Es gibt die unterschiedlichsten Ansätze zur Klangerzeugung mit einem Synthesizer (siehe Weitere Synthese-Methoden). Obwohl es viele Unterschiede zwischen den einzelnen Synthesizermodellen gibt, folgen doch die meisten einem Funktionsprinzip, einer Architektur und einem Signalfluss, bekannt als Konzept der "subtraktiven Synthese".
Michelangelo soll einst auf die Frage, wie er es schaffe, aus einem Granitblock einen Löwen herauszuhauen, geantwortet haben: "Ich schlage einfach alles weg, was nicht nach Löwe aussieht."
Die subtraktive Synthese funktioniert im Grunde genommen wie folgt: Sie filtern (entfernen) die Anteile des Klangs, die Sie nicht hören möchten. Anders ausgedrückt subtrahieren Sie Teile des Frequenzspektrums, bestehend aus dem Grundton und den zughörigen Obertönen.
Der subtraktive Ansatz der Synthese unterstellt, dass man sich dem Klang eines akustischen Instruments annähern kann, wenn man einen einfachen Oszillator hernimmt, der eine Reihe verschiedener Wellenformen mit unterschiedlichen Frequenzspektren ausspielt. Das Signal wird von einem Oszillator in ein Filter geschickt, das die frequenzabhängigen Pegelverluste und Resonanzen im Korpus des Instruments repräsentiert. Das gefilterte (oder auch ungefiltert belassene) Signal wird über den zeitlichen Verlauf der Note von der (Regel-)Verstärker-Sektion im Pegel geregelt. Dieses Element heißt auch "Dynamikstufe", "Amplifier" oder in einem analogen Synthesizer "VCA" (Voltage Controlled Amplifier). Der VCA sorgt im analogen Synthesizer dafür, dass die Note verstummt, wenn die Taste losgelassen wird.
Das eigenständige Timbre, die Intonation und die Dynamik eines konventionellen akustischen Musikinstruments können im Prinzip durch eine Kombination dieser elektronischen Elemente nachgebildet werden.
Heutzutage verfolgt niemand mehr den ästhetischen Ansatz, ein akustisches Instrument wie die Klarinette mit analogen Synthesizern nachahmen zu wollen. Dazu sind die Klangbibliotheken für Sampler mit mehreren Gigabyte Arbeitsspeicher (wie die des EXS24 mkII) einfach zu klar überlegen.
Die eigentliche Stärke subtraktiver Synthesizer ist ihre ganz eigene Klangästhetik und Soundpalette.
Diese Art der Synthese ist allen analogen wie virtuell-analogen Synthesizern gemein.
Die Frontpaneele der meisten subtraktiven Synthesizer enthalten eine Auswahl ähnlicher signalerzeugender und -verarbeitender Module, die mit einer Reihe von Modulations- und Steuerungsmodulen verknüpft werden können. Die Anordnung der Module erfolgt zumeist in Richtung des Signalflusses von links nach rechts.
Das Audiosignal eines Synthesizers wird vom Oszillator erzeugt. Dieser bietet eine Auswahl aus einer Handvoll elektronisch einfach herzustellender Wellenformen mit unterschiedlichem Obertongehalt. Die Grundklangfarbe hängt von den Pegelverhältnissen zwischen Grundton und allen einzelnen Harmonischen ab.
Die Eigenschaften der gängigsten Synthesizer-Wellenformen werden im Folgenden dargestellt.
Der Grundton selbst in reiner Form, ohne Harmonische. Die Sinuswelle beziehungsweise der Sinuston sind gewissermaßen das Atom, "das Unteilbare" der Akustik. Der Sinuston ähnelt dem Klang einer Flöte (nach dem Anblasgeräusch) oder mit feuchten Fingern gestrichenen Weingläsern.
Klar und brillant klingend, enthält das reiche Spektrum des Sägezahns alle geradzahligen und ungeradzahligen Harmonischen. Der Sägezahn gilt als erste Wahl bei der Erzeugung von Streichern, Flächen, Bässen und Bläsern.
