Lehrstuhl für
Multimediakommunikation und Signalverarbeitung
Prof. Dr.-Ing. André Kaup

Klangsynthese

Arbeitsgebiet: Mehrdimensionale System- und Signaltheorie
Schwerpunkt: Klang- und Schallfeldsynthese
Mitarbeiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Rudolf Rabenstein
M.Sc. Maximilian Schäfer

Viele Methoden zur Klangsynthese wie Sampling, FM-Synthese, additive und subtraktive Synthese modellieren Wellenformen und eignen sich sehr gut zur Erzeugung neuartiger und synthetischer Klänge, haben aber einige Nachteile, wenn es um die Reproduktion von Klängen realer Musikinstrumente geht. Der schwerwiegenste Nachteil ist, dass Musiker die naturgegebene Flexibilität des jeweiligen Musikinstrumentes nicht nutzen können. Wegen dieser Nachteile wurden verschiedene Methoden zur Klangsynthese entwickelt, die nicht versuchen die entstandene Wellenform zu modellieren, sondern bei der Klangerzeugung selbst ansetzen und die physikalischen Vorgänge bei der Klangerzeugung modellieren. Alle diese Methoden gehen von physikalischen Modellen in Form von partiellen Differentialgleichungen (PDEs) aus. Diese können durch die Anwendung der grundlegenden Gesetze der Physik gewonnen werden, können aber auf Grund ihrer Differentialoperatoren im Allgemeinen nicht analytisch gelöst werden.

Der einfachste Ansatz um diese PDEs nun zumindest digital mit dem Rechner zu lösen ist die Finite-Differenzen-Methode. Bei ihr werden die örtlichen und zeitlichen Ableitungen durch Differenzen approximiert, die sehr einfach digital realisiert werden können, allerdings auch zu Instabilitäten neigen und eines hohen Rechenaufwands bedürfen. Die am weitesten verbreitete Methode zur physikalischen Modellierung ist die "digital waveguide" (DWG) -Methode. Sie vereinfacht die partiellen Differentialgleichungen durch die Wellengleichung, welche analytisch lösbar ist. Diese sogenannte d'Alembert-Lösung kann einfach mit Hilfe von Verzögerungsleitungen digital implementiert werden. Um die Fehler, die bei diesem Ansatz gemacht wurden, wieder auszugleichen, werden digitale Filter niedriger Ordnung in die Verzögerungsleitung eingefügt.

Die Methode an der an unserem Lehrstuhl gearbeitet wird, gründet sich auf mehrdimensionale Übertragungsfunktionen. Mit ihr können die verschiedensten Modelle, die durch partielle Differentialgleichungen gegeben sind, exakt gelöst werden. Diese Lösungen können dann in zeitdiskreter Form implementiert werden. Die Diskretisierung verursacht keine Stabilitätsprobleme und bewahrt die natürlichen Eigenfrequenzen des schwingenden Systems. Alle physikalischen Grössen finden sich direkt in der Lösung wieder, können in Echtzeit während der Soundausgabe verändert werden und erlauben somit eine intuitive Nutzung des Klangsynthese-Algorithmus.

Zahlreiche Studenten haben in Ihren Abschlussarbeiten sog. Plug-Ins für verschiedene Audio-Plattformen geschaffen. Davon stehen einige zum Herunterladen hier bereit.

Download

LV2-Plugin "lv2_guitar" von Dipl. Ing. Andreas Kusterer

Csound-Plugin "tubesim" von Dipl. Ing. Marco Fink

VST-Plugin "FTM-Tube" von Dipl. Ing. Christian Popp and Dipl. Ing. Tilman Koch

VST-Plugin "AmpDelayWah" von Maximilian Schaefer

Solitonen-Sonifikation

 

Veröffentlichungen

2016-25
CRIS
M. Schäfer, P. Frenstátský, R. Rabenstein
   [link]   [bib]

A Physical String Model with Adjustable Boundary Conditions
19th International Conference on Digital Audio Effects (DAFx-16), Seiten: 159 - 166, Brno, Czech Republic, Sep. 2016
2012-49
CRIS
R. Rabenstein
   [link]   [bib]

Soliton Sonification - Experiments with the Korteweg-De Vries Equation
15th International Conference on Digital Audio Effects (DAFx), Seiten: 71-78, York, UK, Sep. 2012
2011-54
CRIS
Marco Fink, R. Rabenstein
   [link]   [bib]

A Csound Opcode for a Triode Stage of a Vacuum Tube Amplifier
International Conference on Digital Audio Effects (DAFx), Seiten: 365-370, Paris, France, Sep. 2011
2010-39
CRIS
R. Rabenstein
   [link]   [bib]

Spatial Sound Synthesis for Circular Membranes
13th International Conference on Digital Audio Effects (DAFx-10), Seiten: 119-116, Graz, Austria, Sep. 2010
2010-37
CRIS
R. Rabenstein, T. Koch, C. Popp
   [doi]   [bib]

Tubular Bells: A Physical and Algorithmic Model
IEEE Transactions on Audio, Speech and Language Processing (IEEE TASLP) Vol. 18, Num. 4, Seiten: 881-890, 2010