Synthesizer

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Definition

Ein Synthesizer ist ein Musikinstrument, welches auf elektronischem Wege durch die sogenannte Synthese Töne erzeugt. Man unterscheidet dabei zwischen analogen und digitalen Synthesizern.

Analoge Synthesizer (Monophon)

Der erste Synthesizer wurde von einem Herrn namens Robert Moog hergestellt und erstmals 1964 auf der „Audio Engineering Society Convention“(AES) vorgestellt.

In den späten 1960er Jahren erschienen dann eine Menge Aufnahmen, die den damals neuen Moog-Sound verwendeten. Berühmt wurde das Stück POPCORN, das zum weltweiten Top-Hit wurde und als erster Song der Musikgeschichte komplett mit dem Moog-Synthesizer erstellt wurde. Sogar die Beatles verwendeten beim Recording auf ihrem Album ABBEY ROAD einen Moog, um dem Schluss-Refrain von Here Comes the Sun einen besonderen Klang zu verpassen.

Robert Moog begründete jedoch nicht nur eine neue Ära des Klangs, sondern lieferte zugleich auch den technischen Hintergrund dazu, indem er z.B. eine Schnittstelle zur externen Ansteuerung über eine logarithmische Tonhöhensteuerung entwickelte. Das Ansteuern der Synthesizer erfolgte über eine normale Klaviatur, oder über einen Sequenzer, bei dem man die Tonhöhenfolgen zeitlich programmieren und somit über diese Schnittstelle ansteuern konnte.

Da das Moog Modular System für den Bühnen- und Live-Einsatz jedoch zu groß und zu umständlich zu bedienen war, integrierte Robert Moog die elementaren Komponenten des Synthesizers in ein kompakteres Gehäuse, gab ihm den Namen Minimoog und brachte diesen 1970 auf den Markt kam: Der Minimoog begann sein Siegeszug und wurde in den Folgejahren zu einem der beliebtesten Synthesizer, der Anklang auf der ganzen Welt fand.

Analoge Synthesizer (Polyphon)

Die ersten Synthesizer waren monophon. Nur wenige waren in der Lage, zwei Töne zur gleichen Zeit zu erzeugen. Echte Polyphonie war zu diesem Zeitpunkt nur über das Prinzip der elektrischen Orgel (Oktavteiler-Prinzip) zu realisieren.

1976 kamen jedoch dann auch die ersten “echten” polyphonen Synthesizer auf den Markt. Allerdings waren diese sehr komplex und teuer. Der erste erschwingliche polyphone und durch Mikroprozessoren gesteuerte programmierbare Synthesizer war der Prophet-5 der 1978 von Sequential Circuits hergestellt wurde. Zum ersten Mal war es nun möglich geworden, Einstellungen zu speichern und per Knopfdruck wieder abzurufen. Zudem war er – wieder verglichen mit den Modulsystemen – kompakt und leicht.

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Analoge Klangerzeugung

Die analogen Synthesizer der 1970er Jahre waren oft als Modularsystem aufgebaut. Die einzelnen Komponenten (Signalgeneratoren, Filter, Modulatoren) waren in einem Rack montiert und wurden über Klinkensteckerkabel miteinander verbunden. (–> Kabelsalat in Vollendung)

Hintergrundwissen: Ein Ton setzt sich in der Regel aus einem Grundton und den dazugehörigen harmonischen Obertönen zusammen. Klänge der anderen Art entstehen durch den verschiedenartigen Aufbau von Obertonreihen. Die einzelnen Obertöne unterscheiden sich dabei in Frequenz, Amplitude und dem zeitlichem Auf- und Abbau. Die Klangerzeugung in analogen Synthesizern stellte in Anlehnung an mechanische Instrumente zunächst nur wenige Grundwellenformen zur Verfügung: die Kippschwingung (streicherähnlich), die Rechteckschwingung (holzbläserähnlich), und die Dreieckschwingung (flötenähnlich).

