Synthesizer 3: Was ist Additive Synthese?

18. Juni 2002

Wie funktioniert Additive Synthese

Synthesizer 3: Was ist Additive Synthese?

Synthesizer 3: Was ist Additive Synthese?

Synthesizer Wissen Teil 3:

Was ist additive Synthese?

Entgegen der Subtraktiven Synthese wird bei der Additiven Synthese nichts vom Sound abgezogen sondern addiert. Meist werden zwei oder mehrere Wellenformen gleicher oder unterschiedlicher Frequenz überlagert. Wenn man dabei nicht gerade nur mit reinen Sinus – Wellenformen arbeitet (dazu kommen wir in der nächsten Folge) werden bei solchen Überlagerungen bestimmte Obertöne ausgelöscht (also doch nicht nur addiert;)) und andere hinzugefügt. Auf diese Weise kann man sehr einfach neue Wellenformen erzeugen und diese dynamisch verändern.

Additiver Klassiker, der Kawai K5000S

Nebenbei vermittelt dieser Artikel auch die Grundlagen für den zum späteren Zeitpunkt folgenden Artikel zur Frequenz- bzw. Phasenmodulation. Ebenfalls interessant dürfte der Artikel interessant für Besitzer Sample basierter Synths – manchmal „liebevoll“ Rompler genannt – sein, die hier lernen können wie sie ihren Schätzchen noch den einen oder anderen interessanten Sound entlocken können ohne gleich einen Haufen Geld für ROM – Erweiterungen ausgeben zu müssen.

Die Anforderungen an ein Gerät um additive Wellenformen mischen zu können sind sehr gering. Im Prinzip reicht es vollkommen aus wenn der jeweilige Synth mindestens 2 Oszillatoren mit unterschiedlicher Lautstärke überlagen kann. Günstiger ist es natürlich wenn man dabei auch die Frequenz verändern kann und der Oszillator mehr als nur eine Wellenform beherrscht. Das sind Voraussetzungen kann natürlich auch Sampler erfüllen, wenn man sie mit den entsprechenden Wellenformen füttert.

2_2osz.jpg

Richtig interessant wird es erst dann wenn man das Mischungsverhältnis der Oszillatoren dynamisch verändern kann. Entweder per Velocity oder besser noch mit einem Controller der es einem ermöglicht die Mischung der Oszillatoren während des Spielens steuern zu können.

Das dynamische Mischen von mehreren Wellenformen wurde Mitte der 80er beim Sequetial Circuits Prophet VS *1) eingesetzt und unter dem Namen Vektorsynthese bekannt. Der VS ermöglicht es 4 Wellenformen dynamisch zu mischen. Die Steuerung erfolgt dabei über eine Art Joystick, wobei man 5 Mischungsverhältnisse abspeichern und per Loopbaren – Mixer – Hüllkurve steuern kann. Nebenbei ist es sogar möglich eigenen Wellenformen in den VS zu importieren oder selbst zu erstellen.

Die Technik die beim programmieren der VS – Sounds verwendet wird kann man natürlich auch mit herkömmlichen Synthesizern verwenden, nur ist er hier etwas mühsamer, weil sich die Lautstärken Verhältnisse mit einem Joystick natürlich viel Einfacher einstellen lassen und man sich mit der Hüllkurve die Lautstärkenverhältnisse jedes mal neu zusammenbasteln muss. Besonders ohne Multistage Hüllkurve sind die Ergebnisse oft nicht vergleichbar mit den Sounds die man mit einem Vektorsynthesizer erzeugen kann.

(pre)Filtered „Vektorsynthese“

Beim mischen eigener Wellenformen passiert es doch recht oft, dass bestimmte Anteile eines Klangs zu laut oder zu leise sind, wohl dem der einen Synthesizer hat bei dem sich die Oszillatoren getrennt Filtern oder zumindest bis zu einem Sinus reduzieren lassen. Das ist besonders interessant, weil man bei vielen Synthesizern auch jeden Filter (z.B. mit einer eigenen Hüllkurve oder eigene Controller) einzeln steuern kann, man also durch Filter und Amplitude (Lautstärke) gleich zwei Möglichkeiten zur Beeinflussung des Klangs hat. Stehen entsprechende Controller zur Verfügung kann man damit sehr interessante Klangveränderungen erreichen. Selbst wenn man die Beeinflussung, wie bei vielen älteren Romplern, etwas spärlicher ausgefallen sein sollte, so ist kann selbst eine Steuerung der Parameter per Velocity den Klang interessanter machen.

3_2Osz_2filt_kl.jpg

Beide Oszillatoren erzeugen eine Rechteck – Wellenform, jedoch mit unterschiedlicher Tonhöhe, Filterfrequenz und Resonanz Einstellung.

Analoge- oder Virtuell – Analoge – Synthesizer bieten meist nicht sehr viele Wellenformen aber dafür Parameter wie Pulsweiten Modulation und oft auch einen „Wave Shape“ (gelegentlich auch unter einem anderem Parameter Namen zu finden) um das Aussehen der aktuellen Wellenform fliesend in eine Andere zu überführen. Bei jedem Schritt dieser Verwandlung verändern sich die Harmonischen zum Teil sehr extrem, daher lohnt es sich beim Überlagern der Oszillatoren unterschiedliche PWM und Wave Shape – Einstellungen durchzutesten. Das macht natürlich auch und besonders bei Synthesizern Sinn deren Klangerzeugung auf der Wavetable – Synthese basiert, aber diese Art der Synthese hebe ich mir für einen eigenen Artikel auf ;)

Leider viel zu selten bieten einem die Synthesizer einen Parameter zum verschieben der Phasen an, denn gerade wenn man Wellenformen mit der selben Frequenz mischt kann ein Verschieben der Phase das Resultat noch mal deutlich verändern. Zwar wird das harmonische Spektrum durch das verändern der Phasenlage einer Wellenform nicht beeinflusst aber die Phase aller Harmonischen verschoben, wodurch sich beim Überlagern unterschiedliche Bereiche addieren oder auslöschen. Der Effekt entspricht in etwa der Momentaufnahme des Phasings zweier leicht verstimmter Oszillatoren.

