Category: Sound Design

The idea of the composition aims to raise awareness about issues of noise pollution in our oceans. This composition is intended to attract listeners’ attention and highlight the harmful impact of anthropogenic activities on marine life. It should represent balance between the beauty of marine ecosystems and the destructive presence of noise produced by human.

The opening of composition introduces undisturbed marine environment. A combination of soft, gentle melodies with soothing rhythms should bring an image of underwater world where sea creatures communicate through harmonious sounds and songs. Listeners immerse themselves in this soundscape and they become aware of how fragile is life in the ocean. [Time: ~ 1.5/2 min]

The next part of the composition introduces dissonant sounds, symbolizing human interference in the marine environment. The noises are coming from ships engines, seismic surveys and offshore construction disturb a peaceful balance of the underwater ecosystem. The composition builds tension through a series of clashing tones and irregular rhythms. [Time: ~1.5 min]

After introducing a decreased level of noise a brief moment of silence will appear as a reminder of the importance of silence to marine life. That’s a moment where silence reinforces the appreciation of the natural acoustic harmony, which helps marine mammals to survive. [Time: ~0.5 min]

The next part of composition captures the confrontation of marine animals with constant noise pollution. The composition combines melancholic melodies with dissonant themes that should represent destructive sounds. Here we can hear whale songs, dolphin clicks in interaction with anthropogenic sounds. This is a sound awakening a sense of emergency. [Time: ~3 min]

At the end the composition changes again from dissonance to harmony, symbolizing an effort to take an action in the ocean. The disturbing sounds slowly fade away coming back to the natural underwater acoustics. This suppose to inspire listeners to protect marine habitats. [Time: ~1.5/2 min]

By blending contrasting musical elements this composition address the issue of noise pollution in our oceans. It invites everyone to take action and ensure a harmony between human activities and marine life, preserving the seas for future generations. 

Human fascination with whale songs goes back to the 1970s, when a biologist Roger Payne recorded an album of humpback whale songs. This inspired Greenpeace’s “Save the Whales” movement and led to an international ban on deep-see whaling. Many whales make sounds but when we talk about whale songs we’re usually talking about humpback whales. Humpback songs are long, complex patterns of sounds that whales sometimes repeat for days on end.

Whale hearing
Since all mammals underwater are especially sensitive to the sounds in order to be able to survive, whales developed their hearing. Looking at the anatomy of whales the size of whale’s head is up to one third of the total body length. The whale ear is very tiny. The bone structure of the middle and inner ears is modified to accommodate hearing underwater.

The Humpback song
Humpbacks don’t breathe like humans do. A humpback whale actually has to think about breathing. To go to sleep and still breathe, they’ll only shut off half their brain at a time. Originally it was thought the sound is produced through larynx, but research showed that larynx doesn’t move during vocalisations. There are some nasal structures which move when sound is produced. The research shows that only male humpback sing and usually the same song. They produce moans, grunts, blasts and shrieks. Since the sound waves can travel very far in water without losing energy, some of the low frequencies can travel approx up till 16 094 km in some levels of the ocean. The frequency range is 30Hz till around 8 kHz, which means that humans are only able to hear only a part of the whales’ songs.

FIN WHALE
These whales make some of the lowest-frequency sounds of any animal. Males produce songs made up of loud pulses lasting 1–2 seconds, in patterns that can last anywhere from several minutes to days

Sound levels

The frequency of baleen whale sounds ranges from 10 Hz to 31 kHz. A list of typical levels is shown in the table below.

Source	Broadband source level (dB re 1 Pa at 1m)
Fin whale moans	155–186
Blue whale moans	155–188
Gray whale moans	142–185
Bowhead whale tonals, moans and song	128–189

The “notes” are single uninterrupted emissions of sound that last up to a few seconds. These sounds vary in frequency from 20 Hz to upward of 24 kHz (the typical human range of hearing is 20 Hz to 20 kHz). It may be frequency modulated or amplitude modulated. However, the adjustment of bandwidth on a spectrogram representation of the song reveals the essentially pulsed nature of the FM sounds.