Die oft als hohl und hölzern klingend beschriebene Rechteckwelle enthält in ihrer symmetrischen Gestalt mit 50 % Impulsbreite nur ungeradzahlige Harmonische. Sie ist für Rohrblattinstrumente, Flächen und Bässe ebenfalls geeignet. Aber auch Bassdrums, Congas, Toms und andere Perkussionsinstrumente können sehr schön mit der Rechteckwelle, oft in Verbindung mit Rauschen, nachgebildet werden.
Die Rechteckwelle kommt auch mit unsymmetrischen, schmaleren Impulsbreiten als Impulswelle vor. Die Impulsbreite der Rechteckwelle kann oft moduliert werden (Impulsbreitenmodulation, "Pulse Width Modulation", kurz PWM). Je näher sie sich der quadratischen Gestalt annähert, desto hohler klingt sie. Wenn die Rechteckwelle in der Impulsbreite variiert wird, ändert sich ihr Obertongehalt. Der grundtonärmere Klang ist für die Simulation von Rohrblattinstrumenten, Bässen und Bläsern interessant. Siehe Umformen von Wellenformen.
Die Dreieckwelle enthält wie die Rechteckwelle nur ungeradzahlige Obertöne. Da der Pegel der Obertöne der Dreieckwelle zu höheren Frequenzen schneller abnimmt, klingt die Dreieckwelle runder und wärmer. Sie eignet sich ideal zum Erzeugen von Flöten, Flächen und dem Vokal "o".
Rauschen (Noise) wird gerne genommen, um Perkussionsklänge zu synthetisieren, etwa Snaredrums, aber auch Wind, Wellen und andere rauschende Klänge.
Es gibt andere Rauschklangfarben, diese findet man aber nicht unbedingt als Wellenform in Synthesizern.
Man kann die Grund-Wellenformen verbiegen, um neue Wellenformen zu erzeugen. Dies resultiert in einer anderen Klangfarbe, wodurch sich die Sound-Möglichkeiten erweitern.
Es gibt viele Möglichkeiten, eine Wellenform umzubiegen. Eine naheliegende ist z. B. die Modulation der Impulsbreite bei der Rechteckwelle, siehe Gängige Synthesizer-Wellenformen. Andere die Wellenform verändernde Verfahren sind eine Änderung der Phasenlage oder die Mischung verschiedener Wellenformen in Synthesizern mit mehreren Oszillatoren.
Auch dabei ändern sich die Pegelverhältnisse zwischen den Partialtönen und die Klangfarbe.
Der Zweck eines Filters in einem subtraktiven Synthesizer besteht darin, das Signal aus den Oszillatoren um einen Teil seiner Obertöne zu berauben. Nach dem Filtern kann aus einem grell klingenden Sägezahn ein glatter, warmer Klang ohne scharfen Diskant werden.
Die Filter-Sektionen der meisten subtraktiven Synthesizer verfügen eigentlich nur über zwei Parameter, nämlich Cutoff-Frequenz (Cutoff Frequency) und die Resonanz – kurz Cutoff und Resonance. Andere Filterparameter wären Drive und Slope (Flankensteilheit). Die Filter-Sektionen der meisten Synthesizer können durch Hüllkurven (Envelopes), LFOs, dem Keyboard oder auch mit dem Modulationsrad moduliert werden.
Es gibt mehrere Filtertypen. Jeder nimmt einen anderen Einfluss auf das Frequenzspektrum:
Die Cutoff-Frequenz oder Filtergrenzfrequenz ist diejenige Frequenz, unterhalb oder oberhalb derer die Bedämpfung einsetzt. Einfache Synthesizer bieten nur einen Tiefpass (Lowpass-Filter). Wenn ein Signal Frequenzanteile zwischen 20 und 4000 Hz enthält und die "Cutoff Frequency" auf 2500 Hz eingestellt ist, werden die höheren Frequenzen ausgefiltert. Der Tiefpass lässt Frequenzen unterhalb von 2500 Hz unverändert passieren.
