Funktionsweise eines analogen String Ensembles
String Ensembles in der digitalen Emulation
von Robert Sigmuntowski (2009)
Seit einigen Jahren beschäftigt mich die Frage, wie und mit welchen klanglichen Resultaten alte analoge String Ensembles a la "Solina® String", "Crumar® Multiman®", "Hohner/Logan® String Melody®" oder "Farfisa® Soundmaker®" auf digitalem Weg emuliert werden können. Ausgangsüberlegungen waren die Tatsache, dass mich einerseits der Klang dieser vollpolyphonen Analog-Saurier stets fasziniert hat und diese Faszination bis heute ungebrochen ist, andererseits ich aber auch durch das "Wegsterben" der alten, oft aus diskreten Schaltungen aufgebauten Geräte ein "Hinüberretten" dieses charakteristischen Klanges in die "digitale Ewigkeit" für absolut notwendig sehe.
Aus diesen Gründen verfolge ich seit einiger Zeit den Musiksoftware-Markt nach entsprechender Software. Interessant ist, dass die Zahl der virtuellen Umsetzungen dieser Instrumente ansteigt. Es gibt diverse virtuelle String Ensembles als Plugin (meist VSTi) und als Stand-Alone Software, einige Instrumente für Native Instruments® Reaktor® 5.1 sowie reine Emulationen des Choruseffektes; nicht gezählt die Samples diverser String Ensembles auf Samplesätzen und Software-Sampleplayern.
Da es die unterschiedlichsten Legenden über die Klangbildung in einem analogen String Ensemble Synthesizer gibt, erfolgt hier eine kurze und bündige (insiderelektrikertechnisch mit Sicherheit nicht 100%ig korrekte) Erläuterung der Klangerzeugung:
Der Klang entsteht in einem Sägezahnoszillator, welcher je nach Ausstattung des Instruments zuzüglich zum 8'- auch im 16'- und 4'-Bereich erklingen kann. Der Oszillator ist nach Art einer elektronischen Orgel aufgebaut, d.h., es gibt einen Master-Oszillator, von dem aus alle benötigten Frequenzen für alle Tasten des Instruments mittels Frequenzteilerschaltungen abgeleitet werden. Die Klänge des Sägezahnoszillators werden durch eine Chorus-Effekt-Sektion geleitet, welche den berühmten, irgendwo zwischen "seidig", "fett" und "summend" beschreibbaren Klang erzeugt. Die meisten String Ensembles besitzen eine Choruseinheit bestehend aus (mindestens) drei unabhängigen, einzelnen Chorusschaltungen. Das Signal des Sägezahnoszillators wird parallel durch alle drei Chorusschaltungen geschickt und danach wieder zusammengemischt; das Originalsignal ("dry signal") wird dabei völlig ausgeblendet. Die drei Chorusschaltungen laufen mit drei leicht variierten Chorus-Geschwindigkeiten, was in der Zusammenführung der drei mit dem Effekt versehenen Signalen eine extrem lebendige und komplexe Phasenverschiebung bewirkt. I.d.R. besitzen diese Chorus-Effektschaltungen weder eine Feedback- noch eine Delay-Regelung, wie man sie von modernen Choruseffekten kennt; sie sorgen für eine rudimentäre Phasen- und Tonhöhenmodulation, ähnlich dem "Chorus-Vibrato" einer Hammond®-Orgel. Durch den Druck auf eine Taste wird eine VCA-Hüllkurve gestartet, deren Regelung sich allgemein auf je eine variable Attack- und Release-Phase erstreckt. Bis auf das String Ensemble der Marke Solina® verfügen die Ensembles über eine eigenständige Hüllkurve pro angeschlagener Taste. Damit lassen sich weiche oder auch perkussive Ein- und Ausschwingvorgänge realisieren. Meist ist noch ein einfaches Filter zur Höhendämpfung eingebaut, mit dem sich der Klang variieren lässt. Soweit der Aufbau eines String Ensembles; es wird deutlich, dass der wichtigste Baustein dieses Instrumentes die Chorus-Effekt-Sektion ist.
