Workshop Modular Synthesizer: Alles über Filter

15. September 2018

Workshop-Klassiker im 10. Jahr

Vor ca. 10 Jahren hat Theo Bloderer für AMAZONA.de eine mehrteilige Workshopserie über Modulare-Syntesizer verfasst. Wir haben die ganze Serie aus dem Archiv geholt und optisch überarbeitet. Erstaunlich, wie sich trotz dieser langen Zeit, dieser Serie aktueller ist denje. Viel Spaß damit.

Vorwort von Theo Bloderer

Willkommen zur „Workshop Modular-Synthesizer Serie“. Es gibt vier Haupt-Aspekte, warum diese Modular-Testreihe ins Leben gerufen wurde.

Erstens ist es eine Hommage an die deutsche Musikindustrie bzw. an Dieter Döpfer, dessen A-100 das weltweit umfangreichste – und wohl auch erfolgreichste – je in Serie gebaute Modularsystem darstellt.

Zweitens sind viele Abschnitte als allgemeine Modular-Workshops zu verstehen, die natürlich nicht unbedingt den Gebrauch des A-100 Systems voraussetzen. Stattdessen geht es vielfach um allgemeine Möglichkeiten modularer Verknüpfungen bzw. um Grundsätze der subtraktiven Klangsynthese. Diese Aspekte lassen sich in Folge am A-100, doch ebenso auf anderen modularen Synthesizern anwenden. Dem nicht genug: Genau genommen bedarf es in einigen Fällen überhaupt keines Modularsystems. (Fast) jeder Synthesizer – ob analog oder digital, ob monophon oder polyphon, ob Software oder Hardware – hat die gleichermaßen entscheidende Herausforderung der Klanggestaltung im Gepäck. Und so lassen sich viele Grundkenntnisse und Gestaltungsideen vom A-100 auf andere Synthesizer übertragen (sofern diese eine Programmierung erlauben, was natürlich Voraussetzung ist).

Drittens wird das A-100 System in einen weiten „historischen Zusammenhang“ gestellt. Schließlich hatte (und hat) Dieter Döpfer bei der Entwicklung einiger Module konkrete historische Vorbilder, die als Grundlage der A-100 Bausteine dien(t)en. So werden in den Berichten Hintergrund-Informationen eingestreut, die ganz allgemein auf die Geschichte der (meist analogen) Synthesizer, ihre Entwickler, diverse Bauteile etc. eingehen. Je nach Thema dürfte der historische Aspekt variieren, doch sollten diese Informationen für alle Synthesizer-Enthusiasten gleichermaßen von Interesse sein.

Viertens – und damit neigt sich die Einleitung dem Ende zu – soll die „Modular Serie A-100“ wichtige musikalische Aspekte aufzeigen. Dabei geht es in erster Linie nicht so sehr um komplexe Strukturen, die – selbstredend – interessante Klänge ermöglichen, im Gegenteil: Manchmal sind es ganz einfache Vorgehensweisen und Gestaltungsideen, die zu erstaunlichen (musikalischen) Resultaten führen können.

So versteht sich die „Amazona Modular Serie“ als Würdigung besagten Modularsystems, als aufbauenden Basiskurs zur subtraktiven Klangsynthese, als Lieferant allgemeiner Hintergrund-Informationen rund um analoge Synthesizer bzw. deren Geschichte, sowie als Motivations- und Ideen-Portal zur Klang- bzw. Musikgestaltung.

Die Gewichtung der Schwerpunkte wird – abhängig vom Thema – von Artikel zu Artikel unterschiedlich sein. Auch können aus Platzgründen nicht alle nötigen Grundbegriffe sofort geklärt werden. Während dieser Artikel sich dem Terminus „Oszillator“ widmet, wird „Oszillator-Synchronisation“ erst im nächsten Beitrag erläutert. Schließlich aber ist es ebenso unmöglich, JEDES der weit (!) über 100 verschiedenen Module des System A-100 vorzustellen. Wer die technischen Merkmale und Hinweise zu musikalischen Möglichkeiten (fast) aller Module nachlesen möchte, der kann sich auf www.doepfer.de unter „Manuals“ entsprechende PDFs downloaden – kostenlos natürlich.

