07.12.2005 – 08:30

Schweizerischer Nationalfonds / Fonds national suisse

SNF: Klangfarben in Echtzeit sichtbar gemacht

Bern (ots)

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Neue Software visualisiert Unterschiede von Klangfarben

Ein neuartiges Klangfarben-Stimmgerät kann Töne auf
verschiedene Weise bildlich darstellen und ist damit für den
Musikunterricht und den Instrumentenbau von Nutzen. Entwickelt wurde
es von Forschenden der Musikhochschule Winterthur Zürich und der
Hochschule für Technik und Informatik in Burgdorf mit Unterstützung
des Schweizerischen Nationalfonds.

Warum tönt eine Posaune anders als eine Blockflöte? Und was genau
macht den Unterschied zwischen einer guten und einer mittelmässigen
Geige aus? Diese Fragen kann ein interdisziplinäres Forschungsteam
der Musikhochschule Winterthur Zürich und der Hochschule für Technik
und Informatik (HTI) in Burgdorf mit ihrer neuen Software "Prisma"
beantworten: Sie stellt die verschiedenen Eigenschaften von Klängen
bildlich dar. Der Schweizerische Nationalfonds unterstützte die
Innovation im Rahmen der Aktion DORE (DOREsearch) zur Förderung von
praxisorientierter Forschung an Fachhochschulen.

"Es ist schwierig, Höreindrücke präzis mit Worten zu beschreiben",
erklärt der Mathematiker Franz Bachmann, Professor an der HTI
Burgdorf und Amateur-Blockflötist. Begriffe wie "hell", "dumpf",
"schrill" oder "rauschig" werden dem Gehörten meistens kaum gerecht.
"Unser Ziel war es, die diffuse Beschreibung durch Worte zu
präzisieren, indem wir Töne auf wissenschaftliche Weise mit Zahlen
charakterisieren", ergänzt Bachmann.

Selbständige Tonanalyse

Um die verschiedenen Töne zu beschreiben, haben die Forschenden
ein "Klangfarben-Stimmgerät" entwickelt. Als Hardware benötigt es nur
wenige handelsübliche Komponenten: ein Mikrophon mit Vorverstärker,
eine Soundkarte und ein Laptop reichen bereits aus. Herzstück ist die
Software "Prisma", die in diesen Wochen fertig geschrieben wird. Wer
die nötige Ausrüstung besitzt, so die Idee, soll zukünftig auf eigene
Faust in der Werkstatt, im Unterrichtsraum oder zuhause Klänge
analysieren können.

"Uns ging es vor allem um die Anwendung", erklärt der Musiker und
Elektroingenieur Hans-Christof Maier von der Musikhochschule
Winterthur Zürich. Die Forschenden standen deshalb in engem Kontakt
mit verschiedenen Instrumentenbauern. Mit Hilfe des Programms können
diese nun herausfinden, welche Merkmale für eine bestimmte Klangfarbe
entscheidend sind und mit welchen Materialien oder mit welcher
Geometrie sie ihre Instrumente verbessern können. "Häufig sind es ja
nur kleine Finessen, die den Unterschied ausmachen", sagt Maier.

Für die Anwender dürften zum Beispiel die so genannten
Instrument-Scans von Interesse sein. Dabei werden sämtliche Töne
nacheinander erfasst und auf dem Bildschirm dargestellt. Der
Instrumentenbauer sieht dann anhand der Graphik auf einen Blick, in
welchen Tonbereichen das Instrument ausgeglichen tönt und in welchen
Lagen Abweichungen vorkommen. “Mit solchen Scans können auch
Instrumente miteinander verglichen werden”, erklärt Bachmann. Auch
Lehrer und Musiker haben bereits an der Software Interesse bekundet.
Durch die Klanganalyse lässt sich nämlich im Musikunterricht einfach
demonstrieren, wie sich eine bestimmte Spielweise auf die Klangfarbe
auswirkt.