Hier ein Beispiel das zeigt welche Veränderungen im Klang schon durch das überlagern von zwei gegeneinander Phasenverschobenen Sägezahn Wellenformen entstehen können. Dabei wurde die Phasenlage einer der beiden Wellenformen mit einem Stepsequenzer moduliert. Das bei jedem Umschalten hörbare „klicken“ entsteht durch die unterschiedlichen Lautstärken die beim verschieben des Loop – Starts aufeinandertreffen.

Seiner Zeit weit voraus … der Kawai K5

Neben Wellenformen lassen sich natürlich auch Samples mischen. So lassen sich durch das überlagern einiger mehr oder weniger schwachbrüstiger Drum – Sounds selbst aus dem alten MT-32 noch interessante Percussions raus kitzeln.
Neben Samples und Wellenformen kann man auch die Resultate aus Modulationen dem eigentlichen Signal wieder hinzufügen. So kann das beimischen des FM – Signals einen Lead – Sound verbessern weil er ihm noch ein paar Obertöne und damit nötige Schärfe verschafft. Ganz ähnlich verhält es sich mit der Rindmodulation, nur das die hier hinzugefügten Signal dem Original eine andere Färbung gibt, da bei der RM andere Gruppen von Obertönen erzeugt werden.
Besonders interessant wird es wenn der Synthesizer es einem ermöglicht die FM/RM Signale per Hüllkurve zu steuern, denn so kann man z.B. in der Attack Phase des Lead Sounds das FM – Signal kurzzeitig aufdrehen und es im Verlauf weiter absinken lassen und damit den Klang lebendiger klingen zu lassen. Auch eine Steuerung per Velocity und/oder Modwheel kann den Klang deutlich interessanter klingen lassen.
Das gilt natürlich auch für das Konglomerat aus Drum – Samples das ebenfalls durch unterschiedliche Velocity – Einstellungen der Bestandteile deutlich dynamischer klingen kann.

Die PCMs wurden alle außerhalb ihrer Originaltonhöhe gespielt und das erste Sample mit der Hüllkurve so bearbeitet dass man fast nur die Attack – Phase zu hören ist.
Übrigens, den hochfrequenten Ton den man Ende der Samples hört erzeugt der MT und nicht meine Wandlern ;)

Hat man mehrere Oszillatoren zur Verfügung deren Lautstärkenverhältnisse sich statisch oder besser noch dynamisch verändern lassen. Meist kann man die Frequenz- und gelegentlich hat man auch die Filtereinstellungen pro Oszillator zu verändern. Will man nun einen bestimmten Klang erzeugen sollte man sich erst mal eine Basis – Wellenform oder Sample suchen die dem angestrebten Klang so nah als nur möglich kommt. Unter Umständen enthält diese Basis unerwünschte Komponenten die man – so fern vorhanden – mit einem Filter eliminieren kann oder es hilft etwas Resonanz um dem erwünschten Klang näher zu kommen. An diesem Punkt kann man sich überlegen welche Komponente dem angestrebten Klang fehlt und hoffen diese entweder in den Wellenformen zu finden oder sich durch weitere Überlagerungen und verschiedener Filtereinstellungen den fehlenden Harmonischen annähern zu können.
Hat man sein Ziel erreicht, kann man durch für die jeweiligen Oszillatoren unterschiedliche Velocity – Einstellungen von Lautstärke und Filter den Klang dynamisch spielbar zu machen. Dabei muss man die Parameter der Oszillatoren unter Umständen leicht anpassen, damit der Klang bei normalem Spiel die erwünschte Klangfarbe besitzt. Je nach Klang bieten sich natürlich auch Controller und Spielhilfen wie Aftertouch und Modwheel zum steuern der Klangfarbe an.

Auch sollte man darauf achten dass der Klang nicht zu statisch wirkt und gerade in der Attack Phase ein wenig Veränderung stattfindet, wie schon im dritten Teil beschrieben wirkt ein Klang auf diese Weise druckvoller.

Casio FZ-1

Und auch der FZ-1 erlaubte eingeschränkt, additive Synthese

Man kann nicht nur Oszillatoren mit gleicher Tonhöhe mischen sinnvoll sind auch Frequenzverhältnisse von einer und mehr Oktaven, wobei gelegentlich auch ein Verstimmen um +3, +5 oder +7 Noten interessante Ergebnisse erzielen kann. Höherer Frequenzen werden meist mit einer geringerer Lautstärke zum Basis Klang gemischt, ansonsten klingt die resultierende Wellenform meist nach Orgel, da man mehr als nur einen Grundton erzeugt.
Es lohnt sich auf jeden Fall viel mit den vorhandenen Wellenformen zu experimentieren um ein Gefühl für die vorhandenen Vorrat zu bekommen und oft entstehen gerade dabei die besten Klänge. Auch sollte man interessante Zwischenergebnisse abspeichern um sie später wieder aufgreifen zu können.
Übrigens, ein Rezept ist da um auch mal von ihm abzuweichen… ;)

*1) Übrigens Ich hatte noch nie das Vergnügen an einem Prophet VS zu sitzen, Kenner mögen mir daher Ungenauigkeit oder Fehler verzeihen.

