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Synthesizer Knowhow 2: Subtrakive Synthese kurz erklärt

23. Februar 2018

Subtraktive Synthese

Workshop Synthesen

Nachdem ich in der letzten Folge mit einer Übersicht zu den wichtigsten Formen des Klangsynthese begonnen habe, möchte ich diesmal gleich zur Sache kommen und euch ein wenig über die subtraktive Synthese erzählen. Alle, die schon mehr als nur Presets an den aktuellen Song angepasst haben, hoffe ich nicht allzu sehr zu langweilen, aber vielleicht bringe ich dem einen oder anderen von euch im Laufe des Artikel doch noch eine neue Erkenntnis.

Die subtraktive Synthese

Subtraktive Synthese

Vereinfachte Darstellung der subtraktiven Synthese

So wie man in der Mathematik die Grundrechenarten beherrschen sollte, schon damit man beim Brötchen kaufen nicht übers Ohr gehauen wird, so ist die subtraktive Synthese quasi das Handwerkszeug der Klangprogrammierung. Sie ist relativ leicht zu verstehen und deshalb möchte ich später mit ihrer Hilfe auch die anderen Formen der Klangsynthese erklären.

Der Oszillator

Der Oszillator ist quasi das Herz eines Synthesizers, er schwingt mit einer bestimmten Frequenz und mit einer bestimmten Form vor sich hin. Macht man das Signal eines Oszillators hörbar, so ist das, was man bei einem subtraktiven Oszillator so zu hören bekommt, relativ langweilig. Denn hier werden nur statische Schwingungsformen erzeugt und wenn man Glück hat und einen analogen Synth vor sich hat, „spürt“ man noch ein paar Variationen in Lautstärke und Frequenz der Schwingungsform, was den Sound meist noch ein wenig breiter, druckvoller, lebendiger oder kurz „fetter“ klingen lässt. Da es im Prinzip nichts anderes als zufällige Modulationen sind, aber dazu kommen wir auch noch.
Konnten die ersten Oszillatoren nur sehr simple Schwingungsformen wie Dreieck, Sinus, Sägezahn und Rechteck mit unterschiedlicher Pulsbreite (auch dazu komme ich noch) herstellen, viele der heutigen Synthesizer bieten jedoch eine wesentlich größere Anzahl von Schwingungsform, z.B. bietet der Virus noch 62 weitere Schwingungsformen. Andere Geräte, wie z.B. der Microwave XT, ermöglichen es sogar, eigene Schwingungsformen zu importieren. Wer mehr als einzelne Schwingungsformen will, kann natürlich auch gleich zum Rompler oder Sampler greifen, um ganze Horden von Schwingungen (auch Samples genannt) zu verwursten.

Das Filter

Filtern begegnet man überall in täglichen Leben. Da wird Öl, Wasser, Kaffee oder Luft gefiltert. Allen Filtern gemein ist, dass irgendetwas hineingeschickt wird, aber nur noch ein Teil davon den Ausgang erreicht. Meist bleibt irgendwas im Filter hängen und so viel anders funktioniert das Filter, das man im Synthesizern findet, auch nicht. Bis auf den Unterschied, dass man es nicht ausleeren oder wechseln muss, zum Glück ist das nicht mal bei den wirklich analogen Synths nötig, wäre bei manchen Sounds vielleicht sogar eine recht unangenehme Angelegenheit ;-)
Aber beim Synthesizer wird kein Wasser gereinigt, sondern hier werden elektrische Schwingungen hineingeschickt, aber nur bestimmte Frequenzen wieder rausgelassen. Ganz ähnlich wie bei einem Radio, durch die Antenne kommen alle möglichen Sender (auch das sind elektrische bzw. elektromagnetische Schwingungen), die auf unterschiedlichen Frequenzen liegen, aber ein Filter lässt gerade die Frequenz passieren, die man hören möchte oder wie ein Equalizer, der bestimmte Frequenzen filtern kann.
Ist es beim Equalizer so, dass man meist einen aus vielen Komponenten bestehenden Klang in bestimmten Bereichen (oft nur Bass und Höhen) verstärkt und in anderen (vielleicht den Mitten ;)) dämpft. Das zu filternde Signal bei Synthesizern besteht oft (aber zum Glück nicht immer) nur aus einer Schwingungsform und unser Pendant zum Equalizer hat für die verschiedenen Frequenzen eine unterschiedliche Dämpfung, die aber nicht verändert werden kann. Das ist so, als wenn wir bei einem Equalizer eine Kurve (Kennlinie des Filters) einstellen würden und dann die Regler festkleben, aber dafür einen Knopf hätten, mit dem man die Frequenz der Bänder verschieben könnte, an irgendeinem Punkt hat man den Equalizer in einem Bereich geschoben, an dem es nix mehr zu dämpfen bzw. filtern gibt, es damit wirkungslos ist. In etwa so kann man sich die Wirkungsweise eines Filters vorstellen.
Damit das Ganze nicht zu langweilig wird, gibt’s unterschiedliche Arten von Filtern, die nur bestimmte Frequenzbereiche blockieren bzw. durchlassen und unterschiedliche Filterkurven, die das Signal um die Filterfrequenz mehr oder weniger stark filtern.

