Synthesizer Knowhow 1: Synthesen kurz erklärt

13. Februar 2018

Synthesen im Überblick

Workshop Synthesen

Das ist der Beginn einer Artikelserie über Soundprogrammierung. Ich hoffe, an dieser Stelle nicht nur erklären zu können, wie man einen bestimmten Sound erstellt, sondern auch worauf es meiner Meinung nach bei der Programmierung von Klängen ankommt. Wobei dabei sicher niemand alle Wahrheiten kennt und es verschiedene Wege gibt, an die Erstellung neuer Sounds ranzugehen. Insofern muss jeder seinen eigenen Weg finden. Aber ein kleiner Schubs kann ja nicht schaden. ;) Ich will auch aufzeigen, dass es bei der Erstellung von Sounds gar nicht so sehr wichtig ist, den gewünschten Klang mathematisch 100%ig identisch zu reproduzieren, vielmehr reicht es völlig, wenn das „Ohr“ es als solchen erkennt (außer man programmiert ihn für Aliens oder Fledermäuse ;)). Ein Soundprogrammierer sollte daher auch ein klein wenig Illusionist sein ;) Ich werde euch daher nicht mit irgendwelchen Formeln quälen, da ich selbst auch eher intuitiv an einen neuen Sound rangehe. Damit die Sache nicht allzu trocken wird, werde ich das Ganze noch ein wenig mit Grafiken und Sounds anreichern. Auch werde ich so oft wie möglich ein paar praktische Tipps zur Programmierung bestimmter Klänge geben.

Vorweg: Ich bin weder Biologe, Psychologe noch Physiker, also bitte nicht alles bitter ernst nehmen. :) Viele der im Eingang vorgestellten Sachen werde ich später noch intensiver erklären, jedoch nicht mehr, als zur Programmierung von Sounds wirklich nötig ist.

Also, wie funktioniert das mit dem Schall denn nun? Das was wir hören, sind eigentlich Veränderungen des Luftdrucks, die so schnell sind, dass wir sie wahrnehmen und unser Gehirn sie als Ton erkennt. Es bringt also nix einen 5 Hz Subbass zu machen, zum einen kommt kein Lautsprecher so tief und zum anderen kommt es dem Hörer eher wie ein Rhythmus mit 300 Beats pro Sekunde vor. Interessanterweise nehmen wir nicht nur die Schwankung an sich wahr, sondern anscheinend auch die Unterschiede in der Geschwindigkeit im Anstieg und beim Abklingen, so dass wir auch unterschiedliche Schwingungsformen und Überlagerungen wahrnehmen können. Wie das genau im Ohr funktioniert, will ich außer Acht lassen, viel wichtiger ist es, sich auf sein Ohr zu verlassen..

Wir wissen spätestens seit der Erfindung von verlustbehafteten Kompressionsformaten wie MP3, dass das Ohr dabei sehr träge ist und recht oft akustischen Täuschungen erliegt, meiner Meinung nach eines der wichtigsten Verbündeten des Soundprogrammierers. Beispielsweise haben Forschungen von Psychologen ergeben, dass der ungeschulte Mensch nicht mehr als 2000 Klangfarben voneinander unterscheiden kann (kein Wunder, dass in den Top Ten so viele Songs mit billigen Sound rumdümpeln ;)) *1. Auch interessant zu wissen ist, dass ein kurzes Knacken als leiser empfunden wird als ein anhaltender Ton *2. Mehr davon an geeigneter Stelle …

Die Sache mit den Obertönen

Eine andere, vielleicht ein wenig mathematischere Art Klänge zu sehen, ist die als eine Anhäufung von Sinus- und Kosinus- (ein um 1/4 der Schwingungsform nach links verschobener Sinus) Schwingungen in verschiedenen Frequenzen und Lautstärken. Wobei sich eine periodische Schwingung durch die Sinusform, die ein Vielfaches des Grundtons haben, bilden lässt. Hmmm … das soll jetzt jemand verstehen, was? Gut, das war nur ein kurzer überblick, die Erklärung folgt auf dem Fuß.