References:
1. Ocean Noise – from science to management – Journal of marine science and engineering
2. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_whale_vocalizations
3. https://oceanservice.noaa.gov/facts/whalesounds.html

Anbei zwei Fotos vom ersten 3D-Print der Konsole. Die Bohrungen um die Montage vorzunehmen wurden derartig angepasst, dass diese die Druckerungenauigkeit ausgleichen. Das Zweite Bild zeigt jedoch, dass noch etwas mehr Unterschied der Beiden Maße notwendig ist. Eine Montage is möglich, jedoch mit zu viel Krafteinwirkung. Dies ist aber nicht weiter schlimm, da der “noch nicht passende” Teil aus einem anderen Material gefertigt wird.

Beim SUSTAINIAC STEALTH PRO KIT handelt es sich um einen separaten Sustain Tonabnehmer,
welcher in jede Gitarre verbaut werden kann. Das Unternehmen bietet verschiedene
Ausführungen an und ermöglicht, die Bestellung im Detail anzupassen. Da ich keine
Erfahrungen mit diesem Equipment habe, kontaktierte ich mit dem Leiter des deutschen
Kleinunternehmens eyb-Guitars und bat um ein Zoom-Meeting, um bei der Bestellung
keinerlei Fehlentscheidung zu treffen. Dies stellte sich als die richtige Entscheidung heraus, da
ich aufgrund der im Internet aufgelisteten Inhalte den falschen ausgewählt hätte.
Basierend auf der verwendeten Gitarre und Tonabnehmer konnte ich meine Bestellung
zusammen mit eyb-Guitars perfekt anpassen.

Einbau des Sustainiac stealth pro kit

Die Elemente des Kit´s werden gesammelt in der Gitarre untergebracht. Hierfür wird am vorderen unteren Ende der Gitarre ein Fräsung vorgenommen, in welche sämtlichen Inhalte des Kit´s Platz finden. Hierbei muss nicht auf die Wartungsfreundlichkeit geachtet werden, da keine permanente Zugänglichkeit gewährleistet und im Falle eines Schadens ohnehin eine Wartung des gesamten Kits vorgenommen werden muss. Eine Abdeckplatte aus Kunststoff wird mithilfe des 3D Druckers gefertigt. Der Wegeschalter für das Ein- und Ausschalten des Tonabnehmers wird voraussichtlich in der Nähe der Knöpfe montiert, damit nur eine Montageplatte hierfür gefertigt werden muss. Sollten sich die Solenoidenbedienung und der Switch im Wege stehen, wird dieser umpositioniert. Aufgrund der Platzsituation auf der Gitarre habe ich mich dazu entschieden, einen Push/Pull Poti für das Ein- und Ausschalten des Sustain Tonabnehmers zu verwenden. Mit gewähltem Poti ist in der eingefahrenen Position nur der Bridge-Tonabnehmer aktiviert und im ausgefahrenen Zustand ist der Sustain dabei. Die beiden anderen Potis, die in der Gitarre verbaut waren, wurden komplett entfernt.

Testen des Sustainiac stealth pro kit

Damit die Funktionalität des Kit´s gewährleistet werden kann, wird es eingebaut. Mithilfe des
mitgelieferten Plans war es nur schwer möglich, dies zu tätigen. Aber eine Recherche im
Internet lieferte die notwendigen Informationen.
Die Stromversorgung des Kits erfolgt mithilfe einer Batterie. Da jedoch die Gitarre
plantechnisch schon sehr von Ausnehmungen durchsiebt ist, stellt sich die Frage, ob das Kit
nicht auch an die Powerbank mit angeschlossen wird. Der momentane Stand der Dinge sieht
vor, die Batterie zu behalten und in die Ausnehmung der Sustainelemente zu legen. Zusätzlich
würde dies die Powerbank etwas schonen und die Funktionsdauer des Effekts erhöhen.