Von Till Kopper kommt eine ausführliche Beschreibung über die elektrotechnischen Vorgänge in einem Chorus Ensemble:
Die Ensemble-Chorus-Schaltung der meisten String Ensembles ist i.d.R. aus zwei LFOs (LFO = Low Frequency Oscillator, ein langsam schwingender Oszillator zur Modulation klangrelevanter Parameter) und drei Delaylines (Delay = elektronisch erzeugtes Echo eines Audiosignals; Delayline = elektronische Baugruppe für den Signalweg durch das Delay) aufgebaut. Die beiden LFOs modulieren dabei die Delays, wobei sich die Verzögerungszeit der Delays in einem sehr kleinen Bereich bewegt. Durch diese Modulation wird eine leichte auf- und abschwingende Tonhöhenänderung des Audiosignals erzielt, welches durch die Delaylines geleitet wird.
Der erste LFO macht eine langsame Schwebung von ca. 0,6 Hz, der zweite schwingt mit etwa 6 Hz. Dabei ist die Amplitude des schnelleren LFOs etwa halb so stark wie die des langsameren. Die beiden LFOs werden nun gleichzeitig als Modulation für die drei Delaylines genommen, wobei die Amplitude der LFOs bei Delayline Nr. 2 vorher um 120 Grad und bei Delayline Nr. 3 um 240 Grad in ihrer Phase gedreht werden.
Die Delays sind mit Hilfe von BBDs (BBD = Bucket Brigade Devices, Eimerkettenspeicher in IC-Technik) realisiert worden. In den BBDs wird eine Art pulsweitenmoduliertes, komprimiertes und frequenzgangangepasstes Audiosignal hineingeschickt und von einem Transistor zum nächsten weitergeleitet. Die Weiterleitung geschieht im kHz-Bereich; der Takt der Weiterleitung wird - wie oben beschrieben - mit LFOs moduliert und damit auch die Delayzeit. Am Ende wird das pulsweitenmodulierte Signal noch einmal im Frequenzgang angepasst, entkomprimiert und entrauscht. Durch diese recht arge Verfälschung des Originalsignals entsteht immerhin der reichlich bekannte, recht dumpfe, aber satte Ensemble-Chorus-Sound.
Leitet man also den Sound eines Sägezahnoszillators durch solch eine Ensemble-Chorus-Schaltung und mischt die Ausgänge der drei Delaylines ohne Anteile des originalen Signals, so erhält man den typischen String-Ensemble-Klang, wie er für die zweite Hälfte der 1970er Jahre typisch war.
Die Firma Elka® führte dieses Verfahren mit ihrem Modell Rhapsody 490® ein; andere Firmen kopierten dies ohne Veränderungen. Andere Hersteller benutzten nur zwei Delaylines. Wiederum andere Firmen wie Solina/Eminent® benutzen eine Art Cross-Modulation der beiden LFOs.
Soweit die Informationen von Till Kopper, dem ich an dieser Stelle herzlichen Dank aussprechen möchte.
Funktionsweise eines analogen String Ensembles
Es folgen einige Klangbeispiele, welche den charakteristischen Klang eines analogen String Ensembles verdeutlichen. (Es wird ein Mediaplayer benötigt, der Audiodateien im Ogg-Vorbis-Format abspielen kann.)
| Choruseffekt Demonstration 1 | Hier wird deutlich, wie der Choruseffekt arbeitet. Dazu wird zwischen dem originalen Signal, langsamen und schnellen Choruseffekt umgeschaltet. | hören |
| Choruseffekt Demonstration 2 | Siehe Choruseffekt Demonstration 1, mit anderen Tönen. | hören |
| Logan® String Melody® Mk I | Der Klang eines Logan® String Melody® Mk I. Dieses Gerät wurde auch von der Firma Hohner® vertrieben; der Hersteller ist aber nach wie vor die italienische Orgelfirma Logan®. | hören |
| Crumar® Multiman S® | Hier der Klang eines anderen italienischen String Ensembles, diesmal von der Firma Crumar®: der Multiman S®. | hören |
| Shine on u | Anhand dieses und des nächsten Beispiels wird der Klang im Arrangement deutlich. | hören |
| Ich bin zwei String | Siehe Shine on u. | hören |
Auf der Homepage von Mark Smart findet sich eine einfache Beschreibung des Chorus Ensemble Effekts, welche durch Soundbeispiele jeder einzelnen der drei Delaylines ergänzt wird. Außerdem verweist er auf einige virtuelle Umsetzungen eines String Ensembles in Form von Patches für Nord Modular® und Reaktor®.
