Was ist Granularsynthese und welche Synthesizer gibt es?

Hier ein Überblick zu allen Teilen unserer Serie über Klangsynthese:

• Teil 1: Synthesen im Überblick
• Teil 2: Subtraktive Synthese
• Teil 3: Additive Synthese
• Teil 4: FM-Synthese und Phasen-Frequenzmodulation
• Teil 5: Was ist ein Vocoder
• Teil 6: Was ist Granularsynthese?
• Teil 7: Was ist eine Talkbox

Wie funktioniert die Granularsynthese?

In diesem Tutorial werde ich euch die Granularsynthese näherbringen. Nach einer kleinen Geschichts- und Theoriestunde sowie der Erklärung der Basics zeige ich euch in vier Videos, wie die Granularsynthese funktioniert. Ich habe versucht, den theoretischen Teil so knapp wie möglich zu halten und nur das für unsere Zwecke Relevante reinzunehmen.

Einführung und Geschichte der Granularsynthese

Die Granularsynthese ist eine synthetische Klangerzeugung, bei der ein kontinuierlicher Klang aus vielen kleinen Einzelklängen neu zusammengesetzt wird. Man kann sich das wie bei einem Film, der durch Einzelbilder einen flüssigen Ablauf vortäuscht, vorstellen. Bei diesen Einzelteilen, den sogenannten Grains, handelt es sich um sehr kurze digitale Klangfragmente, deren Länge üblicherweise unter 50 Millisekunden liegt. Wird diese Grenze nämlich überschritten, so kann der Zuhörer das Fragment, ebenfalls analog zu Einzelbildern in einem Film, als eigenständiges Klangereignis erkennen. Im Film würde man das dann als Ruckeln bezeichnen. Da das aber auch durchaus gewollt sein kann, stehen oft auch höhere Werte als diese 50 ms zur Verfügung. Grundsätzlich könnte man die Granularsynthese also eigentlich als eine sehr spezielle Art des Samplings und der Sample-Verarbeitung sehen.

Die Granular-Page im VST Synth Spectrasonics Omnisphere

Kurz zur Geschichte: Auch wenn Hard- und Software-Synthesizer mit Granularsynthese erst in den letzten Jahren richtig aufgekommen sind, ist die theoretische Grundlage der Granularsynthese, die sogenannte Gabor-Transformation und die damit in Zusammenhang stehende Theorie der Klangquanten von Dennis Gábor, schon 1946 gelegt worden. Hierbei wird eine gedankliche Analogie zwischen Quantenphänomenen in der Teilchenphysik und den akustischen Eigenschaften der oben erwähnten Grains ausgenutzt. Viel mehr möchte ich hier nicht in die Physik eintauchen, da es schon sehr theoretisch und de facto für uns irrelevant wird. Erstmalig verwendet wurde die Granularsynthese in den 1970er-Jahren vom Komponisten Iannis Xenakis, der daraus eine kompositorische Theorie bastelte und diese äußerst aufwändig durch Zerschneiden und Aneinanderreihen von Tonbändern umsetzte. Da die erforderliche Rechenleistung für die Granularsynthese sehr hoch ist, hat es gute 30 Jahre gedauert, bis hier Hard- und Software entwickelt wurde, die in der Lage war, das bereitzustellen.

Heute wird die Granularsynthese im Consumer-Bereich fast ausschließlich zur Bearbeitung gesampelten Materials verwendet. Hierbei wird ein Sample analysiert und in eben jene Grains zerlegt, um sie nachträglich in verschiedenster Art wieder zusammenzusetzen und zu verändern. Die gängigsten Arten der Veränderung sind dabei Geschwindigkeit (Time-Stretching) und Tonhöhe (Pitch-Shifting), die sich mit geschickter Granularsynthese weitestgehend ohne Artefakte bearbeiten lassen, grundsätzlich, indem die Grains vervielfacht aneinandergereiht werden. Gerade durch die Bearbeitung der Abspielgeschwindigkeit lassen sich sehr natürlich künstliche, metallische, kühle und vor allem neuartig klingende Sounds erzeugen. Grundsätzlich ist sie eine eher experimentellere und nicht so klar fassbare Synthese, wenn man sie z. B. mit der subtraktiven Synthese vergleicht, wo man ja schon im Vorhinein eine ungefähre Klangvorstellung haben kann. Auf der anderen Seite findet man hier natürlich noch eine schönes Experimentierfeld, das im Gegensatz zu gängigen Synthesen wie der subtraktiven oder der FM-Synthese, viel Potential für neue Klänge bietet. Gerade in den letzten Jahren ist sie auch im Bereich Pop- und Elektro-Musik immer beliebter geworden, unter anderem zur Bearbeitung von Stimmen.

