Wellenform und Darstellung akustischer Instrumente

[M15064]

Ideen / Erfahrungen?

Meine Erfahrung: Das Thema ist so komplex, dass man mit den meisten Instrumenten jeweils ein Buch (pro Instrument) füllen könnte.

Such dir Hörbeispiele, lade sie in ein Audio-Tool, höre, staune, versuch sie auf einem Synth nachzubauen.
Nach einigen Wochen hast du dann verstanden, warum es das nicht als leicht verständliche Übersicht gibt.

Ich hatte da mal was zur Oboe geschrieben (weil die ein bisschen speziell ist):

https://www.sequencer.de/synthesizer/threads/die-wellenformen-sind-alles-metaphern-bestenfalls-denkmodelle-oder.161422/post-2345057

Aber auch das ist nur mitten aus einem "typischen" Ton raus, das Anklingverhalten, Klang und Lautstärkeverlauf beim Spielen hängen extrem von der Spieltechnik ab.

 

[einseinsnull]

die komplexität des themas erfordert vermutlich auch einfach eine zielgerichtetere fragestellung.

was und warum willst du machen?

heutzutage kann man sowas meistens schneller selbst analysieren als es via google als bild zu finden, aber das beantwortet ja maximal die frage wie man dazu kommt wenn man das fragliche material vorliegen hat.

 

[Pete1]

Eine wirklich gute Dokumentation darüber habe ich noch nirgends entdeckt, aber ein wenig kann man sich ja aus den vorliegenden Infos über Klänge, Instrumente usw herleiten. Und ich bin mir sicher, dass es darüber irgendwas gibt. Vielleicht auch eher in Büchern, als im Internet, da das schon ein spezielles Thema ist.

Mal exemplarisch eine Kickdrum und ein Becken / Hat:

Die Kickdrum hat einen tiefen Grundton und vergleichsweise wenige Obertöne. Sprich, das Spektrum verteilt sich eher auf den unteren Bereich, wobei die Obertöne, je höher sie werden, sehr stark abfallen. Von der Physik her, würde ich mir das so vorstellen, dass das Fell bestimmt durch den Durchmesser und die Vorspannung einen bestimmten Grundton hat. Und innerhalb des Fells entstehen sehr wenig Obertöne, da sich durch die Flexibilität und Dehnbarkeit des Materials kaum Zonen bilden, die in anderen Frequenzen, als dem Grundton schwingen können.

So ein Becken sieht da schon ganz anders aus. Hat natürlich auch einen Grundton. Aber ein sehr massives Obertonspektrum. Und nicht nur das, denn es schwingt im Grunde fast chaotisch, wenn es einmal angeregt ist. Man kann sich das so vorstellen, dass so eine Metallplatte ständig Zonen bildet, die angeregt durch die Grundton in bestimmten Frequenzen schwingen und wieder vergehen. Im Vergleich zu einem Fell einer Kickdrum ist das Material sehr starr. Dh, Schingungen eines Bereichs des Beckens können vergleichsweise unbeeinflusst eines anderen Bereiches schwingen. Über die Zeit aber beeinflussen sie sich dann aber doch. Und es kommt zu Überlagerungen - Schwingungen schwächen sich ab oder verstärken sich.

Das Spektrum so eines Beckens hat dann auch kein klassisches Grundton - Oberton - Schema, sondern die Töne über dem Grundton sind quasi chaotisch. Und das wird halt bestimmt durch das Material. Nachbilden lässt sich das mit einem Synth vergleichsweise gut mit einem Rauschen. Denn ein Rauschen ist durch "Töne" aller möglichen Frequenzen bestimmt. Auch da gibt es keine Grund bzw. Obertöne.

Ich denke mal, wenn man sich klar macht, wie Musikinstrumente arbeiten und durch was die Töne entstehen, kommt man schon ganz gut dahinter, was dabei passiert.

Aber an mehr Infos zu dem Thema wäre ich auch sehr interessiert! Also poste gern mal, was du schon so gefunden hast!

