Was ist Vocoder?

Der Vocoder wurde in den 1920er Jahren für Kommunikations- und Kommunikationszwecke erfunden. Sein wahrer Zweck wurde jedoch in der elektronischen Musik entdeckt, wo es zu einem Schlüsselwerkzeug für die Erzeugung von Roboterstimmen wurde. Fast hundert Jahre nach seinem Erscheinen wird der Vocoder in der Musikindustrie aktiv eingesetzt, aber nicht jeder weiß, wie dieses einzigartige Instrument funktioniert und wie man es benutzt. In diesem Text erfahren Sie, wie der Zweite Weltkrieg Sprachsynthesizer populär machte, wie der Vocoder funktioniert und wie man ihn richtig einsetzt.

Die Entwicklung des Vocoders begann 1928 durch die Arbeit eines Ingenieurs namens Homer Dudley in den Bell Labs. Ende der 1930er Jahre war das endgültige Ergebnis erreicht, und im November 1937 erhielt Dudley das erste Patent für seine Erfindung und 1939 das zweite. Dudleys Hauptidee bestand darin, den menschlichen Sprachapparat mithilfe von Elektronik nachzubilden. Mithilfe elektronischer Komponenten und Effekte versuchte der Ingenieur, die Funktionsweise der menschlichen Sprachorgane so genau wie möglich nachzuahmen und die Geräusche zu reproduzieren, die beim Durchgang von Luft durch verschiedene Teile des menschlichen Körpers, wie die Lunge und andere Organe, entstehen.

Im Jahr 1939 demonstrierte Bell Labs der Öffentlichkeit in einer Reihe von Demonstrationen in New York und San Francisco ein Sprachsynthesegerät namens VODER (Voice Operating Demonstrator). Das Gerät verfügte über ein Paar umschaltbarer Oszillatoren und einen Rauschgenerator als Audioquelle. Ein spezieller Gesangspfad bestehend aus Zehnbandfiltern war mit einer anschlagdynamischen Tastatur verbunden, die die Intensität der Filterung steuerte. Die Tonhöhe wurde mit einem Fußpedal verändert. Zusätzliche Tasten waren für die Erzeugung der Buchstaben „P“, „D“, „J“ sowie der Lautkombinationen „JAW“ und „CH“ verantwortlich.

VODER war ein komplexes Gerät, dessen Verwendung eine spezielle Schulung und eine mehrmonatige Schulung erforderte. Für die täglichen Vorführungen schulte Bell Labs speziell 20 Personen, die abwechselnd allen Interessierten das neue Produkt vorstellten. Während der Demonstration sagte VODER den Satz „Guten Tag, Radiopublikum!“

1949 wurde der Sprachkonverter KO-6 entwickelt, der Sprache und Informationen mit einer Rate von 1200 Bit pro Sekunde kodierte. 1953 erschien ein weiterer Vocoder, der KY-9 THESEUS, der nicht nur die Verarbeitungsgeschwindigkeit auf 1650 Bit pro Sekunde erhöhte, sondern auch andere Komponenten verwendete. Dank der veränderten Materialien konnte das Gewicht des Vocoders von 55 Tonnen bei SIGSALY auf 256 Kilogramm bei KY-9 reduziert werden. Mit der Veröffentlichung des HY-2-Konverters im Jahr 1961 gelang es schließlich, das Gewicht des Vocoders auf 45 Kilogramm zu reduzieren und gleichzeitig die Kodierungsgeschwindigkeit auf 2400 Bit pro Sekunde zu erhöhen. Der HY-2 war der letzte industrielle Vocoder, der in sicheren Kommunikationssystemen eingesetzt wurde, während das Instrument im Verbraucherbereich verblieb.

1948 veröffentlichte der deutsche Wissenschaftler Werner Mayer-Eppler, der sich besonders für Stimmsynthese interessierte, eine Dissertation über Sprachsynthese und elektronische Musik aus der Sicht der Klangsynthese. Sein Wissen spielte später eine wichtige Rolle bei der Gründung des Elektronischen Musikstudios des Westdeutschen Rundfunks (WDR) in Köln im Jahr 1951.

Der erste Einsatz eines Vocoders zum Erstellen von Musik erfolgte 1959, ebenfalls in Deutschland. Zwischen 1956 und 1959 entwickelte Siemens den Siemens-Synthesizer, der Töne in Sprache umwandeln konnte. Im Jahr 1968 entwickelte Robert Moog, Gründer der Firma Moog, einen der ersten Vocoder, der speziell für den Einsatz in der Musikindustrie konzipiert war. Dieser Vocoder wurde von der University at Buffalo in Auftrag gegeben.