Kommen wir nun zum Praxis-Teil „Additive Synthese“

Warning: Die Obertöne schlagen zurück!

Die additives Synthese ist praktisch der Assembler (für Menschen verständliche Version der Maschinensprache eines Prozessors) der Soundprogrammierung, dagegen ist alles andere eine Hochsprache. Trotzdem kann man sich auch bei der additiven Synthese das Leben leichter machen und in Analogie zum Vergleich mit der Maschinensprache ein paar Makros definieren. OK, das war jetzt für Insider…. ;)
Nun die Übersetzung für alle die sich noch nie mit Maschinensprache auseinander gesetzt haben, das dürften wohl für die meisten Leser des Artikels zutreffen. Auch bei der additiven Synthese muss man nicht immer atomar – also auf Basis der Obertöne – seine Klänge basteln, sondern kann in vielen Fällen auch so arbeiten wie ich das im letzten Teil beschrieben habe. Trotzdem wird es nicht einfach werden und wer diesen Artikel gelesen hat wird mit Fug und Recht sagen können dass es jetzt nur noch leichter werden kann ;)

Die Hinweise zum VirSyn Cube musste ich später hinzufügen, da zu dem Zeitpunkt als der Cube das Licht der Welt erblickte dieser Artikel schon zum großen Teil geschrieben war und eigentlich nur noch die Beispiele fehlten… J
Mit dem Cube wird die additive Synthese wahrscheinlich noch weitere Freunde finden, denn die Benutzeroberfläche vereinfacht das experimentieren mit dieser Form der Klangerzeugung und verhilft auch dem „unbedarften Nutzer“ zu schnellen Erfolgserlebnissen…
Während ich diesen Artikel schreibe wurden mit discoDSPs Vertigo und dem Camel Audio CA5000 weitere additive Softwaresynthesizer angekündigt, die ich in diesem Artikel leider nicht mehr berücksichtigen kann.

Für was brauche ich die additive Synthese?

Selbst wenn man kein stolzer Besitzer eines Kawai K5000, VirSyn Cube, Nord Modular oder Reaktor ist kann einem das grundlegende Verständnis der additiven-Synthese bei der Soundprogrammierung ungemein hilfreich sein, denn man kann sich auf diese Weise das klangliche Resultat mancher Synth-Sessions viel einfacher erklären und schraubt nicht nur hilflos vor sich hin. Daher sollten Leser die keines der oben genannten Synthesizer besitzen nicht gleich mit dem lesen aufhören, zudem kann man vieles von dem hier beschriebenen z.B. auch auf FM-Synthesizer umsetzen. Zwar ist man dabei in den meisten Fällen auf 6 Operatoren beschränkt, trotzdem kann man auf diese Weise seine ersten Versuche starten. Auch Absynth, Rhino und Microwave II/XT/PC User (mit entsprechender Editor Software) können die meisten Beispiele direkt nachvollziehen.

Die Workstation unter den additiven Klassikern, der K5000W

Harmonische und nicht-harmonische Obertöne

Bei den Harmonischen handelt es sich um Sinus Wellen von der die zweite Harmonische die doppelte Frequenz des Grundtons (oder erste Harmonische) besitzt und die darauf folgenden Harmonischen jeweils ein vielfaches der Frequenz des Grundtons belegen. Der Grundton ist ebenfalls eine Sinus-Wellenform aus dessen Frequenz sich die Tonhöhe der resultierenden Wellenform ergibt. Auch spielt die Phasenlage der Harmonischen eine Rolle, Absynth und Rhino (ab v.1.07) User wird der zusätzliche Parameter beim erstellen der User Wellenformen aufgefallen sein. Wobei ich den Parameter der Einfachheit halber ignorieren werde und man davon ausgehen kann dass für diesen Artikel alle Harmonischen mit der gleichen Phasenlage beginnen.
Mit einem praktischen Beispiel wird das Ganze vielleicht etwas deutlicher und kann unter Umständen vorhandenen Klangerzeugern nachgebaut werden.

Ist der Grundton ein Oszillator der einen Sinus in einer bestimmten Frequenz erzeugt so liegt die Frequenz des Oszillators der die zweite harmonische erzeugt genau um eine Oktave höher als die des Grundtons. Die Frequenz des Oszillators mit dem die dritte Harmonische erzeugt wird ist um eine Oktave + reine Quinte oder besser gesagt 19 (12 + 7) Halbtöne höher als der Grundton, während die 4. Harmonische um zwei Oktaven (24 Halbtöne) verschoben ist und sich die 5. Harmonische 28 Halbtöne über dem Grundton befindet. Wie man sieht wird der Abstand in Halbtönen immer kleiner, während jede Harmonische immer ein vielfaches der Frequenz des Grundtons bleibt. Weil für einige Leser vielleicht einfacher zu verstehen habe ich zudem die Abstände nochmal in Form von Noten aufgeschlüsselt: 1.Harm.=C, 2.Harm.=C1, 3.Harm.=G1, 4.Harm.=C2, 5.H.=E2, 6.Harm.=G2.
Bei Vielen dürfte an dieser Stelle ein Weltbild zusammenbrechen, aber Musik und Mathe hängen unglücklicherweise viel enger zusammen als man auf den ersten Blick erwarten würde und ein Dreiklang (die Akkorde für die man 3 Finger brauch;)) klingt unter anderem auch deshalb so gut weil sich die Harmonischen der einzelnen Noten sich treffen ;). Ist es da so falsch zu denken dass Klang und Melodie sich in ihrer Wirkung beeinflussen?