 

[einseinsnull]

du beschreibst gerade unwillkürlich das grundproblem: vieles würde einfach viel mehr voraussetzen als ein paar messwerte linear zu erfassen und sie als bild darzustellen. spätestens wenn du etwas synthetisieren willst, hilft dir eine analyse mit den üblichen werkzeugen nur noch wenig dabei, auch nur den hauch einer idee zu entwicklen, wie ein modell aussehen könnte.

aber wir wissen ja auch nicht, ob es otto und seinem mops nicht tatsächlich einfach nur darum geht, ein paar hübsche animationen zu erhalten, deswegen meine frage nach dem ziel.
dazu bräuchtest du nicht mal fft, lpc, sdif und solch kompliziertes tralala, das kannst du mit einer handvoll gates und frequenzweichen machen.

und das kann durchaus bereits gut dafür geeignet zu sein, das hören zu lernen oder dinge über das konkrete sample vor dir in erfahrung zu bringen, die du erst mal nicht so leicht hörst.

es gibt auch schon länger freie formate, die sounds in soundlibraries lokal oder im web mit bunten bilderchen von frequenz und dynamikanalyse anzeigen. ich komm jetzt drauf wie das heißt, aber das erste war mal bei so einer freien online library dabei.
ansonsten hast du solche fertig zu benutzenden visualisierungstools heute auch bei jedem guten videobearbeitungsprogramm dabei, nicht wahr? da dann noch eine visualisierung von veränderungen über die zeit hinzuzufügen ist auch nicht viel arbeit.

 

[Area88]

Zu den gängigen Instrumenten habe ich bisher nur einfache Grafiken gefunden - zwar mit Lautstärke und Geschwindigkeitsanzeige aber ohne Verlauf. 3D Grafik ist optimal, Animation ist gut.

Und zu manch Instrumenten findet man nur schwer was und bei anderen Klangquellen noch weniger.

Ideen / Erfahrungen?

Ich würde mir diese 3D Grafiken nach Eigenbedarf selbst basteln. Als Quelle akustischer Instrumente bietet sich die frei zugängliche Sample-Library der "University of Iowa" an, welche ich hier bereits gepostet habe: Sample-Library Uni Iowa

Für die 3D-Spektralanalyse kann man z.B. WAVELAB nehmen. Hier als Beispiel ein Piano-Sample A4, mezzoforte gespielt:

 

[DanReed]

vieles würde einfach viel mehr voraussetzen als ein paar messwerte linear zu erfassen und sie als bild darzustellen.

Z.B. gängige Wasserfall-Diagramme basieren meistens auf FFTs, die in kurzen Zeitabständen gerechnet wurden. Es stellen sich aber jedesmal die Fragen, in welchen Zeitabständen und mit welcher Frequenzauflösung.

Die Problematik dabei wird vor allem deutlich, wenn man z.B. Bassdrums vergleichen möchte. Wie genau soll der Grundton in der Frequenz aufgelöst werden? 100Hz dürfte erheblich zu wenig sein, statt dessen 10Hz wäre doch schön. Aber nach Heisenberg geht dann die Zeitauflösung von bestenfalls 10ms auf 100ms zurück, was für einen Kick viel zu wenig ist (eigentlich möchte man hier doch auch gerne sogar genauer als 10ms sein können).

Trotzdem kann man aus fast beliebigen Kombinationen von Zeit- und Frequenzauflösung einer Folge von FFTs das Originalsignal in Parameter zerlegen und diese wieder so zusammensetzen, dass das Originalsignal samplegenau entsteht. Die Parameter enthalten also alle Informationen.

Nur: Diese Parameter sind zur Visualisierung nur bedingt brauchbar (wegen des trade-offs zwischen schlechter Zeitauflösung bei hohen und schlechter Frequenzauflösung bei tiefen Frequenzen). Für die reine Visualisierung ist oft eine logarithmische Amplitude und logarithmische oder sogar gehörgerechte Frequenz- und Zeitauflösung aussagekräftiger (wir haben nur kaum gelernt, diese Art der Visualisierung professionell zu lesen und zu nutzen).