Die Grafik unten stellt eine Sägezahnwelle von 220 Hz dar (ein großes A). Das Filter ist offen, mit maximaler Cutoff-Frequenz. Die Wellenform wird also nicht gefiltert.
Die Grafik unten stellt einen Sägezahn mit halb herabgeregelter Filterfrequenz dar. Die Filtereinstellung resultiert in einer Unterdrückung der höheren Frequenzen, wodurch die Ecken der Wellenform abgerundet werden und sie einer Sinuswelle etwas ähnlicher wird. Das klingt wärmer und weniger blechern.
An diesem Beispiel lässt sich erkennen, dass die Filter Teile des Frequenzspektrums entfernen und dabei die Wellenform verändern.
Der Resonanzparameter betont oder dämpft das Signal im Bereich der Cutoff-Frequenz. Die Abbildung weiter unten zeigt einen ES1-Sägezahn mit hoher Resonanz und einer Cutoff-Frequenz von etwa 660 Hz, was ungefähr 60 % entspricht.
Diese resonante Filter-Einstellung resultiert in einem brillanteren und härteren Ton im Bereich der Cutoff-Frequenz. Frequenzen unterhalb der Filterfrequenz bleiben davon unberührt.
Erneut schlägt sich der Effekt der Filterresonanz in einer veränderten Wellenform und eben auch einem anderen Klang nieder.
Sehr hohe Filterresonanz-Einstellungen führen dazu, dass das Filter selbst anfängt zu schwingen und dabei einen Sinuston erzeugt.
Drive führt durch Vorverstärkung des Filter-Eingangssignals zu einer Übersteuerung und zu einer Verzerrung der Wellenform. Der Klang wird dadurch rauer. Unter Umformen von Wellenformen finden Sie weitere Informationen über Wellenformverzerrungen.
Die Grafik stellt einen ungefilterten Sägezahn mit einer Drive-Einstellung von etwa 80 % dar. Sie können erkennen, dass die Wellenform die maximale Aussteuerbarkeit des Filter-Dynamikbereichs touchiert.
Filter dämpfen das Signal ober- oder unterhalb der Grenzfrequenz (Cutoff Frequency). Dies erfolgt aber nicht abrupt, sondern mit einer endlichen Flankensteilheit ("Slope"), die in dB Pegelreduktion pro Oktave (jenseits der Filterfrequenz) angegeben wird. Je höher der Wert ist, desto steiler fällt die Kurve ab und desto trennschärfer wirkt das Filter.
Der Amplifier (die Dynamikstufe) regelt den Verlauf des Pegels – den wir als Lautstärke wahrnehmen – über die Zeit.
Um dies in einen musikalischen Zusammenhang zu stellen, denken Sie an den Klang einer Violine, deren Ton sich relativ träge einblendet, um dann schnell auf einen maximalen Pegel anzuschwellen und dann wieder auf einen Pegel abzufallen, der aufrechterhalten wird, solange der Bogen über die Saite streicht, um danach schnell aufzuhören. Im Vergleich dazu ist der Ton einer Snaredrum sofort da, wenn diese angeschlagen wird, und vom Spitzenpegel (Peak Level) ausgehend innerhalb einer sehr kurzen Zeit, die als Decay-Phase bekannt ist, wieder verklungen. Die Charakteristika der zeitlichen Pegelverläufe eines Geigentons und einer Snaredrum sind also sehr unterschiedlich.
Synthesizer emulieren diese Klangeigenschaften des Anfangs, der mittleren Phase und des Endes eines Tons unter Zuhilfenahme bestimmter Parameter. Das Element, was dafür zuständig ist, heißt Hüllkurvengenerator, kurz Hüllkurve, und auf Englisch: Envelope Generator.
Unten sehen Sie das Oszillogramm eines perkussiven Tons, bei dem der Pegel innerhalb kürzester Zeit voll da ist und dann abfällt. Die nachträglich eingezeichnete Kurve, die die obere Hälfte des Oszillogramms einhüllt, ist die Hüllkurve – ein Abbild des Pegels als Zeitfunktion. Verschiedene Hüllkurven und somit Pegelverläufe einstellen zu können, ist die Aufgabe des Hüllkurvengenerators.