Wir beginnen mit dem am häufigsten besprochenen und diskutiertem Bauteil, dem Filter.

Was genau macht ein Filter (VCF, DCF etc.)

Das Filter wird häufig als „wichtigster Bestandteil“ der Subtraktiven Synthese bezeichnet. Das ist natürlich insofern richtig, als sich die gesamte Syntheseform durch Wegnahme / Abziehen / Subtrahieren von Klangmaterial definiert, dessen hauptsächliches Werkzeug eben das Filter ist.

Um die Funktion des Filters verstehen zu können, müssen wir zunächst einen Schritt zurückgehen und uns noch einmal den „Kern“ des elektronischen Klanges vor Augen führen: den Oszillator. Je nach generierter Wellenform ist das „Basismaterial“ ein Klang, der aus einem Grund- und unterschiedlichen Obertönen besteht. (Ausnahme: Die reine Sinus-Schwingung, die nur über eine „Grundschwingung“ verfügt). Anzahl und Lautstärke der Obertöne sind nun dafür verantwortlich, ob wir einen Klang als flötenähnlich, streicherähnlich oder einer sonstigen Instrumentengruppe ähnlich identifizieren (wobei es gerade in der elektronischen Musik häufig überhaupt kein akustisches „Vorbild“ geben dürfte, da der generierte Klang „für sich“ schon ein neues Instrument bzw. eine allenfalls als „elektronisch“ zu bezeichnende Klangfarbe darstellt).

Obertöne bedeuten jedenfalls „Klangfarbe“. Am akustischen Instrument wird die Klangfarbe im musikalischen Vortrag automatisch leicht variiert – durch unterschiedliches Anschlagen, Anzupfen oder Anblasen des Instruments. Jede kleine Variation hat nun einen entsprechend „unterschiedlichen“ Klang zur Folge, was sich in der „Natürlichkeit des Tones“ und im abwechslungsreichen Klangspektrum akustischer Instrumente ausdrückt. Der Klang eines leicht angeschlagenen Klaviertones ist beispielsweise nicht einfach die in ihrer Lautstärke reduzierte Version des stark angeschlagenen Tones – es IST ein neuer Ton, mit eigenen Obertönen und entsprechend eigener Klangfarbe. Krasse Änderungen des Klangeindruckes sind natürlich ebenso möglich und werden in der musikalischen Praxis gezielt eingesetzt. Bei Streichinstrumenten etwa durch eigene Spieltechniken wie Staccato, Legato, Pizzicato (Saiten werden mit dem Finger gezupft), Flageolett oder Glissando. Je nach Art und Weise, wie man das Instrument spielt, ergeben sich andere Klangeindrücke bzw. unterschiedliche Klangfarben.

A-127 Triple Voltage Controlled Resonance Filter

Um diesen „dynamischen“ Eingriff in die Klangfarbe am Synthesizer / Modularsystem realisieren zu können, bedarf es eines Filters. Das Filter übernimmt die Aufgabe, Obertöne aus dem Klang des Oszillator-Signals zu nehmen, zu „filtern“. Dieses „Wegnehmen“, das Subtrahieren, ist Kerngedanke der „Subtraktiven“ Synthese.

Der Begriff der „Wegnahme“ erscheint bei schneller Betrachtung möglicherweise etwas unlogisch, da man – am Synthesizer / Modularsystem arbeitend – das Filter ja „zu UND aufmachen“ kann. Doch bezieht sich der Gedanke des Subtrahierens auf den gesamten, ursprünglichen Oszillator-Klang, der mit 100% des verfügbaren Obertonspektrums versehen ist. Sobald ein Filter nun zum Einsatz kommt, findet – der „Funktion“ des Moduls entsprechend – quasi immer eine „Wegnahme vom Klang“ statt. Nur bei völlig geöffnetem Filter würde „keine“ Subtraktion passieren (und das Filter wäre damit auch obsolet).