Nun ist die Welt nicht immer harmonisch und die Wellenformen nicht immer punktsymmetrisch. Daher kommen in der Natur neben den Harmonischen auch nicht-harmonische Obertöne vor, die Frequenzen außerhalb bzw. zwischen denen der eben beschriebenen Harmonischen-Reihe annehmen. Mehr dazu gibt es in einem eigenen Absatz…

Additive Synthese mit FM-Synthesizern

Um mir hier gleich noch ein paar Leser mehr zu verschaffen kommt hier eine kleine Anleitung die einem hilft aus seinem FM-Synth einen additiven Synthesizer zu machen.
Das erzeugen der benötigten Harmonischen ist das kleinste Problem, da FM-Synthesizer den Sinus ja schon von Hause aus mitbringen und die Lautstärke jedes Operators (FM-Oszillator) durch eine eigene Hüllkurve gesteuert werden kann. Auch die Frequenzen der Harmonischen sind auch recht einfach einzustellen, da diese der Nummer der Ratio Frequenzeinstellung entspricht.

Ratio – Frequenz Operator 1 = 1. Harmonische (Grundton)
Ratio – Frequenz Operator 2 = 2. Harmonische (1. Oberton)
……..
Ratio – Frequenz Operator n = n. Harmonische (n. Oberton)

Bei den meisten FM-Synthesizern ist daher bei der 6ten Harmonischen Schluss. Aber das ist nur die halbe Wahrheit, denn unbenutzte Harmonische lassen sich auch anderweitig einsetzen, wenn also ein Spektrum nur aus ungeraden Harmonischen besteht so kommt man sogar hoch bis zur 12ten Harmonischen. Außerdem kann man die harmonischen leicht gegeneinander verstimmen und Obertöne außerhalb der Harmonischen Reihe erzeugen, worauf ich später noch eingehen werde.

Additive Spektren erstellen ohne dabei vollends dem Wahnsinn zu verfallen…

Versucht man Spektren per Hand zu erstellen sind die ersten Ergebnisse meist recht ernüchternd und hören sich in den meisten Fällen eher nach Orgel als nach einer „brauchbaren“ Wellenform an. Das ist ein typischer Anfängerfehler der mir auch unterlaufen ist, da man dazu neigt beim erstellen der Spektren mehr als nur einen Grundton zu erzeugen in dem man die Lautstärke der Harmonischen erhöht bis man sie auch wirklich hören kann, nur dann sind ist sie eigentlich schon zu laut. Natürlich macht es in vielen Fällen Sinn Wellenformen zu basteln die aus mehr als nur einem Grundton bestehen, um zum Beispiel einen weitern um eine Oktave verstimmten Oszillator zu simulieren, aber ohne die nötige Erfahrung sollte man erst mal klein anfangen und es mit den einfachen Wellenformen probieren.
Zu Beginn bietet es sich an von einem einfachen additiven Spektrum wie das einer Sägezahn- oder Rechteck-Wellenform auszugehen. Da man durch das löschen aller geraden Harmonischen sehr einfach aus einem Sägezahn ein Rechteck machen kann eignet sich das Spektrum des Sägezahns besonders gut zum experimentieren, da alle Harmonischen vorhanden sind und man schnell ein paar davon löschen kann um zu hören was passiert. Zumindest bis man die ersten Erfolgserlebnisse hatte sollte man davon absehen einzelne Harmonische lauter zu machen sondern eher dessen Lautstärken reduzieren oder auch das Spektrum um die Harmonische gleich mit anzuheben. Wenn man nicht gerade mit 128 und mehr Harmonischen arbeitet sollte man darauf achten Lautstärken der höheren Harmonischen langsam zu reduzieren, da dem Ohr sonst in den tieferen Lagen des Keyboards bemerkt dass Harmonische fehlen und man die höheren Harmonischen, denen quasi der „Abschluss“ fehlt, als unangenehmes „Fiepsen“ oder Surren wahrnimmt. Diese Problem kennen auch die Hersteller von Nativen oder DSP basierenden Synthesizern.

Hier schon mal ein paar Spektren zum besseren Verständnis:

– Sägezahn1_Cube-Saw.jpg

– Rechteck2_Cube-Sq.jpg

– Dreieck3_Cube-Tri.jpg

– Resonanter Sägezahn4_Cube-Saw-Reso.jpg

Hier und da sehnt gerader der Musiker sich nach etwas Resonanz, natürlich lässt sich auch das additiv reproduzieren, in dem man eine Beule in Spektrum im Bereich der Resonanzfrequenz einzeichnet. Im Vergleich zur Filterresonanz hat die Sache den Nachteil dass die Resonanzfrequenz mit der Tonhöhe bzw. der gespielten Note, wie bei einer gesampleten Wellenform, mitwandert. Ein Problem das sich wunderbar mit dem Formant-Filter lösen lässt, der ebenfalls in diesem Artikel besprochen wird.

Beim erstellen eines Spektrums lohnt es sich daran zu denken dass das Ohr hier Mustererkennung spielt und interessante Muster oft auch interessant klingen. Es lohnt sich einfach mal sich ein Spektrum zu „stricken“ in dam man z.B. je zwei Harmonische löscht und Eine stehen lässt.
Aufpassen sollte man nur mit dem Grundton, denn ohne ihn entsteht ein eher dünner, scharfer oder drahtiger Klang, dem das Bass Fundament fehlt, was natürlich auch seinen Reiz hat…
Auch klingt z.B. ein mathematisch idealer Sägezahn nicht unbedingt Ideal, daher lohnt es sich an die Spektren nochmal Hand anzulegen…

Oszillatoren sparen leicht gemacht

Bei der Soundsynthese werden oft Oszillatoren mit unterschiedlichen Frequenzen überlagert und in sehr vielen Fällen liegen die Oszillatoren um eine oder mehr Oktaven voneinander entfernt. Das ist natürlich bei Orgeln der Fall aber auch bei Bässen und Synth-Strings findet man das sehr oft. Wie weiter oben schon erwähnt ist die Sache mit der Orgel kein großes Problem und man fühlt sich bei erstellen eigener Spektren fast schon von Orgeln verfolgt, schließlich bietet die additive Synthese ja ausreichend Sinus Wellen die sich nach belieben überlagern lassen. Aber auch die Simulation von z.B. zwei oder mehr um eine oder mehr Oktaven gegeneinander verstimmte Sägezahn oder Rechteck Wellen mit nur einem Oszillator ist kein Problem und auch hier wird aus dem Sägezahn ein Rechteck sobald man alle ungeraden Harmonischen aus dem Spektrum entfernt.