Voltage Controlled Oscillator

Der VCO ist ein elektronischer Schwingkreis dessen Tonfrequenz von einer Steuerspannung abhängig ist. Bei der simultanen Verwendung mehrerer Oszillatoren erhöht sich die Zahl der klanglichen Gestaltungsmöglichkeiten – wobei häufig ein leichtes bzw. minimales “gegeneinander-gestimmt-sein” von Oszillatoren verwendet wird (out-of-tune-effect).

Der Rauschgenerator

Von Weißem Rauschen spricht man, wenn in einem Klanggemisch alle hörbaren Frequenzen in etwa gleichen Anteilen auftreten. Um ein Farbiges Rauschen z.B. Rosa Rauschen handelt es sich bei einer gewollten Störung dieser Frequenz-Gleichverteilung (wenn ein Frequenzbereich dominant oder weniger dominant ist). Einige Synthesizer besitzen die Möglichkeit, ein Rauschen zu erzeugen, bei dem die tiefen Frequenzen überwiegen. Das Rauschen kann auch als Modulationsquelle dienen. Auf diese Weise entstehen ungewöhnliche und interessante Klänge.

Voltage Controlled Filter (VCF)

Die eigentliche Klangformung findet im VCF statt. Dabei ist der gebräuchlichste Filter der Tiefpass-Filter (LPF).  Der Hochpass-Filter (HPF) arbeitet genau umgekehrt. Durch das in-Reihe-schalten von Tief- und Hochpassfiltern entsteht ein Bandpassfilter (BPF). Das Gegenstück dazu, eine Bandsperre, entsteht bei Parallelschaltung von LPF und HPF. Hier wird ein spezielles Frequenzband gedämpft, während die übrigen Frequenzanteile ungehindert passieren.

Voltage Controlled Amplifier (VCA)

Der VCA kontrolliert den Klangparameter Dynamik in Abhängigkeit von der Spannung. Im Synthesizer wird der VCA hauptsächlich vom Hüllkurvengenerator gesteuert. Die meisten Synthesizer-Hersteller benutzen den VCA jedoch nicht als echten Verstärker, sondern lediglich als Abschwächer – er wird daher auch öfter als Voltage Controlled Attenuator = Abschwächer bezeichnet. Lediglich bei Moog-Modularsystemen findet man beide Funktionalitäten am Werk: Verstärken und Abschwächen.

Der Hüllkurvengenerator

Hüllkurvengeneratoren produzieren Spannungsabläufe, die programmierbar sind und über den VCA zur Dynamikregelung des Klanges benutzt werden. In den meisten Fällen lassen sich bei Hüllkurvengeneratoren vier unterschiedliche Parameter programmieren: Anschwellzeit (Attack-Time), Abklingzeit (Decay-Time), Lautstärke (Sustain-Level) und Ausklingen (Release-Time). Diese Parameter können durch den Regler “Level” verändert werden. Die dadurch entstandene Abkürzung ADSR kommt von den vier Phasen der Hüllkurve: Attack, Decay, Sustain, Release.

Die Modulation

Der LFO (Low Frequency Oscillator) besteht aus einem regelbaren Oszillator mit tiefer Frequenz. Wird der VCF mit den unterschiedlichen Wellenformen des LFOs moduliert, lassen sich bei Kopplung zweier Filter z.B. in Bandpass oder -sperre, verschiedene Effekte wie Wah-Wah oder Phaser erzeugen. Durch eine Modulation des VCAs bei sinus- oder dreieckförmigen LFO-Signalen entsteht ein Tremolo. Bei einem Rechtecksignal des LFOs wird für ein permanentes Wiederholen des Tones gesorgt, womit der der sogenannte Mandolinen-Effekt entsteht.

Sample-and-Hold

Hier wird aus einem verrauschten Signal in regelmäßigen Abständen ein Sample entnommen und als Spannungsniveau festgehalten. Durch die VCO-Kontrolle mit solch einem Signal ändert sich die Tonhöhe zufällig, wohingegen die Töne bei VCF-Steuerung (Spektralmodulation) zufällig heller und dunkler werden. Dies hat einen “blubbernden” oder entfernt sprachähnlichen Klang zu Folge.