[Ein einfacher Klang-Test für einen „ungefilterten Ton“ ist das Verbinden der Oszillator-Wellenform DIREKT mit dem Verstärker. Der daraus resultierende Klang ist zwar nicht sehr schön (weil eben ungefiltert), ist aber mit maximaler Präsenz (vollem Frequenzumfang) vorhanden. Das „kleinste“ Modularsystem würde folglich aus nur einem VCO und einem VCA bestehen. Im nachfolgenden Klangbeispiel ist ein solcher „ungefilterter“ Ton zu hören. Das An- bzw. Abschwellen des Klanges ist dabei KEIN Öffnen oder Schließen eines Filters sondern nur das einfache Fade-In / Fade-Out der Lautstärke …

Wenn man des „nicht dynamischen, ungefilterten Tones“ müde wird (was sehr schnell der Fall sein dürfte, vor allem weil der Klang statisch ist), setzt man zur Kontrolle, Minimierung bzw. Änderung der Klangfarbe ein Filter dazwischen und dürfte nun ob der Möglichkeit, den Klang zu dämpfen, sehr dankbar sein].

Damit zurück zur vorangegangenen Überlegung rund um das „Schließen UND Öffnen des Filters“. Dass „Schließen“ eine „Wegnahme“ des Klanges bedeutet, leuchtet natürlich ein. Doch auch das Öffnen des Filters ist (genau genommen) nur eine Variation der „Wegnahme“ vom Klang. Trotz Hinzufügen von Obertönen bewegt man sich immer noch im „subtraktiven“ Bereich, da man nur ein kleines Stück des durch das Filter bereits abgezogenen Klangspektrums wieder beisteuert.

Traute Vielfalt: Cwejman MultiMode Filter, Doepfer A-103 18dB LowPass Filter

Das „Wegnehmen“ (und das neuerliche „Hinzufügen“) von Klangteilen / Obertönen durch Verschieben der Filter-Eckfrequenz ist zentraler Vorgang der Subtraktiven Synthese und ständiger Wegbegleiter beim Arbeiten mit Synthesizern / Modularsystemen: Ob wir dem Filter mit Midi-Signalen oder CV-Spannungen an den Leib rücken – es ist so gut wie immer das Spiel mit den Obertönen (d.h. mit der Klangfarbe), das die unterschiedlichen Klangspektren in der elektronischen Musik ausmacht.

Wichtig ist noch festzuhalten, dass sich dabei nicht nur die Klangfarbe, sondern effektiv auch die Lautstärke ändert. Ein stark gefilterter Sägezahn-Klang verliert beispielsweise einen guten Teil seiner Obertöne bzw. seines Frequenzspektrums und klingt bei zunehmender Filterung nicht nur dumpfer, sondern auch entsprechend leiser.

A-120 LowPass Filter und A-121 MultiMode Filter

Bei zu „lauten“ Sounds kann der erste Schritt zwecks Optimierung also durchaus die Rücknahme der Filter-Frequenz sein und erst in zweiter Linie die Regulierung des VCA-Outputs …

Das Filter ist zentrales Werkzeug der Subtraktiven Synthese. Durch Wegnahme / Filtern bzw. neuerliches Hinzufügen von Obertönen werden Klangfarbe und Lautstärke des Ausgangssignals verändert.