Klangbeispiele zum Solina® String Ensemble der Firma Eminent® sowie Informationen zu dem Instrument finden sich auf der Homepage von Ronald Bos.
An dieser Stelle sei auf eine Art Wiederbelebungsprojekt von Jürgen Haible hingewiesen, der einen "Triple Chorus String Ensemble Emulator" nach analogen Vorbildern konzipiert und in einem ersten Prototypen auch gebaut hat. Die Schaltung weist u.a. ein Chorus Ensemble bestehend aus drei Delaylines mit (inzwischen wieder erhältlichen) BBDs sowie einen Drei-Band-Equalizer auf. Die Klangbeispiele auf Jürgen Haibles Homepage verdeutlichen, wie authentisch dieses Effektgerät im Vergleich mit den alten Vorbildern klingt. Da Jürgen Haible nur privat und zum Eigengebrauch baut und mit seinen Dokumentationen zum Selbstbau anregen möchte, bleibt zu hoffen, dass sich möglichst bald jemand findet, der diese Idee aufgreift und - sei es auch nur in kleiner Stückzahl - ein Chorus Ensemble Effektgerät zur Serienreife (fort)führt.
Nun zur Emulation. Es gibt zwei Arten - die Verwendung von Samples und der Einsatz virtueller Klangerzeugung. Die Verwendung von Samples zum Erzeugen des typischen String-Ensemble-Klanges ist insofern schwierig, als die Phasenlage des Chorus-Effekts bei allen anschlagenen Tasten und deren Tönen unterschiedlich ist - dies widerspricht dem streichenden Klang eines echten String Ensembles, bei dem alle erklingenden Töne durch eine Chorus-Effektsektion geschickt werden und demnach alle dieselbe Phasenlage im Choruseffekt besitzen. Anhand einiger Audiodemonstrationen wird deutlich, wie groß der klangliche Unterschied zwischen dem Chorus-Effekt eines echten und dem eines gesampelten String Ensembles ist (es wird ein Mediaplayer benötigt, der Audiodateien im Ogg-Vorbis-Format abspielen kann):
| String Ensemble mit Viola 8', live gespielt. | hören |
| String Ensemble mit Viola 8', gesampelt. | hören |
| String Ensemble mit Viola 8' und Violin 4', live gespielt. | hören |
| String Ensemble mit Viola 8' und Violin 4', gesampelt. | hören |
| Zum direkten Vergleich: String Ensemble mit Viola 8', zuerst live, dann (nach 10 sec.) gesampelt. | hören |
| Zum direkten Vergleich: String Ensemble mit Viola 8' und Violin 4', zuerst live, dann (nach 10 sec.) gesampelt. | hören |
Insofern kommt für eine realistische Emulation des String-Ensemble-Klanges nur eine virtuelle Umsetzung des elektrischen Aufbaus dieser Klangerzeugung in Frage. Hierbei werden der bzw. die Sägezahnoszillatoren, die Chorus-Effekt-Sektion sowie die Hüllkurven virtuell nachgebildet. Es folgt eine Übersicht der zur Zeit erhältlichen Software-String-Ensembles.
