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Sound Design Tutorial: Nachbilden des Doppler-Effekts in Cubase

Doppler-Effekt

In diesem Tutorial geht es darum, was der Doppler-Effekt ist und wie man ihn digital nachbilden kann. Und wie immer der Hinweis: Ich verwende für dieses Tutorial Cubase als DAW, was aber nicht bedeutet, dass man das Gleiche nicht auch in einer anderen DAW erarbeiten könnte.

In gewisser Weise ist diese Übung eine Fortsetzung meines ersten Tutorials, da es auf demselben Martinshorn-Sound basiert. Wer dieses noch nicht kennt, dem empfehle ich, es durchzuarbeiten, bevor man hiermit weitermacht.

Hier ist als kleiner Appetizer schon mal der finale Sound dieses Tutorials, welcher übrigens am besten über Kopfhörer zur Geltung kommt:

Theorie

Wie in meinem ersten Tutorial auch fange ich zunächst einmal mit den theoretischen Grundlagen an. Deshalb geht es erstmal darum, zu klären, was der Doppler-Effekt überhaupt ist. Das klassische Beispiel, das herangezogen wird, wenn es darum geht, den Doppler-Effekt zu beschreiben, ist der vorbeifahrende Krankenwagen. Denn ein Krankenwagen mit Sirene, der an einem vorbeirauscht, hat etwas Signifikantes in seinem Sound: Ganz abrupt wird der Ton ein wenig tiefer, sobald der Krankenwagen einen passiert. Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir uns die Physik dahinter anschauen.

Schall breitet sich kreisförmig von der Klangquelle aus. So weit, so gut. Der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass das Signal selbst konstant ist – also ein gleichbleibender Ton einer beliebigen Frequenz.

Im einfachsten Fall bewegt sich weder die Klangquelle noch der Beobachter. Dies hat zur Folge, dass die Tonhöhe des Signals unabhängig von Zeit und Position gleich bleibt. Wenn sich nun aber die Klangquelle bewegt, sieht das Ganze schon ein klein wenig anders aus. Die Schallwellen, die sich in dieselbe Richtung ausbreiten wie die Klangquelle, haben einen geringeren Abstand zueinander. Das daran liegt daran, dass die Klangquelle ihnen sozusagen hinterher fährt. Wenn die Wellenlänge geringer wird, heißt das automatisch, dass sich die Frequenz erhöht, denn die beiden verhalten sich anti-proportional zueinander.

Gegenteilig sieht es dementsprechend für die Schallwellen aus, die sich in die entgegengesetzte Richtung zur Quelle bewegen. Die Wellenlänge vergrößert sich; die Frequenz wird geringer. Das bedeutet also, dass eine Klangquelle, die sich auf einen zu bewegt, von der Frequenz her als höher empfunden wird, als sie eigentlich ist. Eine Klangquelle, die sich von einem weg bewegt, wird als tiefer empfunden, als sie in Wirklichkeit ist.

Abbildung Doppler-Effekt

Die Abbildungen oben verdeutlichen den Sachverhalt. Dabei stellt Q jeweils die Klangquelle da, während B1 und B2 für Beobachter 1 beziehungsweise Beobachter 2 stehen. Die dünnen Kreise sind die Schallwellen.

Die linke Grafik zeigt eine Klangquelle, die sich nicht bewegt. Dies hat zur Folge, dass die Schallwellen bei Beobachter 1 und 2 mit der gleichen Wellenlänge – und somit auch in der gleichen Frequenz – ankommen. In der rechten Grafik bewegt sich die Klangquelle in Richtung des Pfeils und somit auf Beobachter 1 zu. Dieser empfindet die Frequenz als höher. Beobachter 2 hingegen empfindet die Frequenz als niedriger, da sich die Quelle von ihm weg bewegt.

Die genauen Frequenzen lassen sich auch mithilfe einer Formel errechnen, die ich hier aber nicht behandeln werde. Für alle, die sich für die Details interessieren, empfehle ich den Wikipedia-Artikel zum Doppler-Effekt.

Am spannendsten ist der Doppler-Effekt aber, wenn sich die Klangquelle erst auf einen zu bewegt, einen passiert und sich dann von einem weg bewegt. Denn im Moment des Passierens springt die Frequenz ruckartig nach unten. Und genau das wollen wir jetzt in Cubase simulieren: Einen Krankenwagen mit Martinshorn, der an uns vorbei rauscht…

Sound Design Praxis

Die wichtigste Komponente unserer akustischen Illusion ist die Tatsache, dass die Tonhöhe abrupt nach unten springt. Um das zu erreichen, müssen wir eine so genannte Automation der Tonhöhe erstellen. Dies ist eine separate Spur, auf der nur Daten über die Tonhöhe einer Spur aufgezeichnet und wiedergegeben werden. Diese Daten wiederum können entweder durch Einzeichnen oder durch das Drehen an Fadern erzeugt werden. Je nach Software gibt es mehrere Möglichkeiten, wie man das Ganze realisieren kann. Ich habe in Massive einen sogenannten Macro-Control („Pitch“) erzeugt, mit dem ich die Tonhöhe des einzigen aktiven Oscillators steuern kann.