Umgekehrt „tut“ sich jedoch bei einer reinen Sinus-Welle trotz Filterung nicht viel im Klang! Schließlich verfügt die reine Sinus-Welle – wie schon mehrfach erwähnt – über keine Obertöne, was gäbe es also zum Filtern? Bei einem reinen Sinuston wird – je nach Einstellung der Filterfrequenz – nur die Lautstärke geändert, die Klangfarbe bleibt jedoch gleich. Sinustöne sind daher in der musikalischen Praxis bei weitem nicht so „ergiebig“ wie etwa eine Sägezahn- oder Pulswelle.

„… bei einem wirklich reinen Sinus ändert sich beim Filtern nur die Lautstärke. Da aber alle mir bekannten Sinus-Konverter keinen reinen Sinus erzeugen, sind in aller Regel auch in den mit „Sinus“ bezeichneten Kurvenformen noch Oberwellen enthalten (so auch bei A-110 und A-111). Um einen reinen Sinus zu erhalten, muss dieser mit einer Schaltung erzeugt werden, die gleich als Grund-Wellenform einen Sinus erzeugt und nicht „versucht“ den Sinus aus einem VCO mit Sägezahn-Grundwelle (A-110) oder Dreieck-Grundwelle (A-111) abzuleiten. Ein Beispiel hierfür ist der Quadrature LFO/VCO A-143-9. Auch ein Großteil der Filter liefert in Eigenresonanz einen reinen Sinus (aber auch hier gibt es Ausnahmen wie z.B. unser X-Treme-Filter A-106-1). Will man das Ganze aber als VCO einsetzen, so muss die 1V/Oktave-Kennlinie des Filters sehr präzise sein (wie z.B. in dem neuen DARK ENERGY).“ (D. Doepfer)


Filtercharakteristik

Nachdem man nun erkannt hat, dass ein Filter zur Regulierung der Klangfarbe äußerst praktisch ist, bleibt noch die Frage offen, WIE ein Filter wirken soll. WAS möchte man vom Klang wegnehmen? Das Filter kann z. B. die Frequenzbereiche oberhalb der Cutoff Frequency ausblenden oder jene unterhalb. Es kann aber auf Wunsch auch nur einen engen Bereich innerhalb der eingestellten Eckfrequenz abschwächen oder diesen hervorheben. Das führt uns zum Thema der unterschiedlichen Filter-Charakteristika bzw. Filter-Typen …

Die gängigen Filter-Typen; Grafik (c) GC Carstensen Verlag 1994

Ein TIEFPASS-Filter (LowPass) lässt die Klanganteile unterhalb der eingestellten Cutoff Frequency passieren (was meist einen voluminösen, Bass-betonten, dominanten Ton zur Folge hat).

Das HOCHPASS-Filter (HighPass) lässt alle Klanganteile oberhalb der eingestellten Cutoff Frequency passieren (was meist einen abgeschlankten, Höhen-betonten und nasalen Ton zur Folge hat).

Eine Kombination von LowPass und HighPass ergibt das BANDPASS-Filter. Es schwächt alle Klanganteile unter- und oberhalb der Filter-Eckfrequenz ab. Durch das Fehlen der tiefen Klanganteile und dem daraus resultierenden weniger voluminösen Ton ist es klanglich meist näher am HighPass Filter angesiedelt.

Als Umkehrung des BandPass Filters gilt die BANDSPERRE (oder auch: SPERRPASS-, KERB- bzw. NOTCH-Filter). Hier wird der Klang oberhalb bzw. unterhalb der Filterfrequenz verstärkt und nur der schmale Bereich um die eingestellte Cutoff Frequency abgeschwächt. Durch das Vorhandensein der tiefen Frequenzbereiche ist dieser Filtertyp klanglich meist näher am LowPass Filter angesiedelt. In der Tontechnik werden Notch-Filter übrigens auch zur Beseitigung schmalbandiger Störungen verwendet. (Wie wir an dieser Stelle punkto Studiotechnik auch generell darauf hinweisen dürfen, dass Equalizer letztlich nichts anderes als „statische“ Filter sind).