Bekannte Software-Synths mit Granularsynthese sind NI Reaktor, NI Absynth, Propellorheads Reason Grain, Steinberg Pad Shop, Spectrasonic Omnisphere oder Granulizer. In Hardware ist neben vielen modularen Synths wie Mutable Instruments Clouds vor allem der Waldorf Quantum zu erwähnen. Es gibt auch Granular-Effekte, der Hauptunterschied ist, dass dort kein Sample abgespielt wird, sondern das Audiosignal stattdessen live durch geschleift und bearbeitet wird.

Der Waldorf Quantum sieht nicht nur fantastisch aus, er verfügt auch über einen Granular-Sampler (Foto Till Kopper)

Abgesehen von Bearbeitung und Sound-Design, geht die Granularsynthese ja grundsätzlich davon aus, dass jegliches Klangereignis durch die Aneinanderreihung von Grains reproduziert werden kann. Dieses Feld ist teils noch recht unerforscht und ermöglicht wohl Ansätze, um Natursounds ohne große Sample-Datenbanken zu reproduzieren. Weiterhin wird sie schon mit sogenannter Resynthese z. B. in DAWs unter der Haube für Time-Stretching-Algorithmen verwendet und hat diese seit den 90er-Jahren entscheidend nach vorne gebracht, weil die Granularsynthese Tonhöhe und Abspielgeschwindigkeit entkoppelt. Durch das Zerstückeln in Grains und geschicktes Aneinanderreihen dieser Grains danach kann man so Samples ohne Mickey-Maus-Effekt in die Länge ziehen bzw. verkürzen. Beides soll aber nicht Thema dieses Tutorials sein, wir konzentrieren uns auf den Bereich Synthesizer und Sound-Design, welches für den Consumer Bereich relevant ist.

Parameter der Granularsynthese

Hier die grundsätzlichsten Parameter, die man in Synthesizern mit Granularsynthese finden wird. Darüber hinaus gibt es auch hier, je nach Konzept des jeweiligen Synths oder VSTis, klassische Modulatoren wie LFOs und Hüllkurven sowie Filter, um in den Klang einzugreifen. Die Parameter können in verschiedenen Synths natürlich andere Namen haben.

