Meta Timbre Space

Schon seit Stumpf (Stumpf 1890) und spätestens seit Licklider (Licklider 1951) ist die Multidimensionalität des Phänomens Klangfarbe bekannt. Aus der Fülle der verschiedenen Ansätze (Köhler 1909; Schmumann 1929; Albersheim 1939; Bismarck 1972) haben sich nach einer grundlegenden Studie von Grey (1975) die Timbre Spaces (TS) zur Klang­farben­beschreibung durch­gesetzt. In diesen sind die klangfarblichen Merkmale von Musikinstrumenten entlang der Raumachsen angeordnet. Dabei haben sich mit der spektralen (Schärfe bzw. Spectral centroid) sowie zeitlichen Makrostruktur (Einschwing­vorgang, bzw. Hüllkurve) vor allem zwei Parameter als Standarddimensionen der Klangfarbe durchgesetzt (Caclin et al. 2005). Aufgrund ihrer Anschaulichkeit und Plastizität sind sie in den meisten Lehrbüchern der musikalischen Akustik und Systematischen Musikwissenschaft zu einem festen Bestandteil der Klangfarbendefinition geworden.

Da die meisten Studien jedoch auf (re-)synthetisierte Klänge jeweils gleicher Tonhöhe, Lautheit und perzeptiver Dauer reduziert sind, liegt der Schluss nahe, dass sich das Klangmaterial von Studie zu Studie stark unterscheidet. Auch bezüglich der Klangfarbendimensionen weichen die TS zum Teil voneinander ab.

Die Ergebnisse zeigen, daß TS in dieser Form weder vergleichbar noch verallgemeinerbar und im Bezug auf die Wahrnehmung von Klangfarben nur sehr bedingt aussagekräftig sind. Es ist erstaunlich, dass trotz zum Teil identischer Stimuli so unterschiedliche Ergebnisse vorliegen. Mögliche Erklä­rungen sind v.a. Abweichungen in der Beurteilung durch die Versuchs­personen, unter Umständen bedingt durch diver­gente Abhör­bedingungen, sowie das synthetische, jeweils in Tonhöhe, Lautheit und Dauer synchronisierte Klangmaterial.

Empirischer Meta Timbre Space

Wenn TS generell aussagekräftige Ergebnisse über die Ähnlichkeit von Instrumentalklangfarben liefern können, müssten gleiche Instrumente in jeder Studie in mehr oder weniger ähnlichen Regionen angesiedelt sein.

Basierend auf den gefundenen Unterschieden und vor dem Hintergrund der trotz der gleichen getesteten Instrumente sehr unterschiedlichen Testklänge, stellt sich nun die Frage, ob ein mit den Stimuli der verglichenen Studien empirisch ermittelter Meta Timbre Space ebenfalls ein heterogenes Bild zeichnet oder sich mit den Aussagen der einzelnen Studien in Einklang bringen lässt. Oder anders gefragt: Welchen Einfluss hat das verwendete Stimulusmaterial auf die Vergleichbarkeit und Allgemeingültigkeit von Timbre Spaces?

Folgende sieben Instrumente wurden getestet: Englischhorn, Fagott, Klarinette, Posaune, Streicher (Celli), Trompete, Waldhorn. Die verwendeten 24 Klänge waren die Original­stimuli aus den schon zuvor verglichenen Studien von Grey 1975 (mit 3 Celli und 2 Klarinetten insg. 10 Klänge) und Krumhansl 1989 (7 Klänge; McAdams et alii (1995) verwendeten dieselben Stimuli wie Krumhansl), sowie reale Instrumentalaufnahmen (7 Klänge), die dankenswerterweise von der Vienna Symphonic Library (VSL) zur Verfügung gestellt wurden. Die Tonhöhe der Stimuli war das eingestrichene Es (es', ca. 313 Hz).
Insgesamt nahmen 35 Vpn (w = 15; 19–72 Jahre, Ø = 30,9, SD = 13,3) an der Studie teil, wovon 24 Musiker, acht ehemals musikalisch aktiv und drei Nichtmusiker waren (Ø = 19,6 Jahre Erfahrung, SD = 14,2).