| Hersteller | Software | Link | Charakterisierung | Hörbeispiel |
| Bick Tick® | Cheeze Machine® (Donationware) | Infos | Choruseffekt ziemlich unrealistisch; "eieriger" Klang. | hören |
| Rumpelrausch Täips® | Crazy Diamonds® (Donationware) | Infos | Verwendet Samples als Sägezahngrundsound; Choruseffekt klingt digital. | hören |
| Algo Music® | StringSynth® (Freeware) | Infos | Mit Synthedit geschrieben; guter, recht analoger Klang; keine abschaltbare Anschlagsdynamik. | hören |
| Falke Music Lab® | FalkeLab Stringer® (Freeware)* | Suchfunktion benutzen! | Verwendet Samples von fünf analogen String Ensembles; Grundsound gut, aber aufgrund der unterschiedlichen Phasenlagen der Sounds kein realistischer Choruseffekt. | hören |
| Safwan Matni® | Strings® (Freeware) | Infos | Verwendet Sample eines String Ensemble; Grundsound gut, aber aufgrund der unterschiedlichen Phasenlagen der Sounds kein realistischer Choruseffekt. | hören |
| Musicrow® | Vintage Strings MkIII® (kommerziell) | Infos | Ansprechendes GUI; verschiedene Chorus-Effekte, die aber nach einem "normalen" Chorus klingen, nicht nach einem Ensemble-Effekt. | hören |
| ConcreteFX® | Ensembler® (Freeware)* | Homepage Download |
Sechs verstimmbare Oszillatoren und ein Unisono-Effekt; nicht besonders realistisch im Klang. | |
| Wombat® | Wombat Solina® (Freeware) | Infos | Verwendet Sample eines String Ensemble; Grundsound gut, aber aufgrund der unterschiedlichen Phasenlagen der Sounds kein realistischer Choruseffekt. | hören |
| Native Instruments® | Equinoxe Deluxe® (kommerziell) | Infos | Bestandteil von Reaktor®, daher nicht eigenständig nutzbar; mangels Demo kein Klangvergleich möglich. | |
| Hugo Portillo | Multi Ensemble 5500® (Freeware für User) | Infos | Als Instrument für Reaktor® 5 nicht eigenständig nutzbar, Download als Freeware nur für registrierte User möglich; fast realistischer String Ensemble Sound, nur in den Höhen ein wenig zu brilliant; sehr leistungshungrig; mp3-Soundbeispiel frei downloadbar. | |
| Hugo Portillo | Solina-V String Ensemble® (Freeware für User) | Infos | Als Instrument für Reaktor® 5 nicht eigenständig nutzbar, Download als Freeware nur für registrierte User möglich; sehr realistische Emulation eines Solina® String Ensembles samt Phaser und Delay mit ansprechendem GUI; mp3-Soundbeispiel frei downloadbar. | |
| Sonicprojects® | Stringer® (kommerziell) | Infos | Verwendet Samples dreier verschiedener String Ensembles; Demo nur eingeschränkt nutzbar; die ausgewählten Samples der Originalinstrumente sind m.E. ungenügend für das, was die Instrumente herzugeben in der Lage sind; aufgrund der unterschiedlichen Phasenlagen der Sounds kein realistischer Choruseffekt. | |
| GMedia Music® | Virtual String Machine® (kommerziell) | Infos | Verwendet Samples von 17 verschiedenen String Ensembles und polyphonen Analogsynthesizern; ein Demo gibt es nicht, dafür aber Soundbeispiele. Einschätzung nach eigener Verwendung der Software: aufgrund der unterschiedlichen Phasenlagen der (gesampelten) Sounds ergibt sich kein realistischer Choruseffekt; die Samples des Logan® String Melody® klingen nach einem gesampelten Gerät mit Defekt in der Chorus-Ensemble-Schaltung (nur schnelles Frequenzvibrato anstelle eines Ensembleeffektes). | |
| Nekosynth® | Nekostring® (Open Source) | Infos | Virtuelles String Ensemble für Linux. Konnte nicht getestet werden, da die softwaretechnischen Bedingungen nicht gegeben waren. Die Soundbeispiele klingen aber gut. Virtuelle Emulation des Choruseffektes, keine Samples. | |
| Scarbee® | Vintage Keyboard FX® (kommerziell) | Infos | Nur der Choruseffekt; Choruseffekt ziemlich realistisch; in Verbindung mit virtuellem Sägezahnoszillator Emulation möglich. | |