• Schwingungsform: Als grundlegende Schwingungform kann eigentlich jegliches Sample verwendet werden. Oft eben aufgenommene natürliche Klänge, aber selbstverständlich funktionieren auch Grundformen wie Sinus, Sägezahn oder Rauschen.
• Grain-Dauer: Hier wird die Länge der einzelnen Grains festgelegt, also die Länge der Schnipsel, die aus dem ursprünglichen Sample herausgeschnitten wird. Meistens wird eine Länge zwischen 1 und 50 ms gewählt, da die Grains sonst, wie schon oben erwähnt, immer hörbarer werden. Aber auch Längen bis 100 ms sind üblich. Die Länge der Grains kann fest oder pro auch Grain variabel sein und oft auch moduliert werden. Man kann also sagen, hier wird die Dauer der einzelnen Grain-Samples festgelegt.
• Grain-Dichte: Die Grain-Dichte gibt an, wie viele Grains pro Sekunde dann abgespielt werden. Eine niedrige Grain-Dichte erzeugt einen tremoloartigen Effekt, da die Lücken zwischen den abgespielten Grains größer werden. Ähnliches bekommt man in der subtraktiven Synthese, wenn man einen Rechteck-LFO auf die Amplitude schickt. Eine höhere Grain-Dichte erzeugt immer mehr Überlappung zwischen den Grains und dadurch natürlich einen dichteren Sound, mehr Obertöne, bzw. steigt auch die Amplitude und evtl., ähnlich wie bei einer Audio-Rate-Modulation, sogar die Tonhöhe, je nachdem wie die Grains miteinander interagieren.
• Amplitude/Hüllkurve: Hier kommt in der Regel eine Gaußsche Hüllkurve zum Einsatz, die aber nicht auf den gesamten Klang, sondern auf jeden einzelnen Grain wirkt. Je nach Synth kann die Hüllkurve auch als ASR ausgelegt und einstellbar sein. Natürlich gibt es bei den meisten Hard- und Software-Synths mit Granularsynthese auch klassische ADSR-Hüllkurven die dann auf den ganzen Klang an sich wirken.
• Crossfade: Hier wird zwischen den Grains eine Überblendung eingestellt, damit die Übergänge weicher empfunden und die Überlappungen weniger werden.
• Stereo-Spread: Hier werden die Grains zufällig oder nach Vorgaben im Stereofeld verteilt und so ein sehr räumlicher Effekt erzielt. Bei manchen Software-Synthesizern ist auch eine Verteilung im Surround-Feld möglich.
• Pitch-Spread: Hier wird die Tonhöhe bzw. Frequenz der Grains zufällig oder nach Vorgaben moduliert. Je tiefer die Modulation, desto geräuschhafter wird der produzierte Sound, was immer mehr in Rauschen übergeht.
• Locator-Position: Der Locator zeigt, wo im Sample gerade Grains herausgeschnitten werden.
• Speed: Geschwindigkeit, mit der der Locator durch das Sample wandert, mehr oder weniger die Abspielgeschwindigkeit. Wenn man sich ein Tonband vorstellt, dann wäre es die Geschwindigkeit, mit der sich das Band am Wiedergabekopf vorbei bewegt.

Hier ein Bild von drei Grains mit Gaußscher Hüllkurve und Sinus-Schwingungsform. Unten links die bestmögliche Zusammenführung der Grains und daraus resultierender gleichbleibender Amplitude, unten rechts eine schlechte Zusammenführung, ohne gleichbleibender Amplitude.

Foto von granularsynthesis.com

Anordnung der Grains in der Granularsynthese

Grundsätzlich gibt es unterschiedliche Ansätze hinsichtlich Synchronität und Anordnung der Grains, vereinfacht gesagt, dem Verhältnis zwischen Grain-Dauer (Schnipsellänge) und Grain-Dichte (Wiedergabehäufigkeit pro Zeit). Hier die zwei Ansätze, die für uns am relevantesten sind.

• (Quasi-) synchrone Granularsynthese: Bleibt die Grain-Dichte immer gleich, spricht man von einer quasisynchronen Granularsynthese. Die Grain-Dauer kann hier trotzdem variieren bzw. moduliert werden, abgespielt werden aber immer gleich viele Grains über die Zeit. Gleichen sich Dichte und Dauer, so spricht man von einer synchronen Anordnung. In diesem speziellen Fall entsteht zwischen den Grains weder eine Lücke noch eine Überlappung, sofern keine Hüllkurve wirkt.
• Asynchrone Granularsynthese: Hier wird es wirklich interessant. Man löst sich hier vom linearen Strom an Grains und moduliert Dauer, Dichte und die Grains selbst mittels zufälliger Algorithmen, Modulatoren oder Controllern. Es sind hier je nach Gerät/VSTi alle möglichen Parameter variabel, wie z. B. eben Dauer/Dichte, die erlaubten Frequenzen, die verwendeten Schwingungsformen/Samples der Grains, die Phase, bis hin zu plastischen Parametern wie der räumlichen Verteilung im Stereofeld. Bei der asynchronen Granularsynthese können Grains in sogenannten Wolken dargestellt werden, die Grains anhand von Parametern gruppieren. Die Parameter können Grain-Parameter wie Startzeit im Sample, Grain-Dauer, Dichte, Frequenzbänder und Hüllkurve sein, aber auch die räumliche Verteilung oder Parameter verwendeter Effekte sein. Mit Hilfe dieser Wolken können Grains dann sehr plastisch und direkt gemeinsam manipuliert werden.