Massive Macro Control

Dieser Macro-Control bewirkt, dass der Drehregler die Tonhöhe des Signals beeinflusst. In Massive lässt sich am Oscillator festlegen, wie stark die Tonhöhe variiert wird. Im Vorfeld dieses Tutorials habe ich errechnet, dass bei einer Geschwindigkeit von etwa 70km/h eine Veränderung des Signals um einen Semiton (Halbton) stattfindet. Das heißt: Der heranfahrende Krankenwagen wird um einen Semiton höher wahrgenommen, als er eigentlich ist; und sobald er vorbeigefahren ist, wird das Signal um einen Semiton tiefer empfunden als real. Bedeutet also: Es findet ein „Sprung“ um insgesamt zwei Semitöne statt. Die gesamte vorangegangene Rechnung habe ich mit der obigen Formel aus Wikipedia errechnet. Es würde wie gesagt den Rahmen sprengen, wenn ich diese ausführlich erklären würde.

Da mir 70km/h zu wenig waren und ich es aus Demonstrationszwecken spannend fand, einen höheren Wert zu nehmen, habe ich in in Massive Folgendes eingestellt: Ich habe die Frequenz um zwei Semitöne erhöht und den Macro-Control so auf OSC1 zugewiesen, dass er eine Erniedrigung von vier Semitönen bewirkt.

Massive OSC1

So, als nächstes halbieren wir den Bereich, in dem wir arbeiten, auf neun Takte. Etwa bei der Hälfte (Takt 5) soll der Krankenwagen an uns vorbei rasen. Das bedeutet also, dass der Sprung der Tonhöhe (ab sofort „Punkt X“ genannt) dort stattfinden muss. Davor und danach hält sich der Pitch (= die Tonhöhe) auf dem gleichen Level, sodass sich eine Automations-Kurve ergibt, die in etwa so aussieht:

Cubase Pitch Automation

Die nächsten Kurven sehen schon ein klein wenig anders aus. Da der Sound von links nach rechts im Stereo-Feld wandern soll, legen wir als nächstes eine Automation für das Panning fest. Diese Kurve fällt anfangs nur leicht und mit zunehmendem Verlauf immer stärker. Am Punkt X muss das Signal in der Mitte sein und das Panning somit auf „center“ stehen. Danach verhält sich die Kurve genauso wie zuvor – nur eben punktgespiegelt.

Cubase Panning Automation

Ein weiterer Aspekt ist für unsere Illusion wichtig: Je weiter der Krankenwagen weg ist, desto leiser ist er. Und je näher er an uns ist, desto lauter ist er. Entsprechend erreicht die Lautstärke-Automation einen Peak am Punkt X. Die Kurve, die sich daraus ergibt, sieht wie folgt aus:

Cubase Leutstärke Automation

Einen letzten Aspekt gibt es noch, um die Illusion perfekt zu machen: Aufgrund der Reibung nehmen wir die hohen Frequenz-Anteile eines Klangs immer weniger wahr, je weiter der Klang entfernt ist. Das bedeutet also für unseren Fall, dass die hohen Frequenz-Anteile zunächst herausgefiltert sind und dann langsam hinzu gemischt werden, bis sie nach dem Punkt X wieder langsam herausgenommen werden. Dies sieht in der Automations-Kurve dann so aus:

Cubase EQ Automation

Fertig! Schon hat man einen vorbei fahrenden Krankenwagen simuliert – und zwar rein digital per Software! Jetzt gilt es allerdings zu bedenken, dass jede Situation individuell ist, sodass man den Sound nicht universell in seinen Film-Szenen oder sonstwo verwenden kann. Denn je nach Geschwindigkeit, Fahrtrichtung und anderen Faktoren muss der Sound natürlich auch anders gestaltet werden, sodass es in meinen Augen keinen Sinn macht, ihn als Download anzubieten.

Konklusion

Der Doppler-Effekt ist für mich ein tolles Beispiel, das zeigt, dass das Verständnis von der Physik dahinter jedem Sound Designer helfen kann, noch lebendigere Sounds zu gestalten. Dies führt dazu, dass der Hörer oder Zuschauer die dargestellte Welt als noch realistischer empfindet und das Gefühl bekommt, ein Teil dieser virtuellen Welt zu sein. Man spricht hierbei auch von Immersion.

Oder aber man nutzt diese physikalischen Gesetzmäßigkeiten, um bewusst einen Sound zu kreieren, der „larger than life“ ist – also übertrieben fett.

Für jeden Sound Designer sind solche „Gimmicks“ natürlich auch so eine Art I-Tüpfelchen, um sich von der Konkurrenz abzuheben.


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