Digitaal gorgelen op een viool; 'physical modeling' maakt elk muziekinstrument mogelijk

Muziek maken op computergesimuleerde instrumenten neemt een hoge vlucht. Alle mogelijke onderdelen kunnen samen in trilling worden gebracht.

MUZIEK ONTSTAAT al lang niet meer alleen met snaren, luchtkolommen, stembanden, vellen en allerhande metalen, en houten staven en blokken waar op wordt getrommeld. De elektronische synthese van muzikale geluiden is zo goed geworden dat ook binnen de muziek virtual reality zijn intrede heeft gedaan. De geluidssynthese-techniek waarom het gaat wordt 'Physical Modeling' genoemd. De techniek wordt niet alleen gebruikt om er op de computer bestaande muziekinstrumenten mee te simuleren. Er kunnen ook nieuwe instrumenten worden samengesteld. Het mondstuk van een saxofoon blijkt bruikbaar om er een vioolkast mee 'aan te blazen'.

Het resultaat klinkt veel geavanceerder dan wat we de laatste decennia als computergeluid hebben leren kennen: het kale geluid met ongedifferentieerde tonen dat uit het luidsprekertje van de PC komt. Een bijzonderheid van physical modeling is bovendien dat de kracht van het aanblazen, aanstrijken of aanslaan kan worden gevarieerd en - net als in het echt - grote invloed heeft op het geluid. Bij een saxofoon bepalen de lippendruk op het riet en de buislengte hoe de sax computerluidsprekers uit giert, gorgelt dan wel kreunt.

Op het beeldscherm van de synthetiserende computer is het spelende instrument grafisch weergegeven. Je krijgt buis en mondstuk van een blaasinstrument op het scherm te zien. Door met de muis op de buis te klikken, opent zich een venster waarin een lijstje met parameters staat voor buislengte, straal, demping (de harmonische 'energie') en toonhoogte. Hetzelfde kun je doen met het mondstuk, dat parameters heeft zoals lipdruk en het materiaal waarvan het mondstuk is gemaakt. Met een patchcord worden buis en mondstuk met elkaar verbonden, waarna de computer de klank berekent.

Het principe en de techniek van physical modeling zijn niet nieuw. Al begin jaren '80 verschenen er de eerste artikelen in bijvoorbeeld het Amerikaanse Computer Music Journal. Doordat de computers in die tijd nog niet snel genoeg waren vond physical modeling echter geen praktische toepassing. Een computerprogramma volledig gebaseerd op physical modeling is Modalys, ontwikkeld in het Parijse Institute Recherche Coördination Acoustique/Musique (IRCAM). Behalve dat een instrument kan worden gespecificeerd kun je dit programma het door jezelf ontworpen instrument een melodie laten spelen. Door losse melodielijnen in een soundmixachtig computerprogramma achter of onder elkaar te zetten, kunnen daarna op de computer composities worden gemaakt die klinken alsof ze worden uitgevoerd door echte instrumenten.

Het principe van physical modelling is dat ieder instrument een verzameling fysische componenten is (een vioolbrug, de buis van een blaasinstrument, het vel van een pauk) die kunnen trillen. Een bespeler van een echt instrument brengt deze componenten in trilling en de vibrerende onderdelen brengen de omringende lucht in trilling en beïnvloeden bovendien elkaar. In de lucht ontstaat een geluidsgolf, die zich als een snel afwisselend hoge-lage drukgebied voortplant. Onze oren en hersenen zetten de luchttrillingen om in waargenomen geluid.

NATUURGETROUW

Physical modeling brengt natuurgetrouwe geluiden voort als de vibrerende componenten een adequate mathematische representatie krijgen in wiskundige formules, waarin ook hun onderlinge beïnvloeding goed vastligt. Vooral dit laatste is een lastig punt. Een gitarist die een snaar aantokkelt brengt via de brug waarover de snaren zijn gespannen de klankkast in trilling. Maar er is ook een feedback-proces waarbij de trillende klankkast snaren in beweging zet. Het probleem is dat de verschillende losse elementen zoals snaren, brug en klankkast zich ten opzichte van elkaar niet helemaal lineair gedragen. Verdubbel je bijvoorbeeld de kracht van de aanslag op de snaar, dan verdubbelt niet automatisch het effect daarvan op de klankkast. De wiskundige vergelijkingen die dit interactieve proces beschrijven zijn derhalve non-lineair. Daardoor is het vooral een kwestie van ervaring om te voorspellen hoe een instrument zal klinken bij aanblazen of aanslaan.

Physical modeling is niet de eerste techniek die het geluid van een bepaald instrument met behulp van computeralgoritmes simuleert. Goede resultaten waren al bereikt via Fourier-analyse en de ermee verbonden additieve synthese. De Fourier-analyse gaat van het principe uit dat ieder geluid kan worden beschreven als een optelsom van sinusgolven met verschillende frequenties en amplituden. Door bijvoorbeeld een aantal sinussen te schrappen of toe te voegen en de computer het resulterende geluid uit te laten rekenen, ondergaat het geluid een verandering. Dit is echter een uiterst bewerkelijke klanksynthesemethode, want een pianotoon bevat al gauw zo'n 250 sinussen, elk met zijn eigen parameters. Het duurt lang voordat je door hebt wat je daaraan moet veranderen om het geluid naar je hand te zetten.