Portal ist ein Plugin-Effekt, der die Parameter in Wolken darstellt und kontrollierbar macht

Ein Herantasten an die Granularsynthese

Da wir jetzt die Basics der Granularsynthese durch haben und das Ganze schon sehr abstrakt ist, habe ich mit Grain, dem virtuellen Granular Synthesizer der DAW Reason Studio, ein paar Videos gemacht, um euch zu zeigen, wie sie funktioniert und was grundsätzlich möglich ist. Ich habe die Effekte und die Modulationen weitestgehend abgeschaltet, damit man wirklich fast nur mehr hört, was die Synthese selbst macht. Das Augenmerk liegt hier also nicht darin, fertige gutklingende Sounds zu zeigen, sondern wirklich die Möglichkeiten, Parameter und wie sie sich auswirken.

Am Anfang jedes Beispiels spiele ich das nackte Sample ab, damit man sieht, was die Ausgangsbasis ist und was die Synthese daraus macht. Oben sieht man das Sample, der kleine vertikale Pfeil über dem Sample zeigt den Locator an, also die Position, wo aktuell die Grains herausgeschnitten werden.

Nicht wundern, der Maus-Cursor erscheint in der Desktop-Aufnahme immer ein Stück weiter oben, als er tatsächlich war, warum auch immer, tut aber nichts zur Sache. Hier zuerst mal eine Legende, damit ihr wisst, welcher Regler welchen Parameter in der Aufstellung oben repräsentiert. Zusätzlich ist rechts in den Videos noch eingeblendet, welche Parameter ich gerade verändere.

GRANULAR PARAMETER BASICS

Los geht’s! Im ersten Video zeige ich euch in verschiedensten Beispielen die grundsätzlichen Parameter der Granularsynthese und wie sie sich auswirken.

GRANULAR SAMPLE LOCATOR

In diesem Video fahre ich mit dem Locator durch die Samples. So kann man aus einem Sample unterschiedlichste Klangfarben herausholen.

GRANULAR NATUR SAMPLES

In diesem Video zeige ich euch Natur-Samples, das erste Sample ist Bienensummen, das zweite ist ein längeres Vocal-Sample und bearbeite beides. Gerade mit Tiergeräuschen kann man sehr abstrakte, aber doch irgendwie natürliche Klänge erzeugen. Mit Vocal-Samples sind typische Pitch-Effekte möglich, wie man sie z. B. aus Lean on von Major Lazor kennt.

GRANULAR SOUND DEMOS

In diesem Video zeige ich euch einfach noch ein paar Sounds und Klänge, um euch weitere Möglichkeiten zu zeigen, wohin die Reise gehen kann.

Warum die Granularsynthese?

Wie immer, wenn neue Technologien oder Klangerzeugungen auf den Markt kommen, stellt sich die Frage, was diese gegenüber anderen und schon etablierten Klangerzeugungen können – diese Frage ist durchaus berechtigt. Viele Menschen haben die Lichtschalter ihrer Wohnung per Smart-Home auf ihr Handy portiert. Der Vorteil dieser neuen Technologie erschließt sich mir nicht und beim Google Ausfall letztens saßen da viele plötzlich im Dunklen. Warum also die Granularsynthese? Nun, die große Stärke der Granularsynthese liegt für mich in Flächen, Soundscapes und Texturen, in sich zufällig verändernden Sounds und in der unkonventionellen Sampleverarbeitung. Ich würde auch tatsächlich sagen, dass sie hier auch einzigartige Ergebnisse liefert.

