Datorer och musik CT3620 Vetenskapsmetodik för teknikområdet 2005-10-14 Mats Sandvik Wendy Castellanos
Sammanfattning Denna rapport är tänkt att ge läsaren en översikt av hur datorer och musik och fungerar tillsammans. Rapporten inleds med en introduktion till vad en synth är och hur en sådan fungerar. Läsaren erbjuds en kort historik till synthens uppkomst och hur den har utvecklats fram till idag (2005)
Inledning Musik är något som fascinerat människan under alla tider och är det enda språk som kan förstås av alla människor oavsett härkomst. Precis som alla språk utvecklas under årens lopp, utvecklas även musiken. Nya instrument träder fram, vilket i sin tur leder till nya musikstilar. En av de viktigaste uppfinningarna människan fått ta del av under historien är datorn. Dess stora möjligheter har under senare delen av 1900-talet präglat musiken enormt och gett oss möjlighet att skapa musik som annars inte varit möjligt. Många musiker anser att introduktionen av datorn inom musiken är det största som har hänt sedan munken Guido från Arezzo introducerade linjesystemet och därmed lade grunden till vår tids notskrift. Vi hoppas att med detta arbete förklara några av de anledningar till varför datorerna har tagit över musikindustrin samt om detta bara har positiva följder.
Sammanfattning... 2 Inledning... 3 Vad är en Synth?... 5 Historia... 5 Software-synthar... 6 Varför datorer?... 7 Digitalt ljud... 7 MIDI... 8 Datorer och Musik... 9 Hårdvara... 9 Musikprogram... 10 Slutsats... 11 Referenser... 12
Vad är en Synth? En synth (synthezizer) är ett elektroniskt instrument. Men vad innebär detta egentligen? Vi börjar med att tänka på hur ett vanligt akustisk instrument fungerar. Ett exempel är en flöjt. När vi blåser i denna sätts luft inuti flöjtens rör i resonans och ett ljud uppstår. Gitarrer, violiner och mandoliner fungerar så att en eller flera strängar sätts i resonans varpå ljudet senare förstärks i en för ändamålet specialbyggd låda. Den stora skillnaden mellan Synthen och vanliga akustiska instrument är att den själv inte kan producera något ljud. Vi kan alltså inte bara sätta oss och spela på en synth som vi kan med ett piano. Det krävs att man kopplar den till en dator eller en förstärkare. En synth är uppbyggd av flertalet elektriska kretsar som har till uppgift att framställa ljud på digital väg. Resonans har alltså inget vid framställningen av ljud hos en Synth att göra. Utseendemässigt är syntharna oftast utrustade med en klaviatur och liknar ofta en keyboard eller ett digitalpiano. Varför skulle man då vilja ha ett instrument som inte kan producera något ljud? Synthen är i sig själv ganska tråkig men kopplas den samman med en dator öppnar sig en värld av möjligheter. Detta instrument har nämligen den stora fördelen att den kan imitera vilket annat instrument som helst t.ex. gitarr, trummor, fiol etc. Men den allra största fördelen är att man på egen hand kan skapa helt nya ljud som ingen annan tidigare hört. Historia Musiker började intressera sig för de möjligheter som datorer erbjöd redan i början av 1900- talet. Maskinerna var dock svåra att hantera och kostade mycket pengar vilket ledde att de inte fick något större genomslag. Det första kända stycket som har komponerats med hjälp av en dator är Illiac String Quartet som skapades av Lejaren Hiller and Leonard Isaacson år 1955, vid University of Illinois. Detta var på inget sätt imponerande musik men det var något helt nytt och gjorde att många människor fick upp ögonen för den hittills relativt okända datorn. Synthens historia tar även den sin början vid mitten av 1900-talet men det riktiga genombrottet kom 1963 då Robert Moog släppte sin första Modular synth (Figur1) Denna kom att få många uppföljare genom åren. Figur 1
Som kan ses av denna bild var dessa synthar till en början väldigt komplexa maskiner[francis96] De var väldigt stora och kostade mycket pengar. Själva programmeringen av dessa maskiner kan liknas vid att koppla en gammal telefonväxel. Ville man byta ljud från en trumma till en fiol blev var man tvungen att dra ett antal kablar vilket snabbt kunde bli väldigt rörigt. Dessa synthar saknade helt minnesfunktion så det var bara att komma ihåg eller anteckna hur man kopplade sladdarna om man ville ha något hopp om att någonsin återfinna det ljud man nyss skapat. Syntharna under den här tiden var monofoniska vilket betyder att man bara kunde spela en ton åt gången (jfr. dagens polyfoniska ringsignaler i mobilen). När man ville spela ett ackord (minst tre toner samtidigt) var man tvungen att ha tre stycken maskiner. Något som var ohållbart dels beroende på priset dels av utrymmesskäl. Det dröjde dock ända till slutet av sjuttiotalet innan den polyfoniska synthen var utvecklad. Software-synthar I dagsläget hör hårdvarusyntharna till det förflutna med undantag för nostalgiker som inte kan slita sig från det speciella ljud de äldre syntharna kan producera. Dagens musiker använder sig av så kallade software-synthar. Dessa kan återskapa de gamla syntharnas ljud tack vare de kraftiga datorer vi har fått tillgång på senare år. Det är alltså helt möjligt att i en dator ha tusentals olika synthar till sitt förfogande som alla kan styras via en vanlig klaviatur. Detta leder i sin tur till att man kan spara mycket plats och pengar. Software-syntharna finns i tusentals olika utföranden. Det släpps dagligen nya varianter dels från privatpersoner men också från stora företag. Bland företagen har ett Svenskt bolag vid namn Propellerhead Softwaregjort satt sitt namn på världskartan. De ligger bakom två synthar vid namn Reason och ReBirth (figur 4) Figur 4: ReBirth