Ergebnisse

Es bestätigt sich das inkonsistente Bild des zuvor angestellten Vergleichs. Anstatt der zu erwartenden Instrumentencluster bilden sich klare Stimuli-Set-Cluster heraus. D.h. die innerhalb einer Studie verwendeten Stimuli sind sich klangfarblich untereinander ähnlicher als die gleichen Instrumente von Studie zu Studie. Dies ist im MTS daran erkennbar, dass sich die Klänge der Studie von Grey (GRY) ausschließlich in der rechten Bildhälfte finden, während die Klänge von Krumhansl/ McAdams et al. (KRH) überwiegend links verortet sind. Die natürlichen Instrumentenklänge (VSL) sind dagegen im gesamten Raum verteilt.

Vergleiche in verschiedenen Tonhöhen und Dynamikstufen

Viele Studien fanden übereinstimmend die gleichen Klangfarbenparameter (Schärfe, Einschwingzeit). Allerdings wurden Musikinstrumente in den meisten Studien auf jeweils einen einzigen Ton reduziert, sodass die Klangfarbenparameter folglich an Einzelklängen und nicht an Musikinstrumenten ermittelt wurden.

Studien mit mehr als einem Ton pro Instrument legen die Vermutung nahe, dass der virtuelle Raum in diesem Fall durch andere Klangparameter erklärt werden muss u.a. (Marozeau et al. 2003; Handel & Erickson 2004). Die Frage der hier vorgestellten Studie lautet demzufolge: Welche Klangeigenschaften sind die physikalischen Korrelate der Dimensionen eines perzeptiven Klangarbenraums? D.h. welche Klangparameter sind geeignet, die perzeptive Klangverteilung im virtuellen Raum auch physikalisch zu erklären? Darüber hinaus, mit Blick auf die Tatsache, dass auch hier nur Einzelklänge untersucht wurden, stellt sich folgende Frage: Welche dieser Klangparameter sind mitbestimmend für den Eindruck bzw. die Unterscheidung von Instrumentalklangfarben?

Im Hörversuch (Paarvergleich) wurden die subjektiven Unterschiede der verwendeten Instrumentalklänge ermittelt. Diese wurden in Unähnlichkeitsmatrizen gespeichert, welche anhand einer Ähnlichkeits­struktur­analyse (Multi­dimen­sionale Skalierung, MDS) in eine räumliche Darstellung übertragen wurden. Zudem wurden die Klänge mithilfe der Möglichkeiten des Music Information Retrieval (MIR) auf ihre physikalischen Eigenschaften hin analysiert. Im MIR werden die Ausprägungen der verschiedenen Eigenschaften (Deskriptoren) der Klänge in numerischen Werten ausgedrückt. Um Zusammenhänge zwischen den Dimen­sionen des perzeptiven Raumes und den Deskriptoren offenzulegen, wurden die Korrelationen zwischen den Koordinatenvektoren der Raumdimensionen und der Wertetabellen der Deskriptoren berechnet

Die Darstellung der Klangspektrogramme bzw. Wellenform entlang der einzelnen Dimensionen macht nicht nur die rechnerisch bereits gefunden Zusammenhänge sichtbar, sondern zeigt darüber Hinaus Beziehungen, die nicht durch geeignete Deskriptoren erfasst wurden. Dimension 1 ist erneut eindeutig als Dimension der Tonhöhe identifizierbar. Die Verschiebung spektraler Energieanteile zu höheren Frequenzen entlang Dimension 2 ist erkennbar. Die negative Korrelation von Dimension 3 und der gemessenen Einschwingdauer wird nicht nur in der abfallenden Tendenz der Werte im Plot deutlich, sondern zeigt sich auch Anhand der Wellenformen, wo rechts tendenziell steilere Flanken erkennbar sind als links. Der mit freiem Auge erkennbare Zusammenhang ist deutlicher als der statistische, da die „First Attack Time“ nur den Anstieg bis zum ersten Peak misst und daher für Unregelmäßigkeiten anfällig ist (vgl. z.B. VC_E4_ff oder KL_E5_ff).
Dimension 4 zeigt nur statistisch insignifikante Zusammenhänge mit den verwendeten Deskriptoren. Bei ausführlicher Inspektion der Spektrogramme, vor allem aber beim Abhören der Klänge in der entsprechenden Reihenfolge, zeigt sich, dass die begleitenden Nebengeräusche, also Rauschanteile wie Anblas- bzw. Bogenstrichgeräusche, entlang Dimension 4 tendenziell dominanter werden.

