Physikalische Modellierung

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Physical Modeling ist ein Klangerzeugungsverfahren, welches für alle physikalischen Eigenschaften eines Instruments mathematische Modelle nutzt, um dieses möglichst realitätsgetreu abzubilden. Nebeneffekt dabei ist, dass die jeweiligen Eigenschaften im Modell frei veränderbar und kombinierbar werden und somit komplett neue Klänge und/ oder virtuelle Instrumente kreiert werden können.

[Bearbeiten] Funktionsprinzip

Im Bereich der Klangerzeugung gibt es verschiedene Verfahren, um den Klang eines Instruments synthetisch zu imitieren. Ein nahe liegendes Verfahren hierfür ist das Sampling (Musik) . Möchte man zum Beispiel ein Saxophon nachbilden, würde man beim Sampling eine größtmögliche Bandbreite an Saxophontonhöhen aufnehmen und diese dann unter Zuhilfenahme eines Samplers auf eine Klaviertastatur legen. Das gesampelte Instrument bietet einen authentischen Klang, jedoch ist es eine starre Aufnahme des Saxophones und kann nur durch Filterung und Hüllkurvenbearbeitung verändert werden, jedoch nicht in seiner eigentlichen klanglichen Entstehung. Eine weitere Methode der Programmierung eines Klangs ist die subtraktive Synthese. Durch die entsprechende Wahl der Oszillatorwellenformen und der entsprechenden Filterung, sowie Modellierung ist es mit der subtraktiven Synthese möglich einen ansprechenden Saxophonklang zu erzielen. Die Authentizität dieses Klanges wird jedoch zu wünschen übrig lassen. Ähnlich wird es sich auch bei der FM-Synthese und anderen synthetischen Klangerzeugungsverfahren verhalten. Man wird immer eine Annäherung an das Instrument erzielen, jedoch selten feinste klangliche Nuancen authentisch wiedergeben können.

Prinzip des Physical Modeling ist es, das zu imitierende Instrument in seinem Aufbau und in seiner Funktion zu analysieren und dementsprechend in Module aufzugliedern. Ein Saxophon besteht vereinfacht aus einem Mundstück, einem Resonanzrohr und einem Trichter. Im Mundstück werden die Schallwellen durch anblasen auf ein Holzblättchen erzeugt; die Länge des Rohres, veränderbar durch die Druckklappen, verändert die Tonhöhe; durch den Trichter tritt der Großteil des Schalls aus, er beeinflusst Abstrahlcharakteristik und Frequenzgang. Alle drei Elemente beeinflussen das Signal unterschiedlich und in Abhängigkeit zu den anderen Elementen. Wird dieses Modell in ein mathematisches System übertragen ist die Grundlage für ein virtuell erzeugtes Saxophon geschaffen.

[Bearbeiten] Vorteile des virtuellen Modells

Der Vorteil des Modells ist es einen lebendigen Klang, den Eigenheiten des jeweiligen Instruments entsprechend, zu erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist das überblasen eines Instruments, bei dem sich das virtuelle Model ganz dem Vorbild entsprechend verhält. Dies ist mit Sampling oder anderen Syntheseformen nicht, oder nur sehr schwer möglich. Ein weiterer Vorteil des Physical Modeling ist die Möglichkeit Elemente verschiedener Instrumente zu kombinieren, auch wenn diese Kombination mit echten Instrumenten nicht möglich wäre. Hierbei muss nur zwischen Resonatoren und Erregern unterschieden werden. Am Beispiel des Saxophonmodells ist das Mundstück der Erreger und das Rohr und der Schalltrichter sind Resonatoren. Man hat nun zum Beispiel die Möglichkeit das Mundstück des Saxophons mit dem Resonanzraum einer Geige zu verbinden. So entsteht ein neues virtuelles Instrument mit einer eigenen Klangcharakteristik. Es können aber auch nur einzelne Parameter eines Instruments verändert werden, wie zum Beispiel Materialbeschaffenheit, Größe oder Anschlagstärke.

Die Physikalische Modellierung erfordert in der Regel eine hohe Rechenleistung im Synthesizer oder im Computer. Ein Vorteil besteht jedoch darin, dass das Modell durch den Musiker in Echtzeit geändert werden kann. So besteht die Möglichkeit, während der Darbietung intuitiv auf die Eigenschaften des zu simulierenden Instrumentes Einfluss zu nehmen.