Subtrakive Synthese

Frequenzspektrum vor und nach dem Einsatz des Lowpass-Filters

Die Resonanz

Hier wird eine phasengedrehte Version des Ausgang des Filters anliegenden Signals rückgekoppelt, also wieder in den Eingang geschickt. Je nach Stärke der Rückkopplung erhält man dabei immer mehr Obertöne im Bereich der Filterfrequenz. Der Ton wird dadurch schärfer im Bereich bis zum Bereich der Selbstoszillation, bei der man nur noch einen Sinus mit der Tonhöhe der Filterfrequenz zu hören bekommt. Doch, doch! Den Satz kann man nach einiger Zeit, wenn man schon ein paar Sounds programmiert hat, tatsächlich verstehen ;)
Aber für den Moment reicht es aus, wenn man weiß, dass die Resonanz oft nuanciert eingesetzt wird, um ein wenig Schärfe in den Klang zu bekommen. Auch beim Programmieren von Bässen ist der Resonanz-Parameter oft für den Charakter des Klangs verantwortlich. Ebenfalls immer gerne in Ambient-Tracks eingesetzt wird der „resonant sweependen Pad Sounds“.

Prominenter Vertreter der subtraktiven Synthese, der ARP 2600

Low Frequency Oszillator (LFO)

Unter einem LFO versteht man in den meisten Fällen einen Oszillator, der nur zu Modulationszwecken eingesetzt wird und der in der Regel langsamer (daher auch das Low Frequency im Namen) als einer der eigentlichen Oszillatoren ist. Mit ihm kann man meist Tonhöhe (Vibrato), Lautstärke (Tremolo), Filter (Wah Wah oder Growl) oder Pulsbreite (dazu kommen wir noch) beeinflussen. Wie ihre schnellen Gegenstücke kann man auch bei den LFOs unter mehreren Schwingungsformen auswählen. Typisch sind Sinus, Sägezahn aufsteigend, Sägezahn absteigend, Dreieck, Rechteck und Zufall.

Die Hüllkurve

Die Hüllkurve oder Envelope ist ein nicht gerade ein unwichtiger Teil eines Synthesizers. Mit ihr kann man in den meisten Fällen den Verlauf der Lautstärke, des Filters oder der Tonhöhe (bei einige Geräten sogar fast beliebige Parameter) steuern. Es gibt sie in unterschiedlichen Ausführungen, von zwei Parameter-Versionen bis zu mehrstufigen Hüllkurven (Multistage Envelopes), wobei manche sogar das Programmierung von Schleifen für Sustain (Haltephase) und Release (in der Ausklingphase) ermöglichen. Einige Geräte bieten einem sogar die Möglichkeit, Hüllkurvenverläufe mit der Hand zu zeichnen.

… aber auch der Korg M1 ist ein subtraktiver Synthesizer

Die ADSR-Hüllkurve

Am Gebräuchlichsten ist die ADSR-Hüllkurve (Attack, Decay, Sustain, Release), sie enthält nur die notwendigsten Parameter zur Kontrolle des Klangs. Spezielle Funktionen wie Echos, Pseudo-Hall oder Schleifen sind mit ihr natürlich nicht möglich, aber man kommt mit ihr recht schnell ans Ziel und kann während einer Live-Performance den Klang problemlos nachbearbeiten.
Mit dem Parameter für den Attack gibt man an, wie lange die Hüllkurve benötigt, um ihre lauteste Phase zu erreichen. Die Decay-Phase gibt an, wie lange die Hüllkurve braucht, bis sie den Haltepunkt erreicht. Der Parameter für das Sustain-Level oder Haltepunkt bestimmt, auf welchen Wert die Hüllkurve nach Ablauf des Decays sinkt. Der Sustain-Wert wird bis zum Loslassen der Taste gehalten. Die Hüllkurve sinkt dann in der durch die Release-Zeit bestimmten Wert wieder auf Null.

Hüllkurve ist nicht gleich Hüllkurve

Wenn jemand schon mit unterschiedlichen Synthesizern und Samplern gearbeitet hat, wird er feststellen, dass die Hüllkurven der Geräte auch recht verschieden reagieren. Das liegt zum großen Teil an den unterschiedlichen Steigungsfunktionen, die bei vielen Samplern und Synths aus 80ern linear ist, bei den analogen (und den meisten virtuell analogen) Synthesizern jedoch logarithmisch ansteigt, was dem menschlichen Hörempfinden entgegenkommt. Einige Geräte ermöglichen es sogar, die Steigungsfunktion der Hüllkurven auf unterschiedlichste Weise zu manipulieren. Bei Geräten mit linear ansteigenden Kurven kann man nur hoffen, dass das Gerät mit einem Multistage Envelope ausgerüstet ist, dann hier kann man das Verhalten durch das Verteilen der einzelnen Phasen auf mehrere Stufen nachahmen, ansonsten hat man beim Erstellen von einigen Sound so seine Probleme oder muss den entsprechenden Parameter zusätzlich mit einem LFO modulieren (beeinflussen), um zum Ziel zu kommen. Natürlich hat man bei den meisten Geräten auch keine unbegrenzte Anzahl von LFOs ;-)

Cwejman S1 - Version MK2

Dem Cwejman S1 sagt man besonders schnelle Hüllkurven nach

Bipolare Hüllkurve

Das Besondere an einer bipolaren Hüllkurve ist, dass ihre Werte sowohl in den positiven als auch in den negativen Bereich hineinragen, sich also um einen Mittelwert bewegen. Was z.B. bei der Modulation der Tonhöhe oder der Filter von Vorteil sein kann. So kann man den Wert um einen bestimmten Bereich wie z.B. der aktuellen Filterfrequenz oder der eingestellten Tonhöhe wandern lassen. Ebenfalls interessant sind bipolare Hüllkurven immer dann, wenn ein Parameter von mehreren Quellen moduliert wird und man sicherstellen will, dass der jeweilige Parameter trotzdem immer wieder zu einem Nullpunkt oder das Maximum erreicht. Zum Beispiel ein Bass-Sound, dessen Filter sich im Ausklang immer „schließen“ soll, egal wie sehr der Sound von anderen Modulationsquellen beeinflusst wird. Natürlich kann man vieles, was man mit einer bipolaren Hüllkurve machen kann, auch dann erreichen, wenn man den Parameter, den man per Hüllkurve moduliert, einen bestimmten Wert subtrahiert und damit den eigentlichen Nullpunkt nach oben verschiebt. Aber es ist einfach schöner, wenn man bei der Soundprogrammierung mehr hören und weniger rechnen muss.

Modulation

Bei der Modulation beeinflusst ein Bauteil des Synthesizers einen anderen. So beeinflusst üblicherweise eine Hüllkurve die Lautstärke, um deren Verlauf zu bestimmten. Diese Verbindung ist bei den meisten Synthesizern (mit Ausnahme von Modularsystemen) fest und kann von außen nicht verändert werden. Meist gilt das auch für die Filterhüllkurve, die gelegentlich auch Tonhöhe oder Lautstärke beeinflussen kann. Ähnlich sieht es mit den LFOs aus, auch hier kann man, wie oben schon erwähnt, Lautstärke, Tonhöhe, Filter und oft auch die Pulsbreite modulieren.
Aber es geht auch noch einen Schritt weiter. Auch ein regulärer Oszillator kann die Lautstärke (Amplituden-Modulation), die Frequenz (Frequenz-Modulation) eines anderen Oszillators oder gar das Filter (Filterfrequenz-Modulation) modulieren. Da ein Oszillator meist recht schnell schwingt, passiert das im hörbaren Bereich, was dazu führt, dass sich die Schwingungsform des modulierten Oszillators verändert. Aber FM, Filter FM, AM und Ringmodulation werde ich an einer anderen Stelle noch ganz ausführlich behandeln.

Warum modulieren?

Sinn der ganzen Modulationen ist es, den Sound in Bewegung zu halten, denn ein statischer Klang ist für das Ohr meist recht langweilig. Ich habe oft genug Klänge gehört, welche die erste halbe Sekunde wirklich interessant waren, aber dann in einem statischen Klang endeten, was dem Klang den Charakter nimmt. Auch wenn die Attack-Phase eines Klangs die für das Ohr prägende eines Sounds ist, sollte ein guter Soundprogrammierer den Sound so lange wie nur möglich lebendig halten. Das schafft er meist durch Modulationen oder durch Effekte, die mittlerweile bei vielen Geräten ein fester Bestandteil der Klangerzeugung sind. Eine weitere Möglichkeit, den Klang zu verändern, ohne den jeweiligen Parameter direkt zu modulieren, ist das dynamische Verändern der Lautstärkenverhältnisse von Oszillatoren. Aber dazu gibt’s mehr, wenn wir bei der additiven Synthese angekommen sind.

Ein echtes Modulationsmonster, der Access Virus

Externe Modulation

Natürlich gibt es auch Klänge, die recht statisch sind, aber von der Art her so ausgelegt sind, dass man ihnen durch die Steuerung der entsprechenden Controller Leben einhauchen kann. Viele der Parameter (Filter, Hüllkurve, Panorama, Lautstärke, LFO uvm.) der aktuellen Klangerzeuger lassen sich durch die entsprechenden MIDI-Controller steuern. Da die meisten Keyboarder aber nur mit 2 Händen ausgestattet sind, ist es bei vielen Sounds sehr sinnvoll – sofern es das Geräte zulässt – wenn man mehrere Parameter gleichzeitig über einen oder zwei Controller steuern kann. Hier bieten sich meist Modulationsrad, Aftertouch oder Regler an, die man frei belegen kann. Bei einigen Geräten kann man bei entsprechend programmierten Sounds auf diese Weise schon durch das Verändern von einem oder zwei Reglern sehr extreme und auch interessante Klangveränderungen erzeugen. Ebenfalls wichtig und bei älteren Geräten oft die einzige Möglichkeit, den Klang dynamisch zu steuern, ist die Velocity, mit der man nicht nur die Lautstärke des Gesamtklangs, sondern meist auch die Lautstärkenverhältnisse zwischen den Oszillatoren, Tonhöhe oder Filter (!) steuern kann.

Nachdem wir die Basis nun hinter uns haben und jetzt hoffentlich jeder weiß, wozu Oszillatoren, Filter und Hüllkurven so da sind, möchte ich im nächsten Artikel auf den praktischen Einsatz dieser „seltsamen“ Bauteile eingehen.

Klangbeispiele
Forum
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    Andi

    Echt Klasse Florian wie anschaulich Du die Soundsynthese-Grundlagen hier beschreibst. Vielen Dank dafür – man lernt einfach nie aus ;-)

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    herw  

    Ich finde solche Grundsatzartikel sehr gut.
    Trotzdem muss ich in der ersten Grafik einer Fehler vermelden: ein Portamento ist ein kurzes Glissando, d.h. es verändert kurzzeitig die Tonhöhe, besser den Tonhöhenwechsel. Es beeinflusst in keiner Weise die Lautstärke, also den Verstärker, wie in der Grafik dargestellt.
    D.h. es ist auf die gleiche Stufe parallel zum LFO (Vibrato) zu setzen.

    • Profilbild
      drbach  

      so wie es dargestellt ist, müsste es „Tremolo“ statt „Portamento“ heissen, ist wahrscheinlich dies gemeint, ist auch so im Text erklärt

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