Vergleich multitonaler Stimuli

Obwohl die Verwendung realer Klänge im Vergleich zu (re-)synthetisierten Klängen einen Fortschritt bedeutet, bleibt der isolierte Klang ein musikalisch unübliches Szenario. Im gebundenen Spiel verändern sich die Eigenschaften: Transienten verlieren an Bedeutung, während spektrale Konstanten (z.B. Formanten), die über mehrere Töne deutlicher hervortreten, an Einfluss gewinnen. Hinzu kommen bei Einzelklängen nicht auftretende, typische Spielgeräusche wie z.B. Griff-, Klappen-, und Atemgeräusche, wobei diese stark situationsabhängig sind. Während sie im intimeren Solo- bzw. Ensemblespiel mitunter deutlich hörbar sein können, verlieren sie bei größerer Stimmbesetzung und orchesterüblichen Entfernungen (zum Publikum) relativ schnell an Bedeutung.

Im Hörexperiment wurde anhand kurzer Tonfolgen der Einfluss instrumententypischer Faktoren in den Vordergrund gerückt und untersucht, ob die perzeptive Identität von Musikinstrumenten bereits auf psychoakustischer Ebene entsteht. Hierdurch sollte die Tonhöhe als relevanter Einflussfaktor der Klangfarbe zwar erhalten bleiben, ihr Einfluss auf die subjektive Ähnlichkeit jedoch reduziert werden.

Die Verbindung mehrerer Töne zu einem Stimulus soll den Fokus weg von einzelklangbestimmenden Merkmalen hin zu klangverbindenden/instrumententypischen Merkmalen lenken. Als Stimuli werden arpeggierte vollverminderte Vierklänge verwendet. Jedes der getesteten Instrumente (Cello, Fagott, Flöte, Klarinette, Posaune) wird durch zwei Akkorde, jeweils im tieferen und höheren Bereich seines üblichen Tonumfangs abgebildet. Vollverminderte Akkorde wurden gewählt, da: (1.) sie harmonisch uneindeutig/vielseitig sind, wodurch der Einfluss von Harmonie- und Chromaeffekten minimiert werden soll und (2.) kleine Terzen noch den üblichen Intervallen entsprechen, die auf allen Instrumenten gegriffen werden können.

In einer weiteren Studie wurde der Frage nachgegangen, inwieweit die Entstehung der perzeptiven Identität von Musikinstrumenten durch psychoakustische Merkmale gebildet bzw. behindert wird. Zudem sollte festgestellt werden, inwiefern die Präzision des Konzepts „Musikinstrument“ eine erlernte und überdies (musik-)kompetenzabhängige Fähigkeit ist.

In einer Gruppierungsaufgabe sollten Klänge verschiedener Orchesterinstrumente gemäß ihrer Instrumenten­zugehörig­keit sortiert werden. Aus den Daten wurden individuelle Grauwerte­matrizen und daraus wiederum eine Ähnlichkeitsmatrix erstellt, die als Grundlage für die weitere Auswertung diente. Die Datenstruktur wurde mittels Clusteranalyse und multi­dimen­sionaler Skalierung (MDS) sowie deskriptiver Statistik analysiert.