Seitdem hat sich die Geschichte des Vocoders von selbst weiterentwickelt und er ist in allen Audio- und Videobereichen weit verbreitet. Der breiten Öffentlichkeit wurde das Instrument durch die Gruppe Kraftwerk bekannt, die eigenständig einen Vocoder für ihre Experimente zusammenstellte und ihn seit ihrer Gründung im Jahr 1970 nutzte. Das bekannteste und beliebteste Beispiel für den Einsatz eines Vocoders war das Kraftwerk-Album „Trans-Europe Express“. “, das wir in einer Rezension ungewöhnlicher Musikinstrumente deutscher Elektronikkünstler ausführlich untersucht haben.

Wie funktioniert ein Vocoder?

Es ist besser, zwei Signale als eines zu verwenden. Für den Betrieb des Vocoders sind zwei Tonquellen erforderlich:

1. Betreiber: erstes Tonsignal;
2. Modulator: ein Signal mit unterschiedlichen harmonischen Eigenschaften, die den Klang des Bedieners bestimmen.

Der Ton durchläuft eine spezielle „Filterbank“, die das Modulatorsignal analysiert, es in Frequenzbänder unterteilt und auf jedes Band einen Filter anwendet. Filter werden immer so eingestellt, dass der Grenzpunkt genau in der Mitte jedes Bereichs im Modulatorsignal liegt. Unabhängig von der Schnittdichte wird das Signal innerhalb jedes Bereichs in der Mitte gefiltert.

Anschließend wird das Operatorsignal dem Modulator zugeführt, der alle Filter durchläuft. Der Vocoder passt den Cutoff-Punkt jedes Filters abhängig von den Harmonischen und Obertönen im Modulatorsignal an.

Um das Funktionsprinzip eines Vocoders zu verstehen, können wir eine Analogie zur menschlichen Stimme ziehen. Der Klang der Stimme wird durch die Signale von Operatoren und Modulatoren geformt. Wenn wir Wörter aussprechen, strömt ein Luftstrom durch die Stimmbänder und erzeugt so den ursprünglichen Signaloperator. Gleichzeitig vibrieren andere Teile des Stimmapparats und erzeugen ein Modulatorsignal. Diese Eigenschaften wirken sich direkt auf den Klang der Stimme aus.

Ein Vocoder funktioniert auf ähnliche Weise: Er verändert das Originalsignal aufgrund der Eigenschaften des Zusatzsignals.

Jedes Audiosignal kann ein Operator oder ein Modulator sein. Produzenten verwenden häufig synthetisierte Klänge als Operatoren und die Stimme als Modulator. Ein Beispiel für den Einsatz eines Vocoders in der Musik ist der Titel „Trans-Europe Express“ von Kraftwerk. Der Operator ist das Synthesizersignal und der Modulator ist gewöhnliche Sprache.

Eine experimentellere Verwendung des Vocoders ist im Titel „Nightcall“ von Kavinsky zu sehen. Dieser Effekt kann mit iZotope VocalSynth nachgebildet werden, indem der Patch so eingestellt wird, dass er Akkorde aus zwei Schallwellen und weißem Rauschen als Operator erzeugt, moduliert durch die Stimme.

So verwenden Sie einen Vocoder

Damit ein Vocoder so beeindruckend klingt wie viele kommerzielle Aufnahmen, muss der Signalbetreiber über viele Obertöne verfügen. Je reichhaltiger und vielfältiger der Operator ist, desto stärker ist die Wirkung des Modulators.

Es ist am besten, mit Patches zu experimentieren, die die Sägezahn-Wellenform verwenden oder darauf basieren. Rampenwellensignale sind typischerweise immer satter als Dreiecks- oder Sinuswellen. Es empfiehlt sich auch, das Operatorsignal zu komprimieren oder zu sättigen, bevor es in den Vocoder eingespeist wird. Dadurch wird der Effekt des Signals hervorgehoben, das die Filterbank passiert.

Der Stimme als Modulator bedarf besondere Aufmerksamkeit. Beim Schreiben von Wörtern sollten Sie sehr klar und präzise sein und jeden Laut betonen. Egal welchen Stimmtyp Sie haben, es ist wichtig, dass die Artikulation ausgeprägt ist. Es sind die Präzision und Klarheit, die den charakteristischen Vocoder-Effekt erzeugen, der einer Roboterstimme verleiht. Beachten Sie, wie in Kavinskys „Nightcall“ jedes Wort klar und langsam ausgesprochen wird. Bei der Arbeit mit einem Vocoder ist es wichtig, die Artikulation zu überwachen, um Verzerrungen zu vermeiden.