Hier einige mit Absynth analysierte Wellenformen, wobei man die blauen Balken, welche die Phasenlage repräsentieren, für diese Beispiele getrost vergessen kann.

Spektrum zweier um je eine Oktave verschoben und überlagerten Sägezahn-Wellenformen.5_Absynth-SAWx2.jpg6_Absynth-SAWx2-waveform.jpg

Spektrum von drei um je eine Oktave verschobenen und überlagerten Sägezahn-Wellenformen.7_Absynth-SAWx3.jpg8_Absynth-SAWx3-waveform.jpg

Spektrum zweier um je eine Oktave verschoben und überlagerten Rechteck-Wellenformen.9_Absynth-SQx2.jpg10_Absynth-SQx2-waveform.jpg

Spektrum von drei um je eine Oktave verschobenen und überlagerten Rechteck-Wellenformen.11_Absynth-SQx3.jpg12_Absynth-SQx3-waveform.jpg

Hier einige Sounds die diese Technik anwenden:

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Pad Sound aus einer mit Sounddiver analysierten Wellenform, bestehend aus drei überlagerten und um je eine Oktave verstimmten Sägezahnwellen.
[K5k-SQx2-Pad.mp3] K5000 Pad Sound aus einer mit Sounddiver analysierten Wellenform, bestehend aus zwei überlagerten und um je eine Oktave verstimmten Rechteckwellen. Das Ergebnis klang recht unerwartet, ließ sich aber trotzdem gut zu einem Sound verarbeiten.
[Cube-Bellstring.mp3] Eine Note des Cube „Bellstring“ Preset. Das Spektrum ist nicht die Ergebnis einer Analyse sondern wurde mit der Hand erstellt.

Höher, weiter, BREITER

Speziell für die additive Synthese entwickelte Oszillatoren klingen meist recht steril und dünn und liegen damit nicht ganz im aktuellen Trend, bei dem die Geräte nicht „Phat“ genug klingen können. Ein Möglichkeit einen additiven Synthesizer druckvoll klingen zu lassen ist die entsprechende Programmierung der Harmonischen um einen statischen Klang zu vermeiden und dem Ohr etwas Futter zu geben. Die Oszillatoren klingen dann zwar meist immer noch etwas drahtig, aber zumindest wirken sie dann deutlich aggressiver und druckvoller.
Wer es ein wenig breiter brauch, z.B. für Flächen, Bässe oder wenn die Lead-Sounds mal nicht ganz so drahtig sein sollen, kann sich mit einem kleinen Trick behelfen. Dabei hilft es die Harmonischen gegeneinander zu verstimmen, was natürlich nur dann möglich ist wenn es einem der Synthesizer erlaubt die Frequenz jeder der vorhandenen Harmonischen zu modifizieren. Das funktioniert leider mit keinem additiven Synthesizer den ich kenne und die meisten FM-Synthesizer sind auf 6 Harmonische beschränkt, außer man schichtet mehrere Voices als Performance übereinander oder besitzt gar einen FS1R, der einem immerhin schon 16 Harmonische pro Voice bietet. Aber Besitzer eines echten additiven Synthesizers können das, indem sie sich mit einem kleinen Trick behelfen und die Harmonischen auf zwei oder mehrere Oszillatoren verteilen und entsprechend gegeneinander verstimmen, das hat auch gleich den Vorteil dass man das auf diese Weise die Teile des auseinander gerissene Spektrum sehr leicht mit der Lautstärken-Hüllkurve oder LFO des jeweiligen Oszillators gegeneinander verschieben kann und auch einer Kontrolle per Mod-Wheel, Aftertouch und diversen CCs steht nichts im Wege.

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K5000 Pad Sound bei dem zwei Spektren die mit geraden und ungeraden Harmonischen abwechseln…

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Bestehend aus zwei komplementären Spektren. In diesem Fall wechseln sich aber nicht die geraden und ungeraden Harmonischen ab, sondern es wird ein Muster verwendet bei dem zwischen zwei Harmonischen in einem der beiden Spektren jeweils 4 Harmonische im anderen gesetzt werden. Im Beispiel hört man was passiert wenn man die Lautstärke des Spektrums mit den 4 aufeinander folgenden Harmonischen verringert.