Uitstekend klinkende resultaten zijn ook geboekt met sampling, het digitaal opnemen van 'stukjes' geluid van instrumenten. Het nadeel hiervan is echter dat eenmaal 'gesampled' geluid volledig statisch is; je kunt een toon op de gewenste momenten niet meer laten leven. Een ervaren saxofoonspeler varieert bijvoorbeeld lipdruk en luchtdruk om een lange noot een mooie 'buik' mee te geven. Met gesampeld geluid is dat niet, of heel gebrekkig mogelijk. Met physical modeling kan dat wel. Je kunt de parameters zo instellen dat het lijkt alsof de klarinettist overblaast, wat fraai klinkende boventonen tot gevolg heeft. Physical modeling is, vooral vergeleken met de Fourier-methode, een stuk minder bewerkelijk. Als je met een programma als Modalys in de weer bent, waan je jezelf al gauw een instrumentenbouwer, en niet een mathematicus, zoals bij de Fourier-methode. Je werkt binnen Modalys immers met 'materialen' als snaren, luchtkolommen en metalen platen. En je kunt daarbij (bijvoorbeeld met een aanslaggevoelige toets op een keyborard) aangeven met welke snelheid deze 'vibrerende structuren' moeten worden aangeslagen.

STROTTENHOOFD

Behalve het Modalys is er ook het softwareprogramma Spasm, ontwikkeld aan de Universiteit van Berkeley. Dit programma simuleert zangstemmen, waarbij je als gebruiker niets anders hoeft te doen dan met de muis de stand van de lippen of de mondspieren te 'modelleren'. Ook het strottenhoofd is op die manier manipuleerbaar. Het unieke van Spasm is dat het ook medeklinkers produceert, wat conventionele soundsynthese extreem moeilijk is. Weliswaar is er het in het IRCAM ontwikkelde programma Chant, een syntheseprogramma dat gebouwd is voor het maken van zangstemmen, maar het klinkende resultaat daarvan is een stem die alleen klinkers zingt (ááá, óóó, ííí). Met Spasm kun je de virtuele stem daarentegen een liedje op tekst laten zingen. Al klinkt dit nog wel wat blikkerig, het is niet alles goud wat er 'klinkt'.

Ook de fabrikanten van commerciële synthesizers zien brood in physical modeling. Yamaha bracht als eerste een instrument (VL1) op de markt dat voor een groot deel met de physical-modelingtechniek is uitgerust. Daarnaast heeft Korg nu een instrument geïntroduceerd dat van physical modeling gebruik maakt, de Z1. In beide gevallen gaat het nog om menginstrumenten: physical modeling is gecombineerd met andere klanksynthese-technieken. De warme ruis die bijvoorbeeld ontstaat door een saxofoon 'losjes' aan te blazen, wordt in deze instrumenten niet via physical modeling opgewekt, maar met een ruisgenerator waarin verschillende typen ruisklanken zijn opgeslagen. Daarnaast wordt er gebruik gemaakt van subtractieve klanksynthese, dat wil zeggen dat de klank die is bereikt door physical modeling, nog eens door een low/highpass-filter kan worden gestuurd. De klankkleur van het instrument wordt dus mede bepaald door het toegepaste filter. Nu is dat ook weer niet zo onrealistisch: als we sis- of ruisklanken maken met lippen en stembanden en we veranderen de stand van de mondspieren, dan horen we in feite het effect van low, high en bandpassfilters.

Hoewel Modalys en Spasm physical modeling in z'n zuiverste vorm bieden, is het voordeel van de Korg Z1 en de Yamaha VL1 dat het geluid in real-time is te beïnvloeden. De instrumenten zijn uitgerust met processoren die nog een stuk sneller zijn dan die in de gemiddelde PC. Dat beïnvloeden kun je doen met behulp van controllers (sliders, wheels) op het instrument. Ook kun je (via computermuziekcode MIDI) een computerprogramma op bepaalde parameters van de instrumenten loslaten, waardoor de saxofoon al spelende ineens wat boventonen produceert. En ten slotte kun je met een zogeheten breathcontroller (een elektronisch blaasinstrument) de sax 'aanblazen'. Op deze commerciële instrumenten is trouwens goed te horen dat er soms onvoorspelbare (non-lineaire) effecten optreden: als je een toets van het keyboard een aantal keren indrukt, bij gelijke velocity/attack, dan zul je horen dat het opgewekte geluid soms net even anders klinkt. Vermoedelijk draagt dit niet-statische aspect bij tot de menselijke appreciatie van een bepaalde klank, enigszins vergelijkbaar met onze voorkeur voor een (enigszins ongerelmatig) vibrerende viooltoon, boven een volledig vlak klinkende viooltoon.

Of niet-virtuele muzikanten deze ontwikkelingen appreciëren is vraag twee. Maar laat het voor hen een troost zijn dat bij het bespelen van deze computer-instrumenten veel kunde en kennis komt kijken. Ook in het virtuele domein dient een saxofoon of viool echt te worden bespeeld.