| Bristol Audio Developments® | ARP Solina String Ensemble® (Open Source) | Infos | Virtuelles String Ensemble für Linux. Konnte nicht getestet werden, da die softwaretechnischen Bedingungen nicht gegeben waren. Keine Soundbeispiele, nur eine Darstellung der Benutzeroberfläche. | |
| Uritone® | ARPTone VST® (kommerziell) | Infos | VST-Plugin mit einer virtuellen Umsetzung eines Solina® String Ensembles. Konnte nicht getestet werden, da es kein Demo gibt. Das Soundbeispiel ist nicht besonders aussagekräftig, da dauernd ein Phaser zugeschaltet ist. | |
| Nomad Factory® | Analog Strings Station® (kommerziell) | Infos | VST-Plugin mit einer virtuellen Umsetzung eines Solina® String Ensembles. Wird seit geraumer Zeit auf der Homepage des Entwicklers angekündigt, konnte aber mangels Soundbeispiele oder Demo nicht getestet werden. | |
| WOK® | StringChorus® (Donationware) | Infos | VST-Plugin mit einer virtuellen Umsetzung eines String Ensemble Chorus Effekts. Der Klang kommt dem eines originalen Ensemble Chorus ziemlich nah; der Effekt neigt aber zum "overacting" bei hochfrequenten Ausgangssignalen. Die Benutzeroberfläche im "Vintage Look" ist ansprechend gestaltet. Z.Z. das einzige mir bekannte VST-Plugin für diesen speziellen Ensemble Chorus. | |
| Krakli® | S3® (Freeware) | Infos | Ensemble-Sound wird durch verstimmte Oszillatoren gebildet; der zuschaltbare Ensemble-Effekt ist ein Chorus; kein besonders realistischer Klang | hören |
| Robert Sigmuntowski | CombiString® (Freeware) | Infos | Eigene Umsetzung eines String Ensembles als Combinator-Patch für Propellerheads® Reason®. | hören |
| NUSofting® | Strings Dream Synthesizer® (kommerziell) | Infos | Das GUI sieht sehr ansprechend aus. Der Klang entspricht dem eines Solina® String. Außer den Violins und Violas können auch die anderen Presets eines Solina® String gespielt werden. Sehr genaue Umsetzung des Klangcharakters. | hören |
| Loomer® | Loomer String® (kommerziell) | Infos | Der Klang ist recht realistisch und ähnelt dem eines Solina®. Die Audiobeispiele sind nicht allzu aussagekräftig, zumal das Instrument in Stereo erklingt und in Verbindung mit dem Chorus Ensemble ein Phaser zu hören ist. Die GUI erinnert an Oberflächen für Instrumente, die mit SynthEdit® geschrieben wurden. | |
| FXpansion® | Synth Squad Amber® (kommerziell) | Infos | Ein Softwarepaket mit drei virtuellen Synthesizern. Das Instrument Amber ist die virtuelle Umsetzung eines String Ensembles mit drei verschiedenen Chorus-Ensemble-Schaltungen. Nach Herstelleraussage sind die Ensemble-Effekte nach ARP® Omni II®, Korg® Polysix® und Roland® Juno 106® modelliert. | hören |
* Software wird vom Hersteller nicht mehr offiziell unterstützt.
Testet man als aufmerksamer Hörer diese Softwareangebote und kennt man den Klang der originalen Instrumente, wird deutlich, dass es recht schwierig scheint, den Klang analoger String Ensembles auf digitalem Weg realistisch zu emulieren.
Die Schwierigkeit liegt offensichtlich in der digitalen Nachbildung der Chorus-Effektsektion. Klangliche Unterschiede zwischen analogem und digitalem Chorus sind von vorn herein hörbar: während ein analoger Chorus stark in den Höhen dämpft, einen satten und "fetten" Grundklang liefert (und meist zum starken Rauschen neigt), klingt ein digitaler Chorus kristallklar bis in die Höhen, dafür insgesamt und im Vergleich mit analogen Choruseffekten meist zu dünn. Dazu kommt, dass die Choruseinheiten in den alten String Ensembles auf Speicherbausteinen der Marke "Eimerkettenspeicher" (engl. "bucket brigade devices") aufbauen, deren analogen Unzulänglichkeiten sich unweigerlich in einem modellspezifischen Klang äußern. Will man also ein String Ensemble digital auf virtueller Basis emulieren, muss folglich der Hauptaugenmerk auf einer möglichst "analog" klingenden Chorus-Effektsektion liegen.