Wir brauchen BazZZZ…

Ein großes Problem der meisten additiven Synthesizer liegt im Bass Bereich, zwar lassen sich recht ordentliche Sub-Bässe aus den Kisten kitzeln aber so richtig britzeln und brummen wie man es von den subtraktiven gewohnt ist will es dann in den meisten Fällen doch nicht. Das gleiche Problem kennt man übrigens auch von einigen Softwaresynthesizern die ihre Bandbreite zu weit einschränken um Aliasing bzw. Artefakte zu vermeiden. Daran kann man sehen dass Absynth oder Microwave XT intern höchst wahrscheinlich nicht mit additiven Wellenformen arbeitet, sonst würde die Software im Bass-Bereich längst nicht so gut klingen. Es gibt natürlich Mittel und Wege die fehlenden Harmonischen durch eine Art Enhancer Algorithmus dem Klang wieder zukommen zu lassen, wer einen K5000 hat kann das mit dem gleichnamigen eingebauten Effekt testen.
Trotzdem ist es nicht unmöglich aus einem additiven Synth ordentliche Bässe rauszukitzeln. Zum einen kann man natürlich die Menge der vorhandenen Harmonischen erweitern, beim K5000 kann man auf diese Weise bis zu 128 Harmonische kombinieren. Viele additive Synthesizer bieten zusätzlich einen Amplituden bzw. Ringmodulation um die fehlenden Obertöne zu erzeugen. Letzteres kann bei den entsprechenden Einstellungen auch noch durch einer gehörige Menge Schmutz dem sterilen additiven Sound zusätzlichen Charakter verleihen. Darauf werde ich hier nicht weiter eingehen, weil zur AM bzw. RM einen eigener Artikel geplant ist.
Wer sich die Cube Presets anschaut wird sogar einen Bass Sound finden der über 300 Harmonische zum klingen braucht und beim reduzieren des Partial (englisch für Teilton) Parameters bei den sehr tiefen Tönen einen Verlust der Höhen feststellen können

[K5k-AM-Bass.mp3] Besteht aus zwei Spektren mit je 64 Harmonischen. Durch AM bzw. Ringmodulation (da die Lautstärke des zweiten Oszillators auf Null gesetzt ist) werden zusätzliche Obertöne erzeugt.

Nicht Harmonische erzeugen leicht gemacht

Die nicht-harmonischen Obertöne sind bei der FM-Synthese kein großes Problem und auch mit der Hilfe von AM/Ringmodulation leicht zu erreichen, da diese bei den eben genannten Synthese Verfahren schon fast zwangläufig erzeugt werden. Man findet sie bei metallischen Klängen oder zur Simulation des Anschlags- bzw. Einschwingverhaltens von natürlichen Instrumenten, z.B. Saiten- und Blassinstrumenten. Bei den meisten additiven Synthesizern ist das allerdings auf den ersten Blick nicht ganz so einfach, denn wie soll man nicht-harmonische Obertöne erzeugen, wenn man die Harmonischen zur Verfügung hat?
Auch hier hilft es wenn man die Obertöne auf mehrere Oszillatoren verteilt und entsprechend verstimmt. Ein gutes Beispiel sind hier metallische Klänge, wer schon versucht hat die aus Synthesizern ohne Ring- oder Frequenz Modulation zu entlocken wird versuchen die additiven Oszillatoren um drei, fünf oder sieben Noten gegeneinander zu verstimmen. Vorausgesetzt man wählt für die beiden Oszillatoren die richtigen Harmonischen aus liegt man damit Gold richtig, was zeigt dass für alle Formen der Synthese die selben Regeln gelten. Wer auf diese Weise mehr als nur metallische Klänge erzeugen will muss vom zu synthetisierenden Klang entsprechendes Sample und Software zum analysieren haben.
Da im Cube nur jeweils ein Spektrum aktiv ist bietet es zu diesem Zweck einen Spread (zu deutsch Spreizung) Parameter der das Frequenzverhältnis der Obertöne so verändert, dass die zuvor Harmonischen ganz und gar nicht mehr harmonisch zueinander klingen.
Aber auch die Freunde der AM (Amplituden Modulation) werden am Cube ihre helle Freude haben, da die extrem fixen Hüllkurven sich sogar für einige AM, FM und Filter-FM-Sounds einsetzen lassen. Das funktioniert z.B. mit einem Loop in der Volume-Hüllkurve, bei dem man schnell zwischen „laut“ und „leise“ wechselt und man durch den Inhalt des Loops praktisch die Modulations-Wellenform angibt. Aber auch in dem man per Morph-Envelope schnell zwischen Sources mit zwei unterschiedlichen Detune-, Filter und/oder Partial (Spektrum) Einstellungen morpht kann man sehr Interessante Klänge aus dem Softsynth holen…

Where’s the Noise?

Wo wir nun das Problem mit dem Bass gelöst haben bleibt noch eine Frage offen. Wie erzeuge ich mit einem additiven Synthesizer Rauschen und an dieser Stelle wird man ohne Sample oder zusätzlichem Rauschgenerator nicht weiter kommen.
Natürlich ist das wieder nur die halbe Wahrheit denn zumindest die Anschein von Rauschen kann man trotzdem vermitteln. Oft reicht es vollkommen genügend Oszillatoren mit einem großen Anteil von Obertönen im oberen Bereich des Spektrum zu überlagen und gegeneinander zu verstimmen. Ein anderer Weg um den Anschein von Rauschen zu erwecken sind Oberton Verläufe, wie man sie z.B. von einigen FM-Flötensounds oder resynthetisierten Instrumentenklängen kennt.
Der Programmierer des Cube ist hier einen anderen Weg gegangen den man in ähnlicher Form auch von Synths mit schnellen LFOs kennt. Dem additiven Synth wurde eine Funktion beschert mit der man einzelne Obertöne oder ganze Gruppen mit unterschiedlicher Intensität mit Rauschen Frequenzmodulieren kann. Je nach dem welche Teiltöne moduliert werden, kann man mit diesem Parameter recht unterschiedliche Formen bzw. unterschiedliche Farben von Rauschen erzeugen.

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Ein mit Hilfe von Sounddiver resynthetisierter K5000 Flötensound.