Vielfalt im Eurorack-Format. Umgeben von Doepfer-Filtern: Das klanglich exzellente Steiner-Parker Filter von Livewire …

Das ALLPASS-Filter wäre schließlich noch zu erwähnen. Hier zitiere ich Florian Anwander aus seinem Buch „Synthesizer“ (PPV Verlag, 2000):

„Der letzte Filter-Typ ist das Allpassfilter, das – wie sein Name schon sagt – alle Frequenzen passieren lässt; es ändert nichts an der Verstärkung. Sie werden nun einwenden, ein Filter, das nichts filtert, sei ausgemachter Blödsinn. Ich müsste Ihnen Recht geben, wenn Filter nicht noch eine zweite Eigenschaft hätten, […]: an der Kennfrequenz ändert sich auch die Phasenlage des Signals.“ (Anwander, Florian: „Synthesizer“, S. 55)

Im Folgenden stellt Anwander auch fest, dass ein Phaser letztlich aus einem Allpass-Filter besteht und hierbei das Original-Signal mit dem umgedrehten (phasenverschobenen) Signal mischt, was eben zum bekannten Phaser-Effekt führt.

„Die Phasenveränderung produzieren alle analogen Filtertypen, allerdings fallen sie kaum auf, da man in industriellen Synthesizern nur sehr selten das gefilterte Signal mit dem ungefilterten mischen kann; doch gerade das ergibt reizvolle, Phaser-artige Effekte.“ (Anwander, Florian: „Synthesizer“, S. 56)

A-105 SSM Filter

Flankensteilheit

Vielen Musikern ist der Ausdruck „24dB LowPass Filter“ ein Begriff (und dürfte im Volksmund einfach für „Moog-Filter“ stehen). Ein in den Raum geworfenes „Klar, der Synth hat das patentierte Kaskadenfilter mit 24dB Flankensteilheit!“ macht schon was her und lässt zuweilen auch technische Kompetenz vermuten. Doch es ist zu bezweifeln (und ich nehme mich selbst hier keinesfalls aus), dass der Übermittler solch illustrer Informationen auch tatsächlich immer eine klare Vorstellung davon hat, was das Gesagte klanglich bedeutet …

Vom ungefilterten Sägezahn zu 24dB- und 12dB-Filterung; Grafik (c) Taurus Press 1981

Vom ungefilterten Sägezahn zu 24dB- und 12dB-Filterung; Grafik (c) Taurus Press 1981

Grafisch gesprochen ist die „Flankensteilheit“ jene Kurve, die der Klang nach Erreichen der eingestellten Filter-Frequenz vollzieht. Die Bedämpfung (oder: Filterung) folgt ab dem eingestellten Wert der Cutoff Frequency einer Kurve, die mehr oder weniger steil ist.

Letztlich schließt sich hier der Kreis zur Einleitung und zur Erkenntnis, wozu ein Filter überhaupt notwendig ist und dass das Filter eben filtert. (Um an dieser Stelle anzumerken, dass man für solche Erkenntnisse natürlich überhaupt keinen Workshop benötigt). Doch die Flankensteilheit sagt uns nun, WIE bzw. wie stark das Filter filtert.

„Eine Flankensteilheit von 24dB/Oktave bedeutet, dass der Anteil des Signals, der eine Oktave über (= Tiefpass) oder unter (= Hochpass) der Cutoff-Frequenz liegt, um 24dB leiser ist, entsprechend bei 2 Oktaven 48dB und so weiter.“ (Gorges, Peter: „Das Keyboard Lexikon“, S.96)

Küchentechnisch gesprochen: „Schneidet man das Brot nun gerade vom Laib oder schräg …?“ Wenn es möglichst gerade geschnitten wird, bleibt eine dicke Scheibe in der Hand. Klanglich ausgedrückt ist dies eine „24dB“ Scheibe. Ab dem Punkt, wo man quasi das Messer ansetzt, werden die Klanganteile stark abgeschnitten (bei einem LowPass Filter: oberhalb der Eckfrequenz). Der Ton ist kräftig und auf der härteren Seite. Schneidet man das Brot jedoch schräg, so erhält man eine spitz zulaufende Scheibe. Dieser „12dB“ Scheibe werden die Obertöne nicht so hart weggenommen. Der daraus resultierende Klang ist weicher und nicht ganz so dominant.