Z. B. das Teiltonzeitmuster wie hier z.B. auf S. 34

 

[einseinsnull]

Z.B. gängige Wasserfall-Diagramme basieren meistens auf FFTs, die in kurzen Zeitabständen gerechnet wurden. Es stellen sich aber jedesmal die Fragen, in welchen Zeitabständen und mit welcher Frequenzauflösung.

natürlich könnte man versuchen ungeprüft solche faustregeln aufzustellen wie "in der attackphase muss die zeitaufllösung möglichst gering sein", aber letztlich ist jede messung immer nur ungenau und widerspricht u.u. dem hörempfinden.

Die Problematik dabei wird vor allem deutlich, wenn man z.B. Bassdrums vergleichen möchte. Wie genau soll der Grundton in der Frequenz aufgelöst werden?

mit den besseren algorithmen findet man (wenn man z.b. eine sortier-app machen will) durchaus 95% der bassdrums.

aber wir wissen alle, dass es toms gibt, die tiefer als hohe bassdrums sind.

das gehrin sortiert eben diese dinge ganz anders ein als lineare messungen durchzuführen.

möchte man hier doch auch gerne sogar genauer als 10ms sein können).

genau. jeder, der man versucht hat eine snaredum oder ein saxophon mit einem PPG wavetable zu machen, kennt das problem. manchmal kommt es auf 1 ms an, oder auf 1 db, und wenn wir das nicht haben, dann ist das ohr höchst irritiert von der "emulation".^^

Nur: Diese Parameter sind zur Visualisierung nur bedingt brauchbar (wegen des trade-offs zwischen schlechter Zeitauflösung bei hohen und schlechter Frequenzauflösung bei tiefen Frequenzen). Für die reine Visualisierung ist oft eine logarithmische Amplitude und logarithmische oder sogar gehörgerechte Frequenz- und Zeitauflösung aussagekräftiger (wir haben nur kaum gelernt, diese Art der Visualisierung professionell zu lesen und zu nutzen).

ich denke es ist einfach zu schnell fürs auge... um es genau zu sagen, geräuschfrequenzen sind sogar zu schnell für den bildschirm.

einen analyzer eines mixes lesen... das kann das auge, da uns dort ja nur der durchschnitt der letzten 25 ms interessiert, der sich prima auch im verlauf darstellen lässt, notfalls inclusive peak hold.

aber um zu erfassen, ob ein hohes A von der violine oder von der bratsche kommt, braucht etwas ausgefuchsteres, ich würde das weder mit fft noch mit sdif machen wollen, und pitchtracking kannst eh vergessen.

 

[4t6ßweuglerjhbrd]

Das "Teiltonzeitmuster" ist einfach ein kontinuierlicher Fourier Transform mit variabler "constant Q" Bandbreite.

Dh, daß die Bandbreite so sein kann daß die Zeitauflösung in jedem Band oder Teilton bei der physikalisch möglichen Kürze liegt.

Akkurates Pitchtraching kannst Du da für jeden Teilton bzw Band haben einfach indem man die momentane Phasendifferenz berechnet.

Ich hab damit einges geamcht, auch Resynthese, geht ganz gut, braucht halt viel Rechenkraft weils keine schnelle Transformation gibt.

Aber wenn man verswtanden hat wie die Analsyse da funktioniert versteht man auch leichter wie ein FFT funktioniert
weil das im Prinzip exakt dasselbe ist mit dem blosen Unterschied, daß beim FFT eben die Abstände der Bänder uniform sind,
ansonsten moduliert das FFT auch das Einganssignal runter und filtert bzw integriert es, nur eben alle Bänder über die selbe Länge,
eben die FFT Fensterbreite.

Man kann übrigens zwar schon mit FFT das Originalsignal resynthetisieren aber nur wenn man *keine* überlappenden Fenster hat.
Wenn man überlappende Fenster für feinere Zeitauflösung nimmt dann "verschmiert" man die Transienten.

Und genau das Problem hat man beim "Teiltonzeitmuster" dann eben nicht mehr.