Formant-Filter

Tja, nach dem es einen weiteren bezahlbaren Synth mit Formant-Filter gibt und es danach aussieht als ob es sich dabei nicht um den letzten Vertreter seiner Zunft handeln wird, ist mit dem vorherigen Absatz nun doch nicht schluss und ich denke ernsthaft darüber nach ob ich nicht noch einen oder zwei Artikel über Formante machen sollte :-) Der wird mit Sicherheit auch für FS1R-User interessant werden…
Zuerst sollte man klären was ein Formant ist, denn der Filter hat beim K5000 nicht umsonst diesen Namen bekommen. Die Formante sind die Frequenzanteil eines Instrumentes die sich beim spielen unterschiedlicher Noten nicht verändern. Erzeugt werden diese Anteile meist durch die physikalischen Eigenschaften eines Instruments, wie z.B. dem Resonanzkörper. Auch bei der Stimme werden die Formante durch die körperlichen Merkmale, wie Mund, Nasen, Rachenraum etc. des Menschen bestimmt und können sich durch die Veränderung des Resonanzkörpers verschieben. Diese Veränderung bestimmen z.B. den Selbstlaut (AEIOU) den wir beim sprechen und singen aus den Schwingungen der Stimmbänder formen.
Genau dieses Verhalten lässt sich auch mit der Formant-Filter bzw. Morphing-Filter Sektion von K5000 oder Cube nachbilden, denn der Formant-Filter verstärkt bzw. dämpft Obertöne abhängig von ihrer absoluten Frequenz und unabhängig von ihrer Position im Spektrum. Anders als das additiven Spektrum, das sich je nach gespielter Note komplett verschiebt, werden bestimmte Frequenzen, unabhängig von der Note/Frequenz des gespielten Tons, beeinflusst. Aus diesem Grund hat Resynthese beim verschieben der Tonhöhe, bis auf die Länge der Note, auch mit den selben Problemen wie Sampling zu kämpfen. So lange nicht auch noch die Formante berücksichtigt werden, wird sich der Charakter des Klangs sich beim verschieben der Tonhöhe weiterhin komplett verändern und das Instrument (abhängig vom Instrument) oder die Stimme nicht mehr natürlich klingen.

Hier die „Formant-Filter“ Einstellungen des „Singing-Cube“ Cube Factory Sounds. Die Formante sind aus musikalischen Gründen und damit der Sound besser morpht nach Gehör angepasst worden. Die durchschnittliche Formantfrequenzen von Frau und Mann hab‘ ich zum Vergleich unter die Grafiken gesetzt. Als Hörprobe der unbearbeitete Vokal, beim fertigen Sound hört sich das natürlich deutlich besser an.13_Cube-FF-Vocal-A.jpg

Formant-Filter A

Formant Frequenz Weiblich: F1= 590Hz F2= 920Hz F3= 2710Hz
Formant Frequenz Männlich: F1= 570Hz F2= 840Hz F3= 2410Hz

14_Cube-FF-Vocal-E.jpgFormant-Filter E

Formant Frequenz Weiblich: F1=610Hz F2=2330Hz F3=2900Hz
Formant Frequenz Männlich: F1=530Hz F2=1840Hz F3=2480Hz

15_Cube-FF-Vocal-I.jpgFormant-Filter I

Formant Frequenz Weiblich: F1=310Hz F2=2790Hz F3=3310Hz
Formant Frequenz Männlich: F1=270Hz F2=2290Hz F3=3010Hz

16_Cube-FF-Vocal-O.jpgFormant-Filter O

Formant Frequenz Weiblich: F1= 850Hz F2=1220Hz F3= 2810Hz
Formant Frequenz Männlich: F1=730Hz F2=1090Hz F3= 2440Hz

Aber mit der Nachbildung von Formanten ist beim Morph bzw. Formant-Filter lange nicht schluss, auch alle üblichen Synthesizer-Filter, bis hin zu den exotischen Typen, lassen sich mit einem Formant-Filter nachbilden. Dazu reicht es natürlich nicht wenn der Filter statisch fast wie ein Equalizer bestimmte Frequenzbereiche bearbeitet sondern man muss Bewegung in die Sache bringen können. Dazu lässt sich die Basis-Frequenz des K5000 Formant-Filters verschieben, was in den meisten Fällen die gleiche Wirkung wie das verändern Filterfrequenz (Cutoff) bei einem konventionellen Filter hat.
Beim Cube ist der Entwickler einen anderen Weg gegangen, hier morpht man zwischen bis zu 4 Filtereinstellungen, wobei man mit den Morphpoints markante Stellen markieren und so die Bewegungsrichtung dieser Punke bzw. des ganzen Filters festlegen kann. Auf diese Weise kann man z.B. auch zwischen zwei komplett unterschiedlichen Filtertypen morphen oder ansteigende Resonanz simulieren, was beim K5000 in der Form nicht möglich ist.

Wie man an den folgenden Abbildungen sieht erzeugt man beim Formant-Filter den entsprechenden Filtertyp in dem man mehr oder weniger einfach nur die Filterkurve zeichnet. Wobei man beim Morphing-Filter des Cube noch die durch die Morphpoints gesteuerte Bewegung berücksichtigen muss.

– K5000 Formant-Filter Low Pass17_K5K-Lowpass.jpg

– K5000 Formant-Filter High Pass18_K5K-Highpass.jpg

– K5000 Formant-Filter Band Pass

19_K5K-Bandpass.jpg

-Cube Morph-Filter Resonant nach Tiefpassfilter

Weitere Tipps und Trick zum Cube

– Sources Morphen leichter gemacht (Odo und Maya lassen grüßen… ;))

Wenn man zwischen zwei oder mehr unterschiedlichen Sources, z.B. Rechteck und Sägezahn morphen möchte erreicht man einen schönen weichen Übergang zwischen den Wellenformen wenn man sie bis zu dem Punkt aneinander annähert, an dem sie sich wirklich unterscheiden. So ist für unser Ohr ein Rechteck selbst dann noch eine „echte“ Rechteckwellenform wenn dem harmonischen Spektrum eines Sägezahns schon verdammt nah gekommen ist. Wem das noch nicht reicht kann auch den Sägezahn noch ein wenig in Richtung Rechteck bewegen, was aber in diesem Fall keinen großen Unterschied mehr machen würde.