Aus insgesamt 107 Teilnahmen konnten 41 verwendbare Datensätze gewonnen werden. Von diesen 41 Versuchspersonen (Vpn) im Alter von 19–78 Jahren (Ø = 42,7; SD = 16,9; w/m/d = 21/16/4) waren 26 Personen aktuell bzw. 7 ehemals musikalisch aktiv (Musiker(innen) = M; 3–50 Jahre Erfahrung; Ø = 20,1; SD = 11,5). Lediglich 8 Personen gaben an, nie musikalisch aktiv gewesen zu sein (Nichtmusiker(innen) = NM). Der Versuch wurde über ein eigens dafür entwickeltes Interface durchgeführt. Die Art des Abspielgeräts (Kopfhörer, Boxen, Ohrhörer, integrierte Lautsprecher) wurde erhoben, hatte allerdings keinerlei erkennbaren Einfluss auf die Daten.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die aus bekannten, auf psychoakustischen Ähnlichkeiten beruhenden Hörexperimenten gewohnten Zuordnungsschwierigkeiten nicht erkennbar sind. Die urteilsbasierten Cluster bilden die verglichenen Musikinstrumente insgesamt überraschend gut ab. Da die Versuchteilnehmer(innen) in dieser Studie explizit zu Ähn­lichkeits­urteilen vor dem Hintergrund der Instrumenten­zugehörigkeit aufgerufen waren, liegt der Schluss nahe, dass vorhandene, erlernte mentale Konzepte von Musikinstrumenten, sofern aktiviert, die Bewertung von Instrumentalklängen beeinflussen bzw. dass die Identität von Musikinstrumenten nicht allein auf psychoakustischen Klangeigenschaften basiert.

Literaturverzeichnis

Albersheim, Gerhard 1939. Zur Psychologie der Ton- und Klangeigenschaften. Unter Berücksichtigung der „Zweikomponententheorie“ und der Vokalsystematik. Straßburg (FR) [u.a.], Heitz & Co.

Bismarck, Gottfried von 1972. Extraktion und Messung von Merkmalen der Klangfarbenwahrnehmung stationärer Schalle. In: Mitteilung aus dem Sonderforschungsbereich 50 „Kybernetik“. München (DE).

Caclin, Anne; McAdams, Stephen; Smith, Bennett K.; Winsberg, Suzanne 2005. Acoustic correlates of timbre space dimensions. A confirmatory study using synthetic tones. In: JASA. Ausg. 118(1), S. 471–482.

Grey, John M. 1975. An exploration of musical timbre using computer-based techniques for analysis, synthesis and perceptual scaling. Stanford University, Center for Computer Research in Music and Acoustics, Report No. STAN-M-2.

Handel, Stephen; Erickson, Molly L. 2004. Sound Source Identification. The Possible Role of Timbre Transformations. In: Music Perception. Ausg. 21(4), S. 587–610.

Köhler, Wolfgang 1909. Akustische Untersuchungen I. In: Beiträge zur Akustik und Musikwissenschaft. Heft 4, Leipzig (DE).

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Licklider, Joseph C. R. 1951. Basic Correlates of the Auditory Stimulus. In: Stevens, Stanley Smith (Hrsg.). Handbook of experimental Physiology. New York (NY), Winley & Sons, S. 985–1039.

Marozeau, Jeremy; Cheveigne, Alain de; McAdams, Stephen; Winsberg, Suzanne 2003. The dependency of timbre on fundamental frequency. In: JASA. Ausg. 114(5), S. 2946–2957.

McAdams, Stephen; Winsberg, Suzanne; Donnadieu, Sophie; de Soete, Geert; Krimphoff, Jochen 1995. Perceptual scaling of synthesized musical timbres. Common dimensions, specificities, and latent subject classes. In: Psychological Research. Ausg. 58(3), S. 177–192.

Reuter, Christoph 2002. Klangfarbe und Instrumentation. Geschichte – Ursachen – Wirkung. Frankfurt/M (DE), Peter Lang.

Schumann, Karl Erich, 1929. Physik der Klangfarben. Bd. 2, Habilitationsschrift: Berlin. Korrekturfahnenabzug, 1940. Leipzig (DE), Breitkopf & Härtel.

Stumpf, Carl 1890. Tonpsychologie. Bd. 2. Stuttgart (DE), Hirzel.