 

[Tonerzeuger]

Manchmal hilft schon Wikipedia, man muss sich halt die Mühe machen zu recherchieren. Zum Fender Rhodes-Attack (das Klingeln) stand da, dass der nur wenige Obertöne enthält, beginnend mit dem 7. Und dem 21. Das hat mir auf dem DX7 sehr geholfen, denn diese Reihe kann man mit zwei Operatoren, Frequenzratio 7 beim Träger und 14 beim Modulator, gut erzeugen, und das ganze noch dynamisch a la FM.
Das fand ich sehr spannend, denn viele DX-Epianos benutzen die Frequenzen 1 und 14, was m E langweiliger klingt.
Aber ohne Arbeit wäre das nicht gegangen

Ich kann also Moogelpackung nur zustimmen- die schnelle Instant- Anleitung gibt es nicht, aber es lohnt sich zu experimentieren und sich einzulesen. Beides!

 

[Summa]

Ich beschäftige mich ganz gerne mit dem Aufbau der Instrumente die ich Nachbauen will, ich glaub' das ist wichtiger als das komplette Spektrum abzudecken, weil sich unsere Wahrnehmung/Erkennung eines Instruments auf bestimmte Bereiche im Spektrum und den dazugehörigen zeitlichen Ereignissen beschränkt.

 

[M15064]

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Trotzdem kann man aus fast beliebigen Kombinationen von Zeit- und Frequenzauflösung einer Folge von FFTs das Originalsignal in Parameter zerlegen und diese wieder so zusammensetzen, dass das Originalsignal samplegenau entsteht. Die Parameter enthalten also alle Informationen.
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Das "Teiltonzeitmuster" ist einfach ein kontinuierlicher Fourier Transform mit variabler "constant Q" Bandbreite.
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Wenn ihr hier noch ein bisschen weiter philosopiert, dann habt ihr bald das Grundprinzip von MP3 nacherzählt.
Hat nur einen Haken: Anschaulich ist das auch nicht.

Deswegen würde ich gern nochmal diesen Satz unterstreichen:

die komplexität des themas erfordert vermutlich auch einfach eine zielgerichtetere fragestellung.

was und warum willst du machen?

Das genau ist der springende Punkt!
Und dem kann man sich von verschiedenen Seiten her nähern... und das ist ja nach Instrument sehr unterschiedlich anschaulich.
Bei einer Kickdrum und vielen anderen perkussiven Instrumenten ist eigentlich das Oszillogramm am anschaulichsten... bei einer Orgel eher weniger.

Als Quelle akustischer Instrumente bietet sich die frei zugängliche Sample-Library der "University of Iowa" an, welche ich hier bereits gepostet habe: Sample-Library Uni Iowa

Für die 3D-Spektralanalyse kann man z.B. WAVELAB nehmen.

Auch ein sehr guter Hinweis.
Die Sample Library kannte ich bisher noch nicht und das WAVELAB hatte ich auch nicht mehr auf dem Schirm.

Mein persönliches Fazit (und Erfolgsrezept): Je nach eigenem Ziel sollte man sich dem Thema aktiv nähern.
Mit aktiv meine ich: Informationen selbst suchen und Zusammenhänge selbst finden, probieren, machen.

Ein ebenfalls sehr aufschlussreicher Weg kann sein, sich die Tonerzeugung diverser Presets von Synthesizern oder Musik-Workstations anzuschauen (sofern das Gerät das her gibt). Ich hab z.B. so ein Kurzweil PC3 mit VAST-Synthese, da kann man bei (fast) jedem Instrument genau ansehen, wie das mit verschiedenen Layern aus Samples, Filtern und Hüllkurven gebastelt ist. Auch sehr aufschlussreich. Da merkt man dann aber auch sehr schnell, dass das recht komplex werden kann, wenn es gut werden soll.
Das hat nur keine Anzeige von Wellenformen und Spektrogrammen, aber das ist (wenn man es unbedingt will) mit dem PC schnell gesamplet und mit Programmen wie WAVELAB oder Audacity (Freeware ) zusammen geklickt.

 

[Area88]

Jetzt noch Draufsicht bei der 3D Anzeige und der Drops ist fast gelutscht, "fehlt" nur noch Pitchdrift - wobei man sich den ja im Tuner anschauen kann.