Filter morphen Trial and Error

Beim morphen zwischen verschiedenen Filter Einstellungen zu einem ordentlichen Ergebnis zu kommen ist nicht immer einfach. Zwar ist das Erstellen der Anfangs- und Endpunkte relativ einfach aber die Morphpoints so zu setzen dass auch die Zwischenschritte Sinn manchen geht nicht immer so leicht von der Hand. Hier bietet es sich an das Morphen von je zwei Sources mit dem Mod-Wheel zu steuern um so Zwischenschritte besser abhören und die Morphpoints entsprechend anpassen zu können. Vorteilhaft ist es z.B. das Mod-Wheel auf Mittestellung zu bringen, da die Morphoint Einstellungen beider Sources die Klangfarbe gleichermaßen beeinflussen.

Kawai K5000R mit Control Box (c by Matrixsynth.com)

Pitch Modulation

Dass man den Cube durch das Morphen zwischen Sources mit verschiedenen Frequenzen zur Frequenzmodulation treiben, kann habe ich ja schon weiter oben zum beschrieben, eine Funktion die vom Programmierer des Synths höchst wahrscheinlich gar nicht so gedacht war, aber sehr interessante Ergebnisse liefern kann.
Wie ich schon im Teil III zur subtractiven Synthese beschrieben habe ist die Pitch Hüllkurve das Salz in der Suppe bei der Programmierung von Drum-/Percussion, Pad Sounds und Voice Sounds. Beim Cube gibt es keine Extra Pitch Hüllkurve, er bietet aber die Möglichkeit jede Source zu stimmen und damit quasi eine Pitch-Hüllkurve zu erzeugen.
Einen kleinen Nachteil hat die ganze Sache aber noch, denn Cube erlaubt es im Moment die Sources um Halbtöne zu verstimmt, was aber in einer der nächsten Versionen behoben sein soll. Daher muss man im Moment noch Spektren und Morph-Filter ein wenig an die gewünschte Tonhöhenveränderung und oft die Gesamttonhöhe anpassen um subtilere Pitch-Hüllkurven zu realisieren. Siehe dazu auch den „Cube X-Files“ oder „70s Disco“ Sound aus den Presets…

Hüllkurven Kontrolle

An sich lassen sich die meisten der Cube Parameter mit Hilfe der Learn-Funktion durch beliebige Controller steuern. Nur mit den Hüllkurven ist das nicht so einfach, denn sie bis auf die Key Time entzieht sie sich der Kontrolle. Will man einem Sound die Attack oder Decay Zeit z.B. abhängig von Mod-Wheel oder Aftertouch- verändern, kann man sich mit den Huellkurven der Partiale helfen, um die Wirkung der Amp-Hüllkurve zu modifizieren. Man stellt einfach die Attack Zeit der Amplituden Hüllkurve etwas kürzer ein und den Level im Sustain Loop auf einen entsprechend hohen Wert. Dann erstellt man an den entsprechenden Sources zwei Versionen des Sounds die mit Hilfe der Partial-Envelopes zwei unterschiedliche Lautstärkenverläufe haben, deren Einstellungen zusammen mit den anderen Parameter der Sources morphen. Siehe dazu auch die „Det. Trance Lead“, „Congas/Bongos“ oder „Heavy Metal“ Sounds aus den Presets.
Nebenbei bemerkt lassen sich beim K5000 die Hüllkurven der Harmonischen ebenfalls zweckentfremden z.B. um den linearen Attack der Amplituden Hüllkurve ein wenig auf die Sprünge zu helfen und unter anderem Pad-Sounds eine sanftere Einschwingphase zu verpassen…

Die Kurve kriegen…

Weil 8 von 10 Leser noch nicht verstanden haben was das Ganze nun mit dem vorherigen Teil zu tun hat… ;)

Synthesizer wie z.B. K5000, Abynth und Rhino ermöglichen es einem nach klassischer Soundbastler Manier durch überlagen von unterschiedlichen Spektren und geschickter Hüllkurven und Controllerprogrammierung gezielte Obertonveränderungen zu erreichen. Wie schon im ersten Teil zur additiven Synthese beschrieben kann man generell auch diese Weise mit fast jedem Synthesizer additiv Klänge stapeln, aber wenn man das Spektrum vor Augen hat und bei Bedarf noch weiter modifizieren kann eröffnet das einem natürlich deutlich mehr Möglichkeiten als mit festen Wellenformen oder Samples zu arbeiten.
Die geschickte Hüllkurvenprogrammierung nimmt einem der Cube durch sein Morphing weitgehend ab. Ein echtes Überlagern ist meist nicht mehr nötig, schon weil man durch das erzeugen von Spektren mit mehreren Grundtönen problemlos Klänge erzeugen kann, die nach mehr als einem Oszillator klingen.
Hat man für jeden Oberton eine eigene Amplituden-Hüllkurve, wie z.B. bei K5000 und Cube steigen die Möglichkeiten, aber diesen Einfluss auf quasi atomarer Ebene zu nutzen erfordert deutlich mehr Erfahrung mit der Materie, also nicht gleich die Flinte ins Korn werfen.

Klangbeispiele
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