Bilder vom montierten Sustain Tonabnehmer

Vorab habe ich den Sustain Tonabnehmer nicht korrekt in die Gitarre verbaut. Für die
Präsentation am Ende des zweiten Semesters wird eine prinzipielle Vorführung der Funktion
gezeigt. Da noch die gesamten Ausnehmungen zu fräsen sind, ist es auf diese Art einfacher.
Hinzukommend ist die Ausnehmung für das Sustainequipment noch nicht vorhanden.

Taster und Pad für Piano-Effect

Die Taster/Knöpfe für die veränderte Spielweise werden zwischen den Potis und den
Tonabnehmern positioniert. Somit befinden sich sämtliche Interaktionen mit der Gitarre in
einem geeigneten Bereich/Umfeld und es wird möglich, dass Instrument auf beide Arten zu
bedienen, ohne große Wege mit der Hand vornehmen zu müssen. Angeordnet in einem
Halbkreis entspricht die Positionierung einigermaßen den Fingerabständen und die
Benutzerin oder der Benutzer müssen keine unnatürlichen Bewegungen ausführen, um das
Instrument bedienen zu können.
Die Wahl der geeigneten Taster/Knöpfe ist bis auf Weiteres auf einen Taster-typ gefallen, der
in einem Elektrofachhandel erworben werden kann. Die Bedienung muss ohne große
Krafteinwirkung funktionieren. Dies ist durch diesen Typ gegeben.
Sollte in der Entwicklung des Projektes noch genügend Zeit vorhanden bleiben, so möchte ich
auch ein mithilfe eines Kupferbandes gefertigtes Touchpad an der Gitarre positionieren, um
das „über die Tasten streifen“ eines Pianos simulieren zu können, dies wäre jedoch ein Zusatz
zum Projekt. Ein derartiges Touchpad habe ich bereits getestet. Das folgende Bild zeigt das
Touchpad.

Wie bereits erwähnt, ist die Konsole das Trägerelement des Equipments. Basierend auf dem
benötigten Platz wird eine Ausnehmung in die Gitarre gefräst, um diese Baugruppe montieren
zu können.
Der Hauptgrund zur Verwendung der Konsole liegt in der Wartungsfreundlichkeit. Es wäre
durchaus möglich, alle Einzelteile in separaten Ausfräsungen in der Gitarre einzubringen und
durch Kabelkanäle zu verbinden. Eine weitaus komfortablere Lösung ist es jedoch, eine
Hauptkonsole zu besitzen, welche nur mit Kabeln zu den fix montierten Elementen der Gitarre
verbunden ist. Die Kabel zu den fix montieren Elementen werden mit einer „Überlänge“
ausgelegt und können bei der Demontage der Konsole durch Verwenden von
Steckverbindungen einfach und wartungsfreundlich gelöst werden.

Aufbau:
Das folgende Bild zeigt die Konsole, die transparente Umgebung schildert die Gitarre.

Aufbau der Konsole / Einzelteile:

• Grundplatte

Das Herzstück der Konsole und der Träger von allem. Die Grundplatte enthält die Montageanbindungen für die weiteren Elemente der Einbaukonsole. Montageschienen für Platine und Bela-Mini, Ausnehmung für Gummibänder zur Montage der Powerbank und einen Block, auf dem der zweite Teil für die Solenoidenbefestigung, angebracht werden kann.

• Montageschienen

Die Montageschienen sind fix mit der Grundplatte verbunden und können aus dem
gleichen 3D Druck gewonnen werden.