Zum einen ist der Sinus ist die einzige Schwingungsform ohne jegliche Obertöne, ohne Ecken und Kanten. Für unser Ohr gibt es beim Sinus keine großen Änderungen im Luftdruck, er steigt kontinuierlich an und sinkt genauso kontinuierlich ab. Nimmt man jetzt einen zweiten Sinus mit doppelter Frequenz des Grundtons (der Frequenz des ersten Sinus), so hat man die 1. Harmonische, bei der dreifachen Frequenz die 2. usw. Dazu, hat man die Obertöne und diese machen den Charakter eines Klanges aus. Wobei wir die einzelnen Obertöne eigentlich nur als Resultat hören (außer die Obertöne sind im Verhältnis sehr laut, dann hört sich das Ganze mehr nach „Orgel“ an und es entstehen zusätzliche Grundtöne), schließlich addieren sie sich zum Grundton und drücken nette kleine Bäuche und Einbuchtungen in diesen.
Ein gewisser Jean-Baptiste Fourier, seines Zeichens Mathematiker, hat – wohl mit Hilfe der Mathematik- (manchmal ist sie ja doch zu was gut ;)) 1811 nachgewiesen, dass jede beliebige periodische (sich wiederholende, wiederkehrende) Schwingung durch die Überlagerung unendlicher Sinusschwingungen darstellen lassen. Also auch die üblichen Rechteck- und Sägezahn-Schwingungsformen. Da unser Ohr und die D/A- (digital nach analog) Wandler so ihre Grenzen hat, reicht eine endliche Menge allerdings vollkommen aus. Für nichtperiodischen z.B. perkussive oder Glockenklänge reichen die Harmonischen allerdings nicht mehr aus, da müssen auch die Frequenzen dazwischen ran. Da die meisten Synthesizer mit aus Harmonischen bestehenden Schwingungsformen arbeiten, müssen Ringmodulation und Frequenzmodulation (kurz FM) dafür herhalten, die entsprechenden Obertöne zu erzeugen. Aber dazu später mehr …

Die wichtigsten Synthese Arten kurz vorgestellt

Das wird erst mal nur ein überblick mit Grundlagen, Hintergrundwissen, Geschichtliches etc., damit ihr schon mal einen generellen Einstiegt habt, in den einzelnen Kapiteln wird das Ganze dann noch weiter vertieft. Die weniger gebräuchlichen Methoden wie Granular Synthese oder Physical Modeling möchte ich in dieser Artikelserie erst mal außen vor lassen, da man mit ihnen bei den aktuellen Geräten nur am Rande oder gar nicht konfrontiert sein wird.

Minimoog, der berühmteste Vertreter der subtraktiven Synthese

Subtraktive Synthese

Die subtraktive Synthese ist die klassische Form der Soundsynthese, so wie man sich im allgemeinen einen Synthesizer vorstellt. Man hat einen Oszillator, der eine „komplexe“ Schwingungsform (z.B. Sägezahn, Rechteck oder Dreieck, um die Gebräuchlichsten zu nennen), verwendet ein Filter, um der Schwingungsform einen Teil ihrer Obertöne zu berauben. Daher auch der Name „subtraktive Synthese“, denn es wird etwas abgezogen also subtrahiert. Je nach Art der Filters werden unterschiedliche Bereiche des Spektrums (also die im Klang enthaltenen Frequenzen) gedämpft. Diese Dämpfung ist in der Regel nicht linear, sondern mit einer Kennlinie (ein Begriff aus der Elektrotechnik, sie beschreibt einen Graphen, welcher die Reaktion der Bauteile auf Einflüsse wie Strom, Spannung, Temperatur, Frequenz etc. beschreibt) versehen, was nichts anderes bedeutet, als dass die Dämpfung nicht gleichmäßig erfolgt, sondern kurvenförmig über den Frequenzbereich. Das liegt wohl hauptsächlich daran, dass die ersten Filter aus elektronischen Bauteilen wie Kondensatoren, Widerständen und Spulen aufgebaut waren – bei neuen Analogen auch wieder sind – und diese sind bestimmten physikalischen Gesetzen unterworfen, aber genau das läst sie deutlich interessanter als einen idealen (berechneten) Filter klingen.

Der meiner Meinung nach größte Nachteil dieser Art der Synthese ist , dass man irgendwo immer auf die Grundschwingungsform beschränkt ist. Eine zusätzliche Betonung der Obertöne kann man eigentlich nur durch die Resonanz (eine Filterrückkopplung, aber dazu später mehr) erreichen und das auch nur sehr begrenzt und Übergänge von einer zur anderen „komplexen“ Schwingungsformen (morphen) lässt sich eigentlich nur durch Erweiterungen der subtraktiven Synthese erreichen. Daher findet man sie oft gepaart mit Wavetables, Frequenz-, Filter- und Ringmodulation.