Der Hüllkurvengenerator (Envelope Generator) ist oft mit vier Parametern ausgestattet, die als Attack, Decay, Sustain und Release bezeichnet werden und vielfach mit "ADSR" abgekürzt werden.
Wenn eine Taste während der Attack- oder Decay-Phase losgelassen wird, wird die Sustain-Phase normalerweise übergangen. Ein Sustain-Pegel von Null resultiert in einer Piano-ähnlichen, perkussiven Hüllkurve, bei der auf die Dauer der Ton ganz verklingt, obwohl die Taste gedrückt gehalten wird.
Hüllkurvengeneratoren dienen aber nicht nur der Steuerung der Signal-Amplitude (des Pegels). Sie können ebenso gut eingesetzt werden, um das Steigen und Fallen der Cutoff-Frequenz des Filters über den Verlauf der Note zu bestimmen oder weitere Parameter fernzusteuern (zu modulieren). Mit anderen Worten können Hüllkurvengeneratoren als Modulationsquelle oder als eine Art "Fernbedienung" eingesetzt werden.
Um diesen Aspekt der Synthesizer, die Modulation, geht es im nächsten Abschnitt.
Ohne Modulation wäre der Sound langweilig und eintönig. Wo keine Modulation stattfindet, klingt es synthetisch. Die bekannteste Modulation ist das Vibrato, das von Orchester-Streichern eingesetzt wird, um den Ton zu beleben.
Um den Klang interessanter zu gestalten, stehen Ihnen viele Spielhilfen am Synthesizer zur Verfügung.
Viele Synthesizer, darunter die Sampler ES1, ES2 und EXS24 mkII, verfügen über einen Modulations-Router.
Der Router organisiert die Zuordnung von Modulationsquellen ("Sources") zu Modulationszielen oder -adressen ("Targets"), also den Parametern, die durch die Modulation geändert werden. Zum Beispiel können Sie als Modulationsziel die Oszillatorfrequenz (Pitch) oder die Filterfrequenz (Cutoff) mit einer der folgenden Modulationsquellen (Sources) modulieren:
Der ES1 und der ES2 erlauben eine einfache Zuordnung der Modulationsquellen zu den Modulationszielen (Targets). Mehr über die Modulationsmöglichkeiten und andere Parameter finden Sie unter ES1 und Tasten für Oszillator ein/aus.
Im ES1 können Sie ein Modulations-Routing durch Wahl eines Schalters in der linken oder rechten vertikalen Reihe von Modulationszielen auswählen. Mit der linken Säule können Sie eine Modulationsadresse wählen, wobei die Modulationsintensität durch das Modulationsrad des Keyboards in Echtzeit gesteuert werden kann. Das Ziel in der rechten Säule reagiert hingegen dynamisch auf die Anschlagsdynamik. Das Ausmaß (der Hub) der Modulation wird durch zwei Pfeile in den Schiebereglern angezeigt (diese heißen "Int via Whl" und "Int via Vel"). Der obere Pfeil definiert den maximalen Hub, der untere den minimalen Hub der Modulation.
Der ES2 enthält zehn Modulations-Routings, in Spalten. Auch wenn dies auf den ersten Blick verwirrend aussehen mag, gleicht das Funktionsprinzip sehr den Modulationsfunktionen im ES1. Die Grafik stellt das Routing beispielhaft dar:
Das Modulationsziel ist "Pitch123". Die Oszillatorenfrequenz (Pitch) der Oszillatoren 1, 2 und 3 wird durch LFO2 moduliert.
"LFO2" ist die Modulationsquelle. Die zwei Pfeile rechts neben der Spalte zeigen die Modulationstiefe an. Intensivieren Sie die Modulation, indem Sie die oberen und/oder unteren Pfeile nach oben ziehen. Der obere Pfeil definiert den maximalen Hub, der untere den minimalen Hub der Modulation.