Echtzeit als Herausforderung

Besonders stolz sind die Forscher, dass die Töne in Echtzeit
analysiert werden können. "Der Anwender sieht auf dem Bildschirm
sofort, welche Eigenschaften der gespielte Ton hat", erklärt der
Informatiker Michael Bernhard von der HTI Burgdorf. Das
Eingangssignal wird dazu in kurze Zeitabschnitte von 17 Millisekunden
unterteilt. "Das gewählte Zeitintervall ist ein Kompromiss",
erläutert Bernhard. "Auf der einen Seite muss es genügend kurz sein,
damit eine ruckfreie Darstellung auf dem Bildschirm möglich wird.
Gleichzeitig darf das Intervall nicht zu kurz sein, denn sonst können
tiefe Frequenzen nicht mehr richtig ausgewertet werden."

Dann wird das Eingangssignal in einem ersten Schritt mit Hilfe
einer verfeinerten Fourier-Transformation in einzelne Frequenzen
aufgeteilt. Die Eigenschaften der verschiedenen Teilschwingungen des
Tons werden anschliessend mit Farben visualisiert. Zum Beispiel
erscheint eine Teilschwingung auf dem Bildschirm rot, wenn sie
gleichzeitig dominant und harmonisch ist. Als Resultat der
Klanganalyse liegt somit ein Farbmuster vor, welches die
Eigenschaften des Tons auf einen Blick zeigt. Damit wird
beispielsweise sofort sichtbar, dass bei einer Altblockflöte die
zweite Teilschwingung markant vom theoretischen Wert abweicht,
während die dritte Teilschwingung perfekt harmonisch ist. Bei der
Entwicklung des Klangfarben-Stimmgeräts galt es, verschiedene Hürden
zu überwinden. "Wir mussten insbesondere die Berechnungsalgorithmen
optimieren", erläutert Bernhard. Ein heikler Punkt ist auch die
Bestimmung der Tonhöhe. Sie wird vom Computer bei jedem Zeitintervall
neu ermittelt. Dies erfordert eine schnelle und vor allem auch
zuverlässige Berechnung, werden doch basierend auf der Grundfrequenz
die Eigenschaften der Obertöne berechnet. Auch die Visualisierung auf
dem Bildschirm hängt wesentlich von dieser Grösse ab.

Um die Klangfarbe möglichst umfassend zu beschreiben, haben die
Forscher Dutzende von "Features" definiert, die sie aus den
Messwerten ableiten. Zu diesen Features gehören etwa die
"Harmonizität" eines Tons (ein Begriff, den die Prisma-Forscher
erfunden haben), die Verteilung der Klangenergie auf die
verschiedenen Obertöne oder Kenngrössen des Rauschanteils im Klang.
"Welche Features für den Instrumentenbauer wirklich entscheidend
sind, hängt von seinen Bedürfnissen ab", erklärt Bachmann. "Wir haben
ein universelles Messsystem entwickelt, doch die Interpretation der
Ergebnisse müssen die Anwender selbst vornehmen." Sicher ist, dass es
für den Instrumentenbauer nicht einfach darum gehen kann, mit Hilfe
von "Prisma" einen möglichst vollkommen reinen Klang anzustreben.
"Mitunter", so hält Maier fest, "sind es ja gerade die Abweichungen
vom Ideal, die den Charme eines Instruments ausmachen."

Weitere Informationen unter: www.prisma-music.ch oder

Kontakt:

Hans-Christof Maier
Josefstrasse 21
CH-8005 Zürich
Tel. +41/44/271'25'03
E-Mail: Hans-Christof.Maier@hti.bfh.ch

Franz Bachmann
Hochschule für Technik und Informatik (HTI)
Jlcoweg 1
CH-3400 Burgdorf
Tel. +41/34/426'68'37
E-Mail: franz.bachmann@hti.bfh.ch

Michael Bernhard
Hochschule für Technik und Informatik (HTI)
Jlcoweg 1
CH-3400 Burgdorf
Tel. +41/34/426'68'92
E-Mail: michael.bernhard@bfh.ch

Text und Bild dieser Medieninformation können auf der
Nationalfonds-Homepage abgerufen werden
http://www.snf.ch/medienmitteilung