Kawai K5000 Serie – Klassiker der additiven Synthese

Additive Synthese

Vom Namen her das genaue Gegenteil der subtraktiven Synthese und auch vom Schwierigkeitsgrad auf der anderen Seite der Skala angesiedelt. Ist die subtraktive Synthese mit seiner handvoll Parameter relativ leicht zu programmieren, so wird man bei den meisten additiven Geräten von den Parametern praktisch erschlagen. Hier bestimmt man das Aussehen der Schwingungsformen durch die Lautstärke der Harmonischen und für eine halbwegs realistische Darstellung der Schwingungsform sollten es zumindest 32 Harmonische sein, hat man dann noch für jede Harmonische sogar eine Hüllkurve für Lautstärke oder (kommt bei bezahlbaren Synthesizern selten vor) noch eine für die Frequenz, kann man sich vor Parametern gar nicht mehr retten. Auch darauf werde ich erst später eingehen. Aber auch wenn jemand die Oszillatoren in einem subtraktiven Synth mit unterschiedliche Schwingungsformen belegt, um diese zusammenzumischen (eine besonders bei Romplern übliche Art der Soundprogrammierung) und damit einen neuen Klang zu erreichen, so ist das auch eine Form der additiven Synthese. Die bekanntesten additiven Geräte sind sicher Synclavier, Kawai K5 und K5000. Aber auch die „FM“-Geräte von Yamaha eigenen sich zur additiven Synthese, jedoch ist man beim DX7 durch die 6 möglichen Sinusschwingungen ein wenig eingeschränkt. Beim FS1R ist das schon anders, hier kann man mit bis zu 16 Sinusschwingungen pro Stimme (8 Voiced und 8 Unvoiced) bzw. 64 Sinusschwingungen pro Multi recht gut arbeiten, besonders wenn man Schwingungsformen erstellt, bei denen nicht jede Harmonische benötigt wird. Ein gutes Bespiel dafür ist der Rechteck, bei dem nur jede zweite Harmonische (nur die ungeraden) gebraucht wird.

Der DX7IIFD und seine Geschwister, haben die FM-Synthese berühmt gemacht

Frequenzmodulation

Bei der Frequenzmodulation, kurz FM genannt, wird die Frequenz eines Oszillators durch den Ausgang eines anderen Oszillators moduliert. Hat der modulierende Oszillator (kurz Modulator) eine sehr niedrige Frequenz, nehmen wir das Ganze als Vibrato wahr, wird das Vibrato übertrieben (d.h. die Lautstärke und somit die Beeinflussung durch den Modulator ist sehr groß), „eiert“ der Klang des modulierten Oszillators (kurz Träger) vor sich hin. Kommt die Frequenz des Modulators jedoch in den hörbaren Bereich – so etwa ab 16 Hz – wird die Schwingungsform des Trägers verformt (an bestimmten Stellen gestaucht und an anderen gestreckt) und damit seine Schwingungsform verändert. Durch Änderung der Lautstärke des Modulators lässt sich der Einflusses auf den Träger und damit die Veränderung seiner Schwingungsform bestimmen. Was bei richtiger Kombination von Frequenz und Schwingungsform der Oszillatoren dem Klang eines Filters sehr nahe kommen kann, aber auch ganz andere nicht weniger interessante Klänge sind auf diese Weise möglich. Interessanterweise sind die als klassische FM-Synthesizer bekannten Geräte von Yamaha in Wirklichkeit gar keine. Das merkt man spätestens dann, wenn man die Frequenz der Modulators unter den hörbaren Bereich senkt und eine komplexe Schwingungsform (wie z.B. Dreieck) für den Trägers auswählt, was allerdings nur bei den neueren Geräten funktioniert. Würde es sich um einen FM-Synthesizer handeln, sollte der Modulator wie ein LFO (Low Frequency Oszillator, dazu gibt’s später mehr) auf die Schwingungsform wirken. Seltsamerweise bleibt z.B. beim Yamaha FS1R oder auch beim Q das Vibrato aus und stattdessen hört man ein leichtes Phasing. Macht man dasselbe Experiment z.B. beim Waldorf Microwave XT, einem Modular-System oder einem analogen Synthesizer mit FM, „eiert“ der Träger schön vor sich hin und es funktioniert alles so, wie es soll.

Casios Gegenstück zur FM-Synthese, die CZ-Serie mit Phase-Distortion

Die Phasenmodulation oder Phase Distortion

Bei der Phasenmodulation (kurz PM oder manchmal auch als „digital FM“ bezeichnet) wird nicht die Frequenz moduliert, sondern (wie nicht anders zu erwarten) die Phase, dabei wird die Schwingungsform an bestimmten stellen gedehnt oder gestaucht. Das Ergebnis ist FM (siehe Frequenzmodulation) sehr ähnlich, so dass man in den meisten Fällen FM- und PM-Sounds nicht auseinanderhalten kann. Die Phasenmodulation ist einfach nur besser zu kontrollieren und liefert unter bestimmten Vorzeichen bessere Ergebnisse, was für die Programmierung von Sounds aber nur selten einen Unterschied macht.
Phase Distortion (kurz PD) nannte Casio ihre Version der Phasenmodulation, die der Konzern in Home-Keyboards und Synthesizern der 80er verwendete.