• Konsole zur Montage der Solenoiden

Diese Konsole wird mithilfe der Bohrungen auf die Zylinder der Grundplatte gesteckt.
Die Solenoiden können einfach eingebracht werden und sind in der X und Y Achse
gesichert. Zu Beginn war diese Konsole mit einer Schraubverbindung ausgelegt. Dies
ist jedoch nicht notwendig, da die Solenoiden an der Oberseite durch die Metallplatte
der Gitarre in derer Beweglichkeit begrenzt werden und damit auch in der Z-Achse
gesichert sind. Der erste Prototyp, welcher auch in der Präsentation gezeigt wird, ist
noch aus einem anderen Material gefertigt als das finale. Die Planung sieht vor, hierfür
einen Elastomeren Kunststoff zu verwenden. Hierbei handelt es sich um Kunststoffe,
welche nicht vollends steif sind. Die minimale Beweglichkeit und Anpassbarkeit
ermöglicht es die Abmaße der Solenoiden, welche immer leicht unterschiedlich sind,
auszugleichen (Beispiel Material -> Handyhüllen). Bei dem momentan verwendeten
Material muss mithilfe einer Nagelfeile beinahe jedes Sackloch für jeden Solenoiden
erneut nachgeschliffen werden. Für die zukünftige Verwendung und die
Wartungsfreundlichkeit des gesamten Projekts wird das andere Material verwendet (Beispiel -> Solenoiden tauschen – jedes Mal Nacharbeiten nötig – Nicht
wartungsfreundlich).

Wie bereits im ersten Semester festgelegt, fiel die Wahl der Gitarre auf einen Bausatz der
Firma Harley Benton, dass bei Thomann bestellt wurde. Die Wahl der Gitarrenform ging aus
der angedachten Platzsituation, um alle benötigten Teile unterbringen zu können und dem
Abstand zwischen Bridge und Bridge-Pickup, um genug Platz für die Solenoiden bieten zu
können, hervor. Die im letzten Semester verwendeten Solenoiden, von welchen ich leider nur
drei besitze, wären baugrößentechnisch ideal geeignet gewesen, jedoch wahr es mir nicht
mehr möglich, diese erneut zu bestellen, da dieses Produkt nicht mehr vorhanden zu sein
scheint und baugleiche oder -ähnliche eine enorme Preiserhöhung nach sich gezogen hätten.
Somit musste eine neue Recherche betreffend er Hubmagneten vorgenommen werden.

Die Baugröße ist hierbei ein wichtiger Aspekt. Der Korpus der Gitarre hat eine gewisse
Stärke/Dicke. Durch Verwenden von zu langen Solenoiden würden diese im eingefahrenen
Zustand an der Rückseite der Gitarre hinausstehen. Somit mussten Solenoiden verwendet
werden, welche eine geeignete Bauform und -größe aufweisen und bestenfalls auch in einem
preislichen, angenehmen Bereich liegen. Die Wahl fiel auf Solenoide, welche zu Lang sind. Der
Grund dafür ist, dass die Solenoiden die exakt passen würden, zu teuer sind. Die verwendeten
Solenoiden des Projekts müssen nachgearbeitet werden. Dies ist jedoch umsetzbar.

Auch bei der Bestellung der neu recherchierten Solenoiden gab es zu Beginn ein Problem, da
die falschen geliefert wurden.

Danach wird an der Front die Hutmutter entfernt, das Gewinde abgetrennt und neu
geschnitten, um eine flache und geeignetere Anschlagfläche zu schaffen. Die Hublänge der Solenoiden wird somit um einige Millimeter verkürzt. Dies stellt jedoch kein
Problem dar und schafft die Möglichkeit, die geeignete Einbaulänge zu erhalten.

Um eventuelle Fehlschläge im Vorhinein zu verhindern, habe ich die elektrische Schaltung bereits zuvor auf einem Entwicklerboard umgesetzt. Ich habe für die Umsetzung ein MOS-Modul verwendet. Dies war jedoch nur eine Hilfestellung für die Entwicklerumgebung. Die Transistoren werden zusammen mit dem anderen benötigten Equipment auf einer Platine verlötet und in die Einbaukonsole der Gitarre verbaut.