Bei der Verwendung eines Vocoders ist die Stimmhöhe nicht so wichtig. Konzentrieren Sie sich auf andere Merkmale der Stimme: Klangfarbe, Tiefe, Klarheit und Definition. Anstatt mit dem Tonumfang zu experimentieren, ist es besser, an Ausdruck und Intonation zu arbeiten.

Welche Parameter steuern den Betrieb des Vocoders?

Sowohl Hardware- als auch Software-Vocoder (VST) verfügen normalerweise über ähnliche Parameter. In den meisten Fällen sind ihre Einstellungen ähnlich: Obwohl die Namen der Bedienelemente und Parameter je nach Hersteller variieren können, bleibt ihr Wesen in etwa gleich.

Anzahl der Bänder

Der Bands-Regler steuert, wie das Audiosignal in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt wird. Die Stellung dieses Reglers bestimmt, in wie viele Teile das Modulatorsignal aufgeteilt wird. Im Gegensatz zu Software-Vocoders und Plug-Ins ist bei älteren Geräten die Anzahl der Frequenzbereiche, in die das Signal unterteilt werden kann, begrenzt. Um einen traditionellen Robotersound ähnlich dem Kraftwerk-Stil zu erzeugen, wird empfohlen, den Bands-Parameter im Bereich von 8 bis 12 Werten einzustellen.

Frequenzbereich

Dieser Parameter bestimmt den Frequenzbereich, der im Signalverarbeitungsprozess des Bedieners verwendet wird. Beim Betrieb des Vocoders werden nur Frequenzen innerhalb dieses angegebenen Intervalls berücksichtigt, der Rest wird ignoriert. Um die Audioklarheit zu verbessern, wird empfohlen, die Obergrenze auf über 5 kHz einzustellen.

Formant

Einige Vocoder-Modelle verfügen über eine Formant-Anpassungsfunktion, die oft als „Shift“ bezeichnet wird. Mit dieser Option kann der Benutzer die Breite oder Schmalheit der Bänder ändern, um das Audio zu filtern. Durch Erhöhen der Formanten wird das verarbeitete Signal heller, durch Reduzieren wird das verarbeitete Signal dunkler und tiefer.

Typischerweise wird die Formantanpassung verwendet, um den Vocoder an weibliche oder männliche Stimmen anzupassen, wobei die Verschiebung die Roboterstimme weiblicher oder maskuliner macht. Einige Vocoder-Modelle verfügen anstelle der Anpassung der Formanten über einen „Gender“-Parameter, mit dem Sie das Geschlecht der resultierenden Stimme anpassen können.

Stimmlos

Die menschliche Sprache wird in jeder Sprache immer von sogenannten Plosivlauten begleitet. Ein explosives Geräusch entsteht in dem Moment, in dem es zum Aussprechen notwendig ist, einen Luftstrom durch geschlossene Lippen zu leiten, beispielsweise beim Aussprechen der Buchstaben „P“ und „B“. Plosive sind keine Stimmlaute und werden daher oft als stimmlose Laute bezeichnet.

Nicht-stimmliche Klänge haben keine bestimmte Tonhöhe und sind Geräusche über den gesamten Frequenzbereich, die der Vocoder ignoriert. Aber Sie sollten sich nicht über den Ausschluss solcher Geräusche freuen: Stellen Sie sich vor, wie vertraute Wörter ohne die Buchstaben „P“ und „B“ („gewohnheitsmäßig“ – „reich“, „problem“ – „rolema“) klingen.

Um zu verhindern, dass dem Vocoder Plosivtöne entgehen und Buchstaben in Wörtern „verschluckt“ werden, fügen die Hersteller dem Einstellungsbereich einen speziellen Parameter „Unvoiced“ hinzu. Dieser Regler ist mit einem Rauschgenerator verbunden, der Mängel in der Funktionsweise des Vocoders korrigiert: Je weiter am Parameter gedreht wird, desto stärker ist die Korrektur. Der Rauschgenerator reproduziert ein Signal mit einer Schallwellenform, die dem Bedienersignal ähnelt. Alle Tonhöhen- und Übergangsplosive bleiben im Signal erhalten, Buchstaben in Wörtern bleiben erhalten und Sprache klingt nach dem Vocoder korrekt.