Frequency Follower

Dieses Modul wandelt die Tonhöhe eines Signals in eine entsprechende Steuerspannung um. Damit arbeitet es genau nach dem umgekehrten Prinzip eines VCOs.

Envelope Follower

Diese Baugruppe wandelt den Lautstärkeverlauf oder eine Frequenz in einen entsprechenden Spannungsverlauf um.

Ringmodulator

Ein Ringmodulator multipliziert zwei Signale miteinander. Das resultierende Signal besteht aus den Summen- und Differenzfrequenzen der Harmonien beider Eingangssignale. Bei einfachen Verhältnissen von Frequenzen zu Signalen erhält man üblicherweise auch harmonische Klänge. Werden jedoch kompliziertere Frequenzverhältnisse gewählt, entstehen beispielsweise metallische oder auch glockenartige Klänge. Die Flexibilität der Ringmodulation bei der unmittelbaren elektronischen Umformung beliebiger Schallergebnisse macht sie insbesondere für den LIVE-Einsatz tauglich.

Resonanzfilter

Dieses Modul dient der elektronischen Nachbildung von Formanten (charakteristische Teiltöne eines Lautes).

Analoge Sequenzer

Sie produzieren automatische Steuerspannungsabläufe und Triggersignale, die zur Kontrolle jedes beliebigen spannungsgesteuerten Synthesizermoduls verwendet werden können. Analoge Synthesizer können auch von digitalen Sequenzern angesteuert werden. Diese digitalen Sequenzer sind heute wiederum von Mikroprozessoren gesteuert. Man unterscheidet darum wiederum in Hardware- und Software-Sequenzern.

Digitale SynthesizerFrequenzmodulation

Eine Revolution war die Erfindung von Synthesizer mit digitaler Klangerzeugung, zunächst per FM-Synthese. Diese war prinzipiell auch mit analogen Oszillatoren möglich, wurde allerdings erst in den 1970er Jahren durch die digitale Form entwickelt. Vorteil letzterer war dabei die komfortable Anwendung der FM-Synthese: Bei der FM-Synthese erzeugen digitale Oszillatoren (sog. Operatoren) verschiedene Sinusschwingungen, die sich in Abhängigkeit von einem gewählten Algorithmus gegenseitig modulieren, sodass sich komplexe Schwingungsformen ergeben. Eine Besonderheit der FM-Synthese im Gegensatz zur damals gebräuchlichen subtraktiven Synthese war die Möglichkeit, besonders obertonreiche und perkussive Klänge zu erzeugen.

Das Patent der FM-Synthese wurde vom japanischen Musikinstrumentenhersteller Yamaha lizenziert. 1983 erschien dann mit dem DX7 der Synthesizer, der den gesamten Markt revolutionieren sollte und den analogen Synthesizer zunächst verdrängte. Er war „der“ Synthesizer der 1980er Jahre und man findet kaum eine Pop-Musikaufnahme aus dieser Zeit, auf der kein DX7 zu hören ist.

Sound-Sampling

Eine weitere Revolution war das Sampling. Beim Sampling werden natürliche Klänge digitalisiert – gesampelt. Diese digitalen Wellenformen bilden dann die Grundlage der Klangerzeugung. Mit dem Sampler war auf einmal das möglich, was bisher nur mit dem analogen Mellotron möglich gewesen war (das mit Magnetbändern betrieben wurde).

Die technischen Möglichkeiten der Wiedergabe waren wegen der geringen Auflösung und Speicherkapazität zunächst begrenzt. Peter Gabriel und Kate Bush veröffentlichten 1982 die ersten Aufnahmen, auf denen „gesampelte“ Klänge zu hören sind. 1985 kam dann mit dem MIRAGE von Ensoniq der erste, für die breite Masse erschwingliche Sampler auf den Markt. Sampling prägte also das Klangbild der Popmusik der 1980er Jahre – Heute können mit den weitaus schnelleren und leistungsfähigeren Computern und Soundkarten umfangreiche Sampling-Bibliotheken geladen und für computerbasierte Musikarrangements genutzt werden.

