Definition
Die Physical-Modeling-Synthese (Synthese durch physikalische Modelle) reproduziert nicht die Wellenform eines Instruments, sondern simuliert seine physikalische Funktionsweise: Ein Erreger (Plektrum, Hämmerchen, Bogen, Atem) versetzt einen Resonator (Saite, Rohr, Membran, Platte, Resonanzkörper) in Schwingung, beschrieben durch Gleichungen oder digitale Modelle. Das Ergebnis reagiert natürlich auf den Anschlag: Stärker zu spielen erhöht nicht nur die Lautstärke, sondern verändert das Timbre wie bei einem echten Instrument.
Wesentliche Geschichte
- Karplus-Strong (Kevin Karplus und Alex Strong, 1983): Ein kurzer Rauschimpuls geht in eine Delay-Leitung, die so lang ist wie die Periode der Note; bei jedem Umlauf durchläuft das Signal einen Tiefpassfilter (ein Mittelwert zwischen Samples). Ergebnis: eine erstaunlich realistische gezupfte Saite mit sehr geringem Rechenaufwand.
- Digitale Wellenleiter (Digital Waveguide, Julius O. Smith III, Stanford CCRMA): Verallgemeinerung mit bidirektionalen Delay-Leitungen, die Saiten und Rohre modellieren.
- Yamaha VL1 (1994): erster kommerzieller Physical-Modeling-Synth für Blas- und Streichinstrumente, sehr ausdrucksstark, aber teuer.
- Heute: Modartt Pianoteq, AAS Chromaphone und String Studio, Ableton Collision, Tension und Electric, Arturia Piano V (physikalisches Modell, in der V Collection 9), Native Instruments Reaktor Prism, die Saiten-/Resonator-Modelle von Pigments und Vital.
Komponenten eines Modells
- Erreger: Typ (Impuls, Rauschen, kontinuierlicher Bogen, Anblasen), Härte, Position (Zupfen nahe am Steg = mehr hohe Obertöne), Kraft.
- Resonator: Typ (Saite, offenes/geschlossenes Rohr, Membran, Stab, Platte), Stimmung, Dämpfung (Decay), Steifigkeit (Inharmonizität: Die Saiten des Klaviers haben leicht ansteigende Partialtöne), Material (Holz, Metall, Glas).
- Kopplung und Korpus: der Resonanzboden und die mitschwingenden Resonatoren (Klaviersaiten bei gedrücktem Pedal).
- Nichtlinearitäten: Schwebungen, Mechanikgeräusche, Sättigungen.
Warum man es einsetzt
- Ausdruckskraft: Velocity, Aftertouch, MPE und Modwheel verändern das physikalische Verhalten; ideal mit MPE-Controllern (Roli, Linnstrument, Osmose).
- Leichtigkeit: keine Gigabyte an Samples (Pianoteq wiegt wenige Dutzend MB).
- Unmögliche Hybride: eine mit dem Bogen angeregte Saite mit einem Glaskorpus; gestimmte „metallische“ Perkussion für futuristische Pads und Plucks.
Grundrezepte
- Karplus-Strong-Pluck: kurzes Rauschen (5 ms) → gestimmtes Delay → Tiefpass. Je dunkler der Filter, desto kürzer und matter der Klang; höheres Feedback = längeres Sustain.
- Mallet / Marimba: weicher impulsiver Erreger auf Holzstab, Decay 0,5–1 s, moderate Inharmonizität.
- Gestrichene Saite (Pad): Bogen mit von einem langsamen LFO moduliertem Druck, Cello-Korpus, Hall.
- Metallische Perkussion: Metallstab oder -platte, hohe Inharmonizität, langer Decay: synthetische Glocken und Gongs.
In FL Studio
FL Studio hat keinen echten dedizierten Stock-Physical-Modeler wie Collision, aber du kannst einen „selbstgebauten“ Karplus-Strong erhalten: einen kurzen Rauschimpuls (3x Osc mit kurzer Hüllkurve), geschickt an Fruity Delay 3 oder einen Kammfilter mit einem Delay von wenigen ms und hohem Feedback: Stimmst du die Delay-Zeit auf die Note ab (1000 ÷ Frequenz ms: A3 = 220 Hz → 4,55 ms), erhältst du eine Saite. Für komplette Instrumente verwende Piano V, Pianoteq, Chromaphone.
Beispiel in a-Moll
Metallischer Pluck für ein Ambient-Stück bei 90 BPM: in Chromaphone (oder ähnlichen) Erreger mit hartem Schlägel, Resonator „Beam“ mit mittlerer Inharmonizität, Decay 1,2 s; Arpeggio A3 – C4 – E4 – H4 über Am(add9) und F – A – C – E über Fmaj7 in Achteln; Delay bei punktierten 1/4, Hall 3 s. Piano V mit nahen Mikrofonen für die Akkorde.
Häufige Fehler
- Absoluten Realismus erwarten: Die Modelle sind im Mix überzeugend, im Solo bei Blasinstrumenten und Stimmen weniger.
- Die Velocity ignorieren: Sie ist gerade die Stärke.
- Zu hohe Feedback- und Resonanzwerte: Selbstoszillationen und Spitzen (setze beim Experimentieren einen Sicherheits-Limiter).
Übung
- Baue in FL Studio einen Karplus-Strong mit Rauschen + gestimmtem Delay + Filter und spiele C4 (3,82 ms Delay) und A3.
- Vergleiche mit Piano V die Velocity 40 und 110 auf derselben Note: Notiere mit einem Analyzer, was sich im Spektrum ändert.
Verweise
„Sampling und Sampler“, „Additive Synthese“, „Pluck-Design“, „Filter“, „Die Obertonreihe und das Timbre“.