. Zeitlich invariantes Partialton-Spektrum 2. Transienten 3. Überlagerter Geräuschanteil zur Einschwingzeit V.1 Zeitlich invariantes Partialton-Spektrum Klanganalyse (Partialtöne eines natürlichen Klanges) 1636 erstmalig in Literatur erwähnt frz. Naturwiss. Père Mersenne, Studie über qualitative Analyse der Obertöne Hüllkurve des Spektrums Unterschiede in den relativen Amplituden der Partialtöne Grundfrequenz ist dieselbe -> gleiche Abstände 2er aufeinanderfolgender Spektrallienien Abhängig von den Formanten Quelle: 12

13 Quelle: 13

14 Formanten Quelle: Frequenzbereiche mit besonders intensiven (relativ) Partialtönen wenn Partialtöne in Bereich der Formanten treffen, werden diese weitergegeben, Partialtöne ausserhalb dieser Regionen werden abgeschwächt -> Filtercharakteristik erzeugt durch Resonanzen des Vokaltraktes, bzw. Instrumentenkörpers Lage bleibt unabhängig von Grundfrequenz des Klangs erhalten Resonanzen: Eigenschwingungen Bsp.: Saiteninstrument Saiten haben bei Schwingung viel Energie können diese Energie schlecht an Luftmoleküle (leicht und ungebunden) abgeben (vgl. Lokomotive, Tennisball) aber: besser Abgeben an Instrumentenkörper -> größere Fläche zum Abgeben der Energie an die Luft Gehäuse hat bestimmte Eigenfrequenzen (vgl. Schaukel) Saitenschwingungen aus Eigenfrequenzbereichen werden an Körper weitergegeben, andere nicht -> Filtercharakteristik 14

15 Quelle: Definitionen "Formanten" J. Sundberg, 1991: als Resonanzen des Vokaltraktes J. Clark, C. Yallop, 1995: als Konsequenz der Resonanzen (Peaks) im Historischen: bestimmte Frequenzregionen, die Wahrnehmung der Klangcharakteristik von Vokalen hervorrufen Frequenzbereiche höherer Intensität in Klängen allgemein als Formantierungen bezeichnet Wahrnehmung der Formanten u-, o-formant: Fülle, Sonorität des Klanges a: kraftvolle Klangfarbe ö, ü, ä ( Hz): näselnd (verstärkte Mitten) e, i (>1800Hz): Helligkeit, Brillianz, Schärfe -> a, i bei guten Instrumenten dominierend -> e für Tragfähigkeit des Klanges benötigt -> u, o vorherrschend: hohl, dumpf, matt -> ö, ü, ä: eng, ordinär, unangenehm Quelle: J. Meyer. Akustik und musikalische Aufführungspraxis 15

16 Formant-Bereiche deutscher Vokale: Hauptbereich [Hz] um ca. Nebenbereich [Hz] um ca. u o a å ö ü ä e i Formant-Bereiche der Musikinstrumente, nach [10]: Instrument Hauptbereich [Hz] um ca. Nebenbereich [Hz] um ca. Holzblasinstumente (bei Doppelrohrblattinstrumente besonders ausgeprägte Formanten) Flöte Oboe Englischhorn Klarinette Fagott Kontrafagott Blechblasinstrumente (Formantenpositionen vom Mundstück verursacht) Horn Trompete Posaune Bass-Posaune Tuba Streicher (Form. durch Resonanzen des Instrumentenkörpers verursacht) Violine Viola 220/ /1600 Violoncello 250/ /900 Kontrabaß Experiment Slawson: Was hat mehr Effekt auf Klangfarbe bei Vokalerkennung: Grundfrequenz oder Formantenposition? -> beides vertauscht -> Formantenpositionen sind ausschlaggebend 16

17 V.2 Transienten Transienten: schnelle zeitliche Veränderung des Schwingungsmusters, hervorgerufen durch Amplitudenhüllkurve Amplitudenhüllkurve ist abhängig von Überlagerung der Hüllkurven der Partialtöne, abhängig von Phasenverschiebungen, Vibrato Tremolo Klangunterschiede auf Basis von Unterschieden der Amplitudenhüllkurve: gezupfte <-> gestrichene <-> angeschlagene Saiteninstrumente Aushaltepedal beim Klavier White, 1987: Experiment zur Amplitudenhüllkurve Amplitudenhüllkurve Violinenton in die eines Oboetons verändert Spektrum und relative Transienten unverändert -> Violinenton als Oboenton wahrgenommen -> AHK hat mehr Auswirkung als Spektrum Einschwingen von Klängen Zeit: je nach Instrument: wenige ms bis zu 50 ms / Flöte: 100 ms Partialtöne bilden sich in unterschiedlicher Reihenfolge und Geschwindigkeit aus Gehör entnimmt hierdurch Informationen zur Klangfarbe Berger, 1964: Experimente zum Einschwingvorgang Piano 1. Spielen eines Instrumentenklanges ohne Einschwingphase 2. Spielen eines Instrumentenklanges revers -> Spektrum unverändert -> kann nicht zugeordnet werden -> Einschwingvorgang für die Erkennung von Klangfarbe essentiell V.3 Überlagerter Geräuschanteil zur Einschwingzeit Geräusch ist typisch für Spielen mancher Instrumente (z.b. Flöte, Streicher) auch hier sind Formanten zu erkennen 17

18 QUELLEN [1] E. B. Goldstein, "Sensation and Perception", Brooks/Cole Publishing Company, 1999, ISBN [2] E. Briner, "Reclams Musikinstrumentenführer", Reclam, Stuttgart, 1998, ISBN X [3] R. M. Schäfer, "Klang und Krach", Athenäum, Frankfurt/Main, 1988 [4] J. C. Risset & M. W. Mathews, "Analysis of musical instrument tones", Physics Today, 22, pp , 1969 [5] K. W. Berger, "Some factors in the recognition of timbre", Journal of the Acoustical Society of America, 36, pp [6] J. Hellbrück, "Hören Physiologie, Psychologie und Pathologie", Hogrefe, Göttingen, 1993, ISBN [7] J. G. Roederer, "Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik", 2. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1993, ISBN [8] J. R. Pierce, "Klang: Musik mit den Ohren der Physik", 2. Auflage, Spektrum, Berlin, 1999, ISBN [9] H. Helmholtz, "Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik", Unveränderter Nachdruck der Ausgabe Braunschweig, 1863, Minerva, Franfurt/M., 1981 [10] P.H. Mertens, "Die Schumannschen Klangfarbengesetze und ihre Bedeutung für die Übertragung von Sprache und Musik", Verlag "Das Musikinstrument", Frankfurt/M., 1975 [11] V. Gnann, " Der auditive Sinn", [12] J. M. Hillenbrand, "Auditory Perception", [13] C. Fales, "Sound: A Simple Introduction to its production, perception, and representation", [14] B. Obermayer, "Die Wahrnehmung der Klangfarbe", 18