Klanglich ein Phänomen: Das Oberheim SEM Filter …

[Wobei noch immer ein Rätsel ungelöst bleibt, warum das Oberheim SEM Filter – trotz 12dB Flankensteilheit – derart mächtig und voluminös klingt, doch das ist eine andere Geschichte …].

Filter-Resonanz

Noch ein schneller Einblick in die Filter-Resonanz, die musikalisch von äußerster Wichtigkeit ist. Wenn das Filter für die „Wegnahme von Obertönen“ zuständig ist, so hat sich mancher Leser bestimmt schon die Frage gestellt, ob das in der Praxis auch „konkret zu Hören“ sei. Die Antwort ist „Nein“. Wir können die einzelnen Obertöne im Klanggemisch nicht direkt wahrnehmen. Beim Filtern (mit niedriger bzw. keiner Filter-Resonanz) ändert sich nur das grobe Klangbild von „hell / laut“ nach „dumpf / leise“ (bis hin zu „völlig ausgelöscht“) oder umgekehrt.

Beispiel LowPass-Filter: Eine niedrig eingestellte Filter-Eckfrequenz schneidet die Klanganteile oberhalb von – sagen wir – 100 Hz ab (bzw. lässt sie – korrekt formuliert – der Flankensteilheit entsprechend leiser werden). Da die Filterung also sehr „früh“ einsetzt, ist der Klang relativ dumpf und abgeschwächt. Liegt die Filter-Eckfrequenz hingegen bei 8000 Hz, ist der Ton im Vergleich dazu deutlich heller und lauter. Das Geschehen lässt sich als „Änderung der Klangfarbe“ deutlich wahrnehmen, doch was im Detail mit den Obertönen passiert (wann welche Partialtöne hinzu- oder wegkommen), hören wir nicht.

A-124 Wasp Filter

Mit dem Einsatz der Filter-Resonanz lässt sich das ändern: Obertöne können nun „hörbar“ gemacht werden! Der Begriff „Resonanz“ bedeutet in der Akustik die Verstärkung einer Schwingung durch ein weiteres, mitschwingendes Medium. Dies kann bei einer Gitarre der Instrumentenkörper sein oder bei einer Oboe die sie umgebende Luftsäule. Jeder kennt z. B. dieses Experiment: Wird eine Stimmgabel angeschlagen und auf eine Tischplatte gestellt, beginnt das Möbelstück mitzuschwingen – der zuvor kaum wahrnehmbare Ton wird verstärkt und im Raum „hörbar“ gemacht. In der Musikelektronik versucht man, dieses Phänomen der „Klangverstärkung“ zu imitieren. Bei zunehmender Filter-Resonanz werden die Obertöne verstärkt und hervorgehoben (wobei die Technik / Elektronik einen mitschwingenden Klang-Raum letztlich nur vortäuschen kann).

Nebenbei: Die für „Resonanz“ anzutreffenden Namen sind in der Synthesizer-Landschaft sehr vielfältig! Während Moog Modularsysteme den Begriff „Regeneration“ verwenden, nennt sich die Resonanz bei kompakteren Moog-Synthesizern „Emphasis“, Korgs PS- und MS-Instrumente betiteln sie als „Peak“, Cwejman Module sind mit „Q Peak“ versehen, während eine Vielzahl von Synthesizern bzw. Modularsystemen natürlich den Ausdruck „Resonance“ verwendet.

Zunehmende Filter-Resonanz führt nicht nur zur