Du brauchst für ein PC-Game oder eine Filmvertonung, an der du gerade arbeitest, außerirdische Tiergeräusche? Lade ein Katzengejammer in den Granular-Synth deines Vertrauens, spiel mit Pitch und Abspielgeschwindigkeit und heraus kommt ein Sound, der zwar natürlich und wie ein Tier klingt, aber trotzdem nicht wie eines von der Erde. Du brauchst eine zufällig modulierte 24 Stunden lange Sound-Textur? Lade ein sehr langes Ambience-Sample von einer Baustelle, spiele es sehr langsam ab, moduliere diverse Parameter zufällig. Zusätzlich moduliere die Modulation und diese dann auch wiederum. Du wirst in den 24 Stunden keine zwei gleichen Sekunden hören. Du brauchst für deinen neuen Trap Club Banger einen Bringer für den Refrain? Lade die Refrain-Vocals und verbiege sie in Geschwindigkeit, Tonhöhe oder den Formanten oder erzeuge kreative Stutter-Effekte.

Die Granularsynthese ist also prädestiniert für Game- und Filmmusik, für Klanginstallationen und zur außergewöhnlichen Sample-Bearbeitung. Hier habe ich Klänge gehört, die ich tatsächlich so noch nicht gehört hatte. Speziell das Sampling hat mir richtig Spaß gemacht. Da geht was! Ich bezweifle, dass die Granularsynthese die klassisch subtraktive Synthese in meinem oder anderer Setups verdrängen oder überhaupt einen wirklich großen Stellenwert darin einnehmen wird. Sie ist wenig zugänglich und auch schwer vorhersehbar. Nichtsdestotrotz gibt es Felder, wo sie einfach Vorteile ausspielen kann und dort werde ich sie wohl immer wieder zumindest versuchen einzusetzen.

Ein paar Tipps zur Granularsynthese

Ich hoffe, ich konnte ein wenig Licht in die Sache bringen, abschließend noch ein paar Tipps dazu, die ich auf meiner granularen Reise gesammelt habe.

• Je obertonreicher das Ausgangs-Sample ist, desto reichhaltiger ist klarerweise auch das Resultat nach der Synthese.
• Eine längere Grain-Dauer bei sehr hoher Grain-Dichte erzeugt einerseits fast schon einen Reverb, da die Grains dann schon sehr stark ineinandergreifen, andererseits wird der Sound dann auch lauter. Dementsprechend ist es sinnvoll, bei der Lautstärke analog dazu gegenzusteuern, wenn man die Grain-Dauer und -Dichte per Controller oder Modulator regelt.
• Aus ähnlichen Gründen ergibt auch ein schneller Kompressor Sinn, um Spitzen abzufangen, wenn ein Grain plötzlich deutlich mehr Lautstärke hat, was je nach Sample durchaus passieren kann. Generell erzeugt die Granularsynthese, abhängig vom Ausgangs-Sample natürlich, immer wieder Klicks und starke Lautstärkeunterschiede.
• Mit Vocal-Samples lassen sich moderne Stimmeffekte erzielen, speziell wenn man die Abspielgeschwindigkeit verringert oder erhöht. Auch Stutter-Effekte sind schnell erzielt und klingen außergewöhnlich anders als mit herkömmlichen Effekten.
• Wie bei fast allen Sound-Synthesen wird es erst dann spannend, wenn man Modulation ins Spiel bringt. Insbesondere die Modulation von Grain-Dauer und-Dichte sowie Stereo und Pitch-Spread bringen viel Lebendigkeit und interessante Klangfarben und Bewegungen. Eine zufällige Modulation der Locator-Position im Sample wirkt auch Wunder.
• Auch wenn Flächen und Texturen die klassischen Anwendungen für die Granularsynthese sind, lassen sich mit niedrigen Grain-Dichte-Werten auch wunderbar rhythmische Sounds erzeugen.
• Lasst euch nicht davon abschrecken, wenn die ersten Versuche in einer klanglichen Katastrophe enden, zumindest bei mir war zuerst mal Fragezeichen angesagt. Ich habe mich dann durch einige Presets gewühlt, bis ich halbwegs durchblickt habe, was da eigentlich abgeht. Auch diese Synthese will zuerst mal gelernt werden und vor meinem ersten VA-Synth habe ich auch mal ratlos gestanden.

Hier noch ein Video eines sehr haptischen und direkten Granular-Synthesizers, von dem es allerdings nur diesen einen Prototypen gibt.

Dieses Video über das Max4Live Plugin Monolake Granulator für Ableton Live zeigt auch sehr schön die Möglichkeiten der Granularsynthese.