Auch kein Problem. Man kann in Wavelab von der normalen Wellenformdarstellung in die 2D Spektrumdarstellung wechseln. Das entspricht einer Draufsicht der 3D-Spektralanalyse in 2D-Projektion "von oben". Allerdings verwendet Wavelab da andere Farben, was aber die Lesbarkeit der Information nicht beeinträchtigt.

Sollte sich im dargestellten Spektrum z.B. im Grundton oder einem der Obertöne ein "Pitchdrift", also eine Veränderung der Tonhöhe ereignen, dann erkennt man das daran, dass der entsprechende "Grat" (bezogen auf die 3D-Darstellung) nicht mehr absolut parallel zur Zeitachse verläuft, sondern von dieser horizontalen Ideal-Linie im zeitlichen Verlauf abweicht. Geschieht das periodisch wie bei einem Vibrato, siehst Du das an einer geschlängelten Linie.

Hier nochmal das Klaviersample von oben in entsprechender Darstellung:



Hab' schnell mal ein Synthese-Patch mit FX2 gebastelt, bestehend aus 4 Sinusgeneratoren mit 440, 880, 1760, und 3520Hz. Der unterste läuft unmoduliert zum Ausgang, der zweite bekommt ein Vibrato per LFO verpasst, der dritte eine exponentiell fallende Amplitudenmodulation und der vierte schließlich per Sinus-LFOs sowohl eine Modulation der Tonhöhe, als auch der Lautstärke:



Akustisch stellt sich der Klang so dar:
Anhang anzeigen Example-Waves-6.WAV

...und aussehen "tut" das in Wavelab in der Spektrumsanzeige so:



Man könnte jetzt auch spaßeshalber den obersten Sinus-Kollegen mit einem Envelope in Rampenform frequenzmodulieren, dann ergäbe sich bei entsprechender Parametrierung statt einer geschlängelten Linie (oben) eine Diagonale von links oben nach rechts unten. Man sieht also, dass mit den Bordmitteln von Wavelab derartige Visualisierungen ohne weiteres möglich sind.

q.e.d.

 

[4t6ßweuglerjhbrd]

Die meisten Percussioninstrumente haben nicht-harmonische Obertöne (welche hängt von der Form ab)
Saitenisntrumente weitgehend harmonische Obertöne (die minimale Inharmonizität hängt von den Saiteneigenschaften und der Spannung ab),
Windinstrumente harmonische Obertöne.

 

[Summa]

Saitenisntrumente weitgehend harmonische Obertöne (die minimale Inharmonizität hängt von den Saiteneigenschaften und der Spannung ab),
Windinstrumente harmonische Obertöne.

Die hat man doch meiste beim Anschlag, oft ist da etwas perkussives gefolgt von etwas mehr oder wenig kurzem Einschwingprozess mit etwas das an eine Lautverschiebung erinnert. Den Charakter machen meiner Erfahrung bei nach weniger die Saiten als der Resonanzkörper.
Wobei es natürlich auch Instrumente mit Resonanzsaiten gibt und weitere Saiten zum mitschwingen neigen.

 

[M15064]

nicht-harmonische Obertöne

"nicht-harmonische Obertöne" ist ein Oxymoron!

 

[4t6ßweuglerjhbrd]

Dann eben Teilton. Ich benutze Oberton und Teilton etwas flapsig meist synonym.

 

[M15064]

Dann eben Teilton. Ich benutze Oberton und Teilton etwas flapsig meist synonym.

Was dich aber nicht davon abhält, Andere bei flapsicher Wortwahl für *** zu erklären!
Ich bin ja nicht nachtragend, aber ICH VERGESSE NICHTS!

Um es mal auf den sachlichen Kern zu reduzieren:
Das Probelm bei vielen Instrumenten ist einfach, dass sich der Charakter des Tons über die gespielte Zeit verändert, aber die Betrachtung von Frequenz und Obertönen immer nur eine statistische über einen willkürlich gewählten Zeitraum ist.
Das führt bei ungeschickt gewähltem Zeitraum zu recht eigenartigen Ergebnissen, die dann eben wirklich wie "nicht-harmonische Obertöne" aussehen, d.h. unter dem Vorbehalt der flapsigen Formulierung können wir das gelten lassen.