Varför datorer? Varför skall man som musiker egentligen använda sig av datorer vid musikproduktion? Det finns väldigt många anledningar som talar för det men den främsta är nog den fantastiska översikt som man erbjuds genom att arbeta med ett musikprogram. Som användare har du full kontroll över allt som händer. Förr i tiden när man gjorde vanliga analoga inspelningar krävdes det ofta många omtagningar innan allt blev rätt och vid minsta fel var man tvungen att spela in stycket i fråga igen. Nu kan vi tack vare datorns hjälp direkt se inspelningen på skärmen, instrument för instrument. Vi kan lätt korrigera enstaka toner eller hela partier, lägga till nya stämmor eller varför inte testa lite olika instrument för att ta reda på vad som låter bäst. Hittar vi inget som låter tillfredsställande är det bara att koppla till en synth eller använda en mjukvarusynth och börja experimentera med egna ljud. Tack vare att man nu enkelt kan skapa musik med hjälp av en dator har intresset spridit sig i stor omfattning världen över. Nu har man som ägare till en persondator samma möjligheter som ägare till utrustning för hundra tusentals kronor, och med många av programmen tar det inte lång stund innan man är igång. Oavsett om man är proffs eller aldrig har rört ett instrument tidigare. Digitalt ljud Termen digital är något som varje människa har hört någon gång. Men vad innebär den egentligen? För att kunna besvara frågan måste vi först skaffa oss en grundläggande förståelse för hur en dator räknar, vad som menas med en bit samt skillnaden mellan analoga och digitala signaler och hur en omvandling mellan dessa två fungerar. Datorer arbetar som bekant bara med ettor (1) och nollor (0). Det beror på att komponenterna i datorn kan ha två tillstånd. Detta system har fått ett alldeles eget namn, nämligen det binära (basen 2). Anledningen till varför datorer kan utföra så pass avancerade funktioner är att det kan hantera stora grupper av ettor och nollor väldigt snabbt. Om vi börjar med att titta på två bitar kan vi skapa följande kombinationer: 00, 01, 10 och 11. Dessa kan lätt konverteras till vårt decimala talsystem (basen 10) på följande sätt: 00 = 0*21 + 0*20 0 01 = 0*21 + 1*20 1 10 = 1*21 + 0*20 2 11 = 1*21 + 1*20 3 Detta system kan utökas till att omfatta önskat antal gruppering av bitar. Detta är av stor vikt när det gäller arbete vid ljud i en dator och är nära besläktat något som kallas samplingsfrekvens. Förenklat kan man säga att samplingsfrekvens innebär det antal stickprov (samples) per sekund som vi kan ta från vår analoga signal när vi omvandlar den till digital (A/D-omvandling). Desto högre samplingsfrekvens vi använder oss av, desto bättre
ljudkvalitet. För att vi inte skall höra någon skillnad mellan en analog och en digital signal krävs en samplingsfrekvens av minst 44,100 KHz. Vid moderna inspelningar använder man sig oftast av 16-bitssampling (2 byte) vilket ger oss 65 536 skilda tal att arbeta med. Anledningen till att man inte använder 24 eller 32- bitssampling är att de kräver 50 respektive 100% mer lagringsutrymme samtidigt som det mänskliga örat har väldigt svårt att uppfatta de små skillnader det medför. På bilderna nedan ser man hur en sampling fungerar. Den övre signalen (figur 2) visar en analog sinusvåg som vi vill konvertera till en digital signal. Här används en låg samplingsfrekvens. Resultatet som visas som fyrkantsvåg liknar inte alls den ursprungliga signalen då enbart ett fåtal av punkterna överensstämmer med originalet. Vad händer om vi ökar samplingsfrekvensen till det dubbla? Nu ser vi att signalen börjar anpassa sig och efterlikna den ursprungliga analoga signalen. Men den är fortfarande långt ifrån perfekt och som den ser ut nu kommer lyssnaren uppleva störningar och brus som egentligen inte borde finnas där. Vi måste alltså öka frekvensen ytterligare och vid frekvensen 44,100 KHz överensstämmer de båda signalerna så pass mycket att vi inte längre hör någon skillnad. [Haines02] Figur 2: Sampling vid låg frekvens MIDI Figur 3: Sampling vid dubbla frekvensen När synth fick sitt verkliga genombrott under 80-talet hade varje tillverkare sitt eget sätt att fjärrstyra dem samt koppla ihop dem med datorer. Detta ledde snabbt till problem då man ville koppla ihop flera synthar från olika tillverkare. Behovet av en gemensam standard var stort och man valde att utveckla MIDI. MIDI är förkortning för Musical Instrument Digital Interface, och det är ett system för att koppla ihop elektroniska instrument (synthar, keyboards, datorer mm).