Der PD Patch für die aktivierung der Hubmagneten hat die ANgewohnheit nicht immer zu funktionieren. Nach Anschließen der Komponenten und ausführen des Codes funktioniert es einwandfrei. Einen Tag später nach erneutem hochfahren des Setups, passiert nichts mehgr. DIes muss noch einer weiteren Kontrolle unterlaufen. Da der PD Code betreffend der Hubmagneten immer wieder Probleme bereitet, wird für die Präsentation die selbige Schaltung auf herkömmliche Art vorbereitet.

Getestet wurden die Hubmagneten indem ich die Baugruppe über einer Gitarre montierte. Es funktioniert einwandfrei, wie das folgende Video zeigt.

Leider konnte das selbstgebaute Theremin immer noch nicht zum laufen gebracht werden. Es wurde im IFE der TU vermessen, aber der Fehler konnte nicht ausfindig gemacht werden.

Mit einem geliehenen Theremin konnte ich allerdings testen, ob das Konzept ein Schlagzeugbecken als kapazitiven Abstandssensor zu nutzen funktioniert. Die Antenne wurde ausgebaut und zuerst durch verschiedene Materialien/leitende Gegenstände ersetzt. Nach etlichen Versuchen hat sich gezeigt, dass ein isoliertes und nicht zu langes Kupferkabel die beste Möglichkeit zu sein scheint. Es wurde im Theremin angebracht und das andere Ende von unten am Becken befestigt. Dadurch lässt sich das Becken berührungslos spielen, siehe Video.

As a result of the higher density of water compared to mixture of gases in the atmospheric, sound travels four times faster in the sea than in air.  Marine mammals, including whales, dolphins and porpoises, are much more dependent on sound than land mammals due to the limited effectiveness of other senses in water. Some mammals like whales and dolphins highly developed their sense of hearing over millions of years to send and receive variety of complex sounds. They highly rely on sound to communicate with each other, navigate, find food, defend their territories and avoid the predators. Fishes also use sound for basic life functions.

People produce some sounds intentionally, such as military sonar and seismic tests for oil and gas exploration. Other sounds are an unintentional, such as shipping and underwater construction. Many human-produced sounds in the ocean are periodical, whereas shipping creates an almost constant rumble in the ocean. Even the motor of a fishing boat creates extra sound underwater.

All of these sounds add to overall ocean noise and contribute to the “soundscape,” which scientists define as the combined sounds made by humans, natural events, and marine animals. Because sound travels so well underwater, many of these sounds can be heard miles from their sources.

Noise pollution in the ocean can be split into 3 different categories:
– Environmental noise
– Noise of Ocean Life
– Anthropogenic noise

Environmental noise is caused by airbone noise which propagates into the sea, wind and waves, seismic noises (oils and gas).  Many environmental events make non-biological sounds, such as low frequency rumbling of a thunderstorm the cracking of singing ice as ice sheets slide against each other and break apart. Vulcanic eruptions and earthquakes oscillate in a very low frequency band, sometimes only  fractions of Hertz and the sound last longer compared to the most species living underwater. The environmental noises are responsible for noise floor, which its power is higher compared to the noise floor in the air.

Noise of ocean life produces a variety of different signals. Mammals are called ‘the birds of the sea’ and vocalise in a different frequency bands. The song of a blue whale consist mostly of low frequencies. Together with fin whale they produce sweeps at about 20-35 Hz, which results in fin whale sound masking content of the blue whale calls.

Anthropogenic noise Human activity in and around the ocean makes a variety of sounds, such as pinging from echosounders or low-frequency vessel noise from motorized boats and ships. Some anthropogenic sounds can be disruptive or harmful to marine life.

References:
1) https://www.fisheries.noaa.gov/national/science-data/sounds-ocean-environmental-and-anthropogenic
2) https://fast.wistia.net/embed/channel/tvcq9ovg1h?wchannelid=tvcq9ovg1h
3) Ocean Noise, from science to management – Journal of Marine Science and Engineering
4) https://dosits.org/animals/use-of-sound/how-do-marine-animals-use-sound/