Als Via-Controller dient das Modulationsrad, abgekürzt mit "ModWhl". Der Hub der Modulation wird also mithilfe des Modulationsrads geregelt. In seiner untersten Position entspricht die Modulation dem gewählten Maximum und wenn man es voll aufdreht, ist die eingestellte maximale Modulation aktiv. Wenn Sie das Modulationsrad aufwärts drehen, wird die Frequenz der Oszillatoren von dem LFO bestimmt, und zwar in dem Ausmaß, das Sie mit den Schiebereglern festgelegt haben.
In diesem Abschnitt lernen Sie die am meisten verwendeten Modulationsquellen in Synthesizern kennen.
Modulationsquellen werden vielfach durch Aktionen ausgelöst, etwa durch eine Note, die Sie auf der Tastatur gespielt haben oder eine Bewegung am Modulationsrad.
Daher werden das Modulationsrad, der Pitch Bender, Pedale, die Tastatur und andere Spielhilfen auch als Modulations-Controller oder einfach Controller bezeichnet.
Ein gutes Beispiel für einen Controller ist die Anschlagsdynamik einer Tastatur, die die Filter- und Pegel-Hüllkurven moduliert. Je härter Sie die Tasten anschlagen, desto lauter und heller ist der Klang. Siehe Verwenden von Hüllkurven für die Modulation.
Eine Modulationsquelle, die in so gut wie allen Synthesizer vorhanden ist, ist der LFO (Low-Frequency-Oscillator). Dieser Oszillator wird nur als Modulationsquelle eingesetzt und erzeugt keine hörbaren Signale, die Teil des tatsächlichen Synthesizer-Sounds sind, da die Frequenzen zu niedrig sind, als dass sie hörbar wären. Er kann jedoch das Hauptsignal beeinflussen durch Hinzufügen eines Vibratos, Filtersweeps usw.
Ein LFO bietet im Allgemeinen diese Parameter:
Bei manchen Synthesizern kann der LFO auch durch einen Hüllkurvengenerator gepegelt werden. Ein Beispiel dafür bietet das verzögerte Vibrato, das bei Streichern beispielsweise erst einsetzt, wenn der Ton seine Einschwingphase hinter sich hat. Wenn dieser Effekt automatisch einsetzt, haben Sie beide Hände zum Spielen auf der Tastatur frei.
In manchen Synthesizern dient ein spezieller Hüllkurvengenerator genau nur diesem Zweck. Mitunter findet man dafür nur einen Attack-Parameter, zuweilen auch eine Decay- oder Release-Funktion. Diese Parameter gleichen denen der ADSR-Hüllkurven, die Pegel- und Filterfrequenzverlauf regeln (siehe Hüllkurven im Amplifier-Bereich), sie sind aber nur für den LFO zuständig.
Der Haupt-Hüllkurvengenerator dient nicht nur der Regelung des Pegelverlaufs, sondern kann auch andere Parameter steuern.
Die verbreitetste Anwendung in ist die Steuerung der Filter-Cutoff- und (seltener) der Resonanz-Parameter, oft in zusätzlicher Abhängigkeit von der Tastaturskalierung und der Anschlagsdynamik (siehe Modulations-Routing).
In diesem Abschnitt geht es um die globalen Parameter, die das Gesamtsignal des Synthesizers betreffen.
Der naheliegendste Parameter aus diesem Bereich ist der Gesamtpegelsteller (Master Volume), mit dem Sie die Lautstärke einstellen. Weitere Informationen zur Lautstärkeregelung finden Sie unter Hüllkurven im Amplifier-Bereich.
Andere globale Parameter sind:
Hinweis: Der Parameter "Trigger Mode" kann bei manchen Synthesizern auch so eingestellt werden, dass immer die höchsten oder tiefsten Noten Priorität haben.
Je nach Synthesizer-Modell finden Sie auch andere globale Parameter, die das gesamte Spielverhalten betreffen.