MIDI fungerar som en slags fjärkontroll som styr olika funktioner på den mottagande apparaten. De data som överförs innehåller dels förhandsinställningar av t.ex. karaktären hos en stämma, dels löpande information om när man trycker ner eller släpper upp en tangent, om anslagshastighet, pedaler m.m. samt reglage för t.ex. vibrator och tonhöjdsvariationer. De apparater som har MIDI, har en eller flera MIDI-kontakter. Det finns olika typer av anslutningar: MIDI- In är den anslutning som tar emot MIDI-information. MIDI- Out är porten från vilken informationen skickas ut. MIDI- Thru används när man vill seriekoppla mer än två enheter till varandra. Det är en typ av utgång som skickar ut en kopia på den signal som kommit in via MIDI- In. Detta är väldigt praktiskt om man vill fjärrstyra flera synthar från en huvudenhet. Datorer och Musik exempel på hur man kan använda sig av midi-thru Tack vare den snabba datorutvecklingen under det senaste årtiondet finns det nu möjlighet för varje hem med en hyfsat ny dator att bygga sig en hemstudio. Det första man bör ha i åtanke om man går i dessa tankar är vad man skall använda datorn till. Kanske skall den bara användas som ett enkelt hjälpmedel för att kunna skriva ner noter och sedan kunna skriva ut dem snyggt eller varför inte publicera dem på Internet och låta andra människor ta del av dina kompositioner. Om detta är din ambition och du redan äger en dator finns det inga som helst behov av att skaffa sig någon ny hårdvara. Om det är så att du inte äger någon sedan tidigare kommer du att klara dig långt med en väldigt enkel modell. Hårdvara Nästa steg är om du vill skapa Midimusik. MIDI tar upp väldigt lite utrymme då det egentligen bara är instruktioner om hur datorn skall spela upp musiken. Dessa användare är inte heller i behov av den senaste hårdvaran utan klarar sig bra med förhållandevis enkla medel. Det enda man behöver komplettera befintlig utrustning med är någon form av inmatningsenhet. Detta brukar oftast vara en midiklaviatur som inte är något annat än en uppsättning tangenter. Tidigare var man tvungen att köpa ett så kallat MIDI-interface för att
kunna koppla in denna enhet men i och med att de numera utrustas med USB är detta ej längre nödvändigt. Den tredje gruppen är de som vill arbeta med Audio och för dessa användare är datorkraft ett måste. Man kan dra tydliga paralleller mellan dagens speldatorer och musikdatorer då båda måste vara mycket kraftfulla. Den största skillnaden är att den som spelar vill ha ett kraftigt grafikkort medan den som skapar musik vill ha ett bra ljudkort. I övrigt skiljer sig inte prestanda de båda mellan nämnvärt. [IDG08] Musikprogram Musikprogrammet kan liknas vid en ordbehandlare för musiker. Det finns en hel uppsjö olika program där var och en har sina för och nackdelar. De två program som är vanligast är Steinbergs Cubase som finns för både PC och MAC samt Logic som är MAC exklusivt. Dessa program kan hantera både ljud och MIDI vilket tillåter väldigt komplexa kompositioner. Senare versioner av dessa program har en funktion vilken tillåter användaren att samarbeta med andra användare med hjälp av Internet. Man kan alltså sitta i två olika världsdelar och hjälpas åt att producera en låt. Detta är en funktion som tveklöst kommer att bli väldigt stor då man helt plötsligt kan bjuda in hela världen till sin studio och tillsammans skapa musik.
Slutsats Människan har hittat användningsområden för datorn inom praktiskt taget varje område och musiken är inget undantag. Under de senaste 40 åren har det skett enorma framsteg inom datorindustrin något som tydligt har smittat av sig på musikindustrin. Men hur mycket bättre kan de egentligen bli? Under 80-talet kunde datorerna producera enklare ljud typiska för datorspel från den tiden medan de idag kan återspegla en stor symfoniorkester. Vår tanke är att datorer och musik kommer att integreras mer och mer med Internet och på så sätt leda till att fler och fler människor från hela världen kommer att få upp ögonen för den skaparglädje som datorerna kan erbjuda.
Referenser [Francis96]Francis Rumsey, The Audio workstation handbook,1996 [Harnefors2004]Harnefors, Holmberg, Lundqvist, Signaler och system, 2004 [IDG08] Studio, nr8 2005-10-17 [Haines02]Russ Haines, Digitalt ljud, 2002 [Strong]Jeff Strong, Digital ljudinspelning