Synthesizer

Technik

analoge Synthese

Einleitung

Mit der Verbreitung der Techno-Musik (im weitesten Sinne) in den 90er-Jahren erlebten die analogen Sythesizer eine Renaissance. Der Musiknachwuchs grub die alten Geräte wieder aus und machte damit fröhlich Musik. Dominierten in der zweiten Hälfte der 80er noch Sampler und "digitale" Synthesizer (Yamaha DX-7, Roland D-50) die populäre Musik, so hörte man jetzt wieder das Pfeifen, Zirpen und Qietschen aus den frühen Siebzigern.

Heute findet man viele sog. "virtuell analoge" Synthesizer, die den Klang und die Bedienung der alten analogen Kisten nachahmen, im Innern jedoch aus digitalen Signalprozessoren (DSP) und Software bestehen (Acces Virus, Clavia Nordlead etc.).

Der überaus große Erfolg der analogen Sythesizer und ihrer Nachkommen ist Grund genug, hier einmal diese Syntheseform etwas näher zu betrachten.

Komponenten

Der Urvater aller analogen Synthesizer wurde Mitte der Sechziger von Robert Moog gebaut. Dieses nach seinem Erbauer "Moog-Synthesizer" genannte Gerät wies alle Merkmale auf, die sich heute noch in echten oder virtuellen Analog-Synthies finden (Bild 1).

Komponenten
1. Haupt-Komponenten eines analogen Synthesizers

Die wichtigsten klanggestaltenden Komponenten sind:

(Die wesentliche Neuerung beim Moog-Synthesizer war die Spannungssteuerung. Alle klangerzeugenden oder den Klang bearbeitenden Elemente wurden durch elektrische Spannungen gesteuert. Das ermöglichte es, viele Abläufe zu automatisieren. Diese Tatsache prägte viele der heute noch gebräuchlichen Abkürzungen.)

Der Oszillator (VCO) erzeugt eine elektrische Schwingung, die reich an Oberwellen ist. Typische Wellenformen sind Sägezahn, Rechteck und Puls.

Das Filter entfernt einen Teil der Oberwellen aus dem Spektrum. Dadurch wird der Klang der ursprünglichen Wellenform verändert. Wegen der Beschneidung des Spektrums wird diese Form auch "subtraktive" Synthese genannt.

Der Verstärker müsste eigentlich "Abschwächer" heißen, denn er verändert die Amplitude (=Lautstärke) des Signals zwischen dem Maximum und Null.

Am Ende der Kette ist dann ein Lautsprecher, der den Klang hörbar macht.

In diesem Übersichts-Bild fehlen noch eine Tastatur, um Melodien wie auf einem Klavier spielen zu können, und weitere Steuerelemente wie Hüllkurven (ADSR) und Ozillatoren für sehr langsame Schwingungen (LFO).

Der Oszillator (VCO)

Der Oszillator ist die Quelle für eine periodische elektrische Schwingung. Wenn diese Schwingung obertonreich ist, lässt sie sich mit weiteren Elementen klanglich verändern. Jede periodische Schwingung besteht aus einer Reihe sinusförmiger Teilschwingungen, den Oberönen (siehe Filter). Die Sinusschwingung lässt sich nicht weiter zerlegen, sie ist eine Grundschwingung (Bild 2).


Sinus
2. Sinus-Schwingung

 

Kommen wir nun zu den Schwingungsformen, die Obertöne enthalten. Klanglich ist die Dreieck-Schwingung dem Sinus sehr ähnlich. Es ist gewissermaßen ein Sinus mit spitzen Ecken (Bild 3). Sie besitzt nur wenige und sehr schwache Obertöne im Spektrum.


Dreieck
3. Dreieck-Schwingung

 

Sehr viel mehr Obertöne besitzt da schon die Rechteck-Schwingung. Wenn die beiden Halbwellen genau gleich breit sind, hat die Schwingung ein Spektrum, in dem nur ungradzahlige Obertöne ernthalten sind (Bilder 4 und 4a). Das verleiht ihr einen seltsam hohlen Klang, ähnlich einer Klarinette. Sie eignet sich daher für die Synthese von Klarinetten und Flöten, aber auch als Bass in der Technomusik und verwandten Richtungen.