Als Benutzer der Software Reason® von Propellerhead® habe ich mich längere Zeit damit beschäftigt, ein virtuelles String Ensemble zu erstellen, dessen Grundklang möglichst authentisch analog wirkt. Dieses als "Combinator Patch" konzipierte String Ensemble wird kontinuierlich weiterentwickelt; derzeit (12.12.2008) ist ein gewisser Endpunkt in der Entwicklung erreicht. Weitere Entwicklungen könnten beispielsweise eine Chor-Emulation auf Basis eines String-Klanges (ähnlich dem String Ensemble/Vocoder-Synthesizer Roland® VP-330) beinhalten. Der Klang ist denen eines Crumar® Multiman S® und Solina® String nachempfunden, wobei die beiden unterschiedlichen Klangcharakter in erster Linie durch Filterungen der Oszillatoren-Wellenformen entstehen. Um den bekannten String-Ensemble-Effekt zu erzielen, war eine aufwendige Parametereinstellung der drei Chorus-Effekte nötig, die in diesem Reason®-Instrument "arbeiten". Der Aufbau sieht wie folgt aus: drei Oszillatoren (je ein 99-stimmig polyphoner Sägezahnoszillator in 8'- und 4'-Lage sowie ein monophoner Bass-Sound-Rechteckoszillator in 16'-Lage) werden zusammengemischt (der 4'-Oszillator lässt sich zuschalten) und durch einen schaltbaren Equalizer geschickt, der für zwei verschiedene Klangcharakteristiken sorgt. Dieses Signal läuft durch die dreigeteilte, parallel angelegte Chorussektion und wird danach durch einen leichten Verzerrer und einen zweiten Equalizer geschickt, welche beide den Klangcharakter analoger Chorusschaltungen simulieren (leichtes Anzerren sowie Dämpfung in den Höhen und ausgeprägte Resonanzfrequenzen). Regelbar sind die Attack- und Release-Zeit der Oszillatoren, die Lautstärke des 16'-Rechteckbasses und der Strings, die Funktion der Ensemble-Schaltung (entweder der "rohe" Sägezahnklang oder der String-Klang) sowie eine Stereo-Funktion, bei der die drei Chorussignale nach links, in die Mitte und nach rechts gepant werden. Der 4'-Oszillator lässt sich zu- und die Klangcharakteristik umschalten. Zwei Klangbeispiele zeigen, wie "analog" dieses von mir entwickelte virtuelle String Ensemble in Propellerheads® Reason® klingt. Das erste Klangbeispiel ist noch aus der früheren Entwicklungsphase des Instruments und kann hier gehört werden. Ein aktuelleres Beispiel ist dieses hier und demonstriert den Klang mit zusätzlichem Phaser und Delay. Es wird ein Mediaplayer benötigt, der Audiodateien im Ogg-Vorbis-Format abspielen kann. Des weiteren ist das Stück "The golden moon steals the sheep" unter Verwendung dieses Ensembles eingespielt worden; dieses Stück kann hier gehört werden. Downloadmöglichkeit für das String Ensemble findet sich hier.
String Ensemble in Propellerheads® Reason®
Ziel ist es, mit Hilfe adäquater Entwicklungssoftware ein String Ensemble auf digitalem Weg als Stand-Alone oder VSTi zu erstellen, welches (ohne Verwendung von Samples) den Klang analoger Ensembles so authentisch reproduzieren kann, dass ein A/B-Vergleich mit originalen Instrumenten keinen Unterschied zeigt. Wünschenswert wäre auch eine Emulation verschiedener Originalinstrumente als umschaltbare Patches in einer Software.