Workstations

1987 brachte Roland einen Synthesizer auf den Markt, der aufgrund seiner Klangerzeugungs-Möglichkeiten (Samplingund Modulation) sehr populär wurde. KORG führte wenig später mit ihrem M1 diese Fusions-Philosophie fort: Sie präsentierten einen Synthesizer, oder  vielmehr einen neuen Typus, ein Sammelsurium an Geräten: Die „Workstation“ – Hier waren zum ersten Mal ein Synthesizer, ein Effektgerät, ein Drumcomputer und ein  Sequencer in einem Gerät integriert. Dieses erlaubte das Erstellen kompletter Musiksequenzen in einem Gerät, ohne weitere externe Hardware.

Physical-Modelling-Synthesizer

Anfang der 1990er Jahre kamen dann die ersten Synthesizer mit einer neuartigen Synthesemethode, dem Physical Modelling, auf den Markt. Bei der PM-Synthese wird versucht, anhand von mathematischen Beschreibungen eine „natürliche“ Klangerzeugung digital zu simulieren. Das bedeutet, man berechnet zuerst wie sich z.B. Luftschwingungen in einer Trompete verhalten oder die Saite einer Violine schwingt und “baut” dann einen mathematischen Algorithmus-Komplex, der dasselbe Ergebnis abliefern soll. Das Ergebnis wird dann noch für die die Synthesizer-Umgebung  emuliert – und fertig ist die perfekte Kopie eines natürlichen Klanges durch das Wunder der Mathematik.

Dieses sicher schon länger bekannte Prinzip konnte erst umgesetzt werden, als der Karplus-Strong-Algorithmus entwickelt wurde. Für eine Echtzeitberechnung waren dann noch leistungsfähige digitale Signalprozessoren (DSP) nötig, die aber erst Ende der 1980er Jahre zur Verfügung standen.

Wie bei der FM-Synthese sicherte sich Yamaha die Rechte dieser Synthese und entwickelte ab 1989 zusammen mit der Stanford University dieses Syntheseverfahren. Der erste Synthesizer, der mit dieser Technik arbeitete, ging 1994 in Serienfertigung. Mit dieser Technik versuchte man auch bald, alte analoge Vorbilder zu digitalisieren. Dazu gehören der Clavia Nord Lead, der Access Virus und die Synthesizer des Unternehmens Waldorf Music. Nach den digitalen Synthesizerklängen der 1980er Jahre kam es in den 1990er Jahren zu einer Renaissance analoger Synthesizer bzw. ihrer Klänge, insbesondere durch das Aufkommen der Techno-Musik. Vormals fast wertlos gewordene Synthesizer wie Rolands TB-303 stiegen dadurch wieder erheblich im Wert.

Hybrid-Synthesizer

Die meisten Synthesizer sind heutzutage komplett digital aufgebaut. Sie verwenden DSP-Bausteine zur Klangerzeugung und die verschiedenen Formen der Klangsynthese werden gleichzeitig eingesetzt.

In den letzten Jahren wurden immer mehr sogenannte Hybrid-Synthesizer entwickelt, die DSPs mit analogen Bauteilen kombinieren.  Das Konzept des hybriden Synthesizers stammt aus den 1980er Jahren, und kombiniert kurze digitale Samples oder additiv erzeugte Wellenformen mit analogen Filtern. Der SY99 von Yamaha konnte zum Beispiel geladene Samples in die FM-Synthese einspeisen. Die daraus resultierenden Wellenformen konnte er nochmals subtraktiv bearbeiten (Filter) und kombinierte so Sampler und digitale FM-Synthese mit subtraktiver Klangerzeugung.

Sofware Synthesizer

In heutigen Zeiten sind sogenannte „native software synthesizer“ sehr beliebt. Aufgrund der Leistungsfähigkeit moderner PCs ist es möglich, digitale Klangerzeugung auf unspezialisierten Prozessoren durchzuführen. Mittlerweile gibt es für jede Syntheseform verschiedene Software-Synthesizer. Viele sind Emulationen analoger historischer Vorbilder.

Diese Software-Synthesizer werden durch ein Masterkeyboard, Pad-Controller oder Drehregler angesteuert und gespielt.

 

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