Rechteck
4. Rechteck-Schwingung

Spektrum Rechteck
4a. Spektrum Rechteck

 

Die Sägezahn-Schwingung besitzt ein Spektrum, in dem alle Obertöne enthalten sind. Ihr Klang ist noch etwas schärfer als der Klang der Rechteck-Schwingung. Sie eignet sich gut für Streicher-, Akkordeon- und Bläser-Synthesen. Ebenso ist sie in der modernen Pop-Musik (Techno etc.) beliebt als Bass.


Sägezahn
5. Sägezahn-Schwingung

Spektrum Sägezahn
5a. Spektrum Sägezahn

 

Wenn zwei Oszillatoren gleichzeitig erklingen und dabei ein klein wenig gegeneinander verstimmt sind, hören wir das akustische Phänomen der Schwebung. Dabei scheint der Klang rhythmisch zu pulsieren. Die Geschwindigkeit des Pulsierens ist direkt von der Verstimmung der Oszillatoren abhängig. Die Schwebung wird in der Popmusik eingesetzt, um einen Klang "fetter" zu machen.


Eine wichtige, nicht-periodische Schwingung ist das Rauschen. Sie hat keine definierte Tonhöhe, eignet sich jedoch für Wind-, Raketen- und Brandungsgeräusche sowie für perkussive Klänge jeder Art.


Es folgt jetzt eine kleine Auswahl von Klangproben der Grundwellenformen. Den Klang des Rauschens werde ich im Abschnitt über das Filter vorstellen.

Das Filter (VCF)

Da die oberwellenreichen Klänge von Rechteck, Sägezahn und Rauschen für vieles einfach zu roh sind, gibt es das Filter, mit dem Teile des Spektrums abgeschwächt oder ganz entfernt werden können. Aus diesem Grund nennt man diese Syntheseform auch – ich erwähnte es oben schon – "subtraktive Synthese".

Zwei verschiedene Grundformen des Filters können wir unterscheiden: Das Tiefpass- und das Hochpassfilter. Beide besitzen eine sog. Flankensteilheit, sie charakterisiert, wie stark der Effekt des Abschneidens ausfällt. Wir unterscheiden Steilheiten von 6, 12, 18 und 24 dB/Oktave.

Das Tiefpassfilter schneidet den oberen Frequenzbereich ab und lässt die tiefen Frequenzen passieren. Der Punkt, an dem das Abschneiden beginnt &ndash die Eckfrequenz – lässt sich in weiten Grenzen verschieben (Bild 6). Dadurch wird der Klang zunehmend weicher, bis nur eine einzige sinusförmige Grundschwingung übrig bleibt.


Tiefpass
6. Tiefpassfilter

 

Das Hochpassfilter verhält sich genau andersherum: es schneidet den tiefen Teil des Spektrums ab. Der Klang wird beim Verschieben der Eckfrequenz zunehmend dünner und zirpender, weil nur noch wenige Obertöne übrig bleiben (Bild 7).


Hochpass
7. Hochpassfilter

Beide Filter lassen sich mit einer Resonanz versehen, das bedeutet eine Anhebung der Obertöne im Bereich der Eckfrequenz des Filters. Der Klang des Filters wird dadurch pfeifend; ein Erhöhen der Resonanz kann zum Selbstschwingen des Filters führen, d.h. das Filter wird selbst zum Oszillator.

Die manchmal anzutreffenden Filtertypen Bandpass und Bandsperre sind Kombinationen von jeweils einem Tief- und einem Hochpass.

Klangbeispiele:

Der Verstärker (VCA)

Der Verstärker hat im wesentlichen die Aufgabe, das Erklingen bzw. Verstummen des Tones zu steuern. Beim Musik-Synthesizer soll der Ton erst beim Drücken einer Taste erklingen und nach dem Loslassen der Taste wieder verstummen. Ohne den VCA würde der Ton ständig zu hören sein.

Weiterhin ist der VCA zuständig für die Erzeugung eines Tremolos. Außerdem wollen wir beeinflussen können, wie hart oder weich der Ton einsetzt bzw. ausklingt. Für diese Aufgaben benötigen wir einen Tieffrequenz-Oszillator (LFO) und Hüllkurven. Weitere Erläuterungen dort.

Der Tieffrequenz-Oszillator (LFO)

Frequenzmodulation
Frequenzmodulation (Vibrato)

Filtermodulation
Filtermodulation

Amplitudenmodulation
Amplitudenmodulation (Tremolo)

Klangbeispiele:

Die Hüllkurve (ADSR)

Keyboard und Hüllkurven
Keyboard und Hüllkurven

ADSR-Hüllkurve
ADSR-Hüllkurve