Bekannte PM-Synthesizer sind Geräte wie der Korg DS8/707 und die Casio CZ Serie. Wobei bei diesen Geräten das PM in eine subtraktive Hülle gezwängt wurde, d.h. sie lassen sich mehr oder weniger wie ein Gerät mit dem Oszillator-Filter-Modell programmieren. Hier besitzt wirklich jeder Oszillator seine eigene PM-Filtersimulation und somit Sounds möglich sind, bei der üblichen Architektur (1 – 3 Oszillatoren, gefolgt von einem Filter) damaliger Geräte nicht möglich waren. Allerdings darf man nicht erwarten, dass sich die Simulation 100%ig nach Filter angehört und eine regelbare Resonanz wird auch nicht geboten. Trotzdem haben diese Geräte ihren ganz eigenen Klang.

Einzig die sogenannten FM-Synthesizer von Yamaha oder der Casio VZ-1 weichen von dem Modell ab, denn hier hat man wirklich Zugriff auf Modulator und Träger. Wobei Casio, wohl um Yamahas Patente zu umgehen, zwischen Träger und Modulator nur gleiche Frequenzen zulässt, dieses Manko kann man jedoch mit der zusätzlich verfügbaren Ringmodulation recht gut umgehen. Ein weiterer Unterschied ist, dass Casio im Vergleich zu Yamaha schon recht früh obertonreiche Schwingungsformen eingesetzt hat. Yamahas erste „FM-Synths“ arbeiten nur mit Sinusschwingungen.

Der PPG, berühmtester Vertreter der Wavetable-Synthese

Die Wavetable-Synthese

Die Wavetable-Synthese wurde 1978 von Wolfgang Palm entwickelt, sein Ziel war es, einen preiswerten polyphonen Synthesizer zu entwickeln. Er suchte dabei nach einem Weg, den Aufbau von Synthesizern zu vereinfachen, zu einer Zeit, in der selbst monophone Geräte sehr teuer waren und aus Unmengen elektronischer Bauteile bestanden. Um das zu erreichen, ersetzte er die Filter durch Wavetables, einer Tabelle, gefüllt mit Schwingungsformen, die nacheinander abgespielt werden und erreicht damit einen Klang, der dem Öffnen bzw. Schließen eines Filters recht nah kommt. Allerdings sind Wavetables nicht auf Filtersweeps beschränkt, ganz andere Übergänge sind je nach Wavetable möglich. Mit dem Waldorf Wave und seinen Nachfahren ist es sogar möglich, eigene Schwingungsformen in die Geräte zu importieren. Wobei einzig der Wave dafür keine zusätzlicher Software benötigt. Auch muss man nicht alle 64 Einträge in der Tabelle belegen, da auftretende Lücken interpoliert (die Zwischenschritte berechnet) werden. Die Geräte mit Wavetable-Synthese wie PPG Wave, Waldorf Wave, Mircowave I/II/XT/PC haben für viele Musiker Kultstatus erreicht, da sie, seit Mitte der 80er durch Filter erweitert, so einfach wie subtraktive  Synthesizer zu programmieren sind, aber auch den vielfältigen Klang einer komplett anderen Form der Synthese bieten. Ach ja, bevor ich es vergesse, die Wavetable-Synthese hat wirklich nicht allzuviel mit der Wavetable-Sounderzeugung diverser Soundkarten zu tun.

Hier endet der erste Teil der Serie, in der nächsten Folge werde ich mich ganz und gar der subtraktiven Synthese widmen.

Klangbeispiele
Forum
  1. Avatar
    Martin

    Der Richtigkeit halber:
    5 Hz = 5 Schwingungen / Sekunde = 300 Schwingungen / Minute

    Falls das so gedacht war…

Kommentar erstellen

Die AMAZONA.de-Kommentarfunktion ist Ihr Forum um sich persönlich zu den Inhalten der Artikel auszutauschen. Sich daraus ergebende Diskussionen sollten höflich und sachlich geführt werden. Haben Sie eigene Erfahrungen mit einem Produkt gemacht, stellen Sie diese bitte über die Funktion Leser-Story erstellen ein. Für persönliche Nachrichten verwenden Sie bitte die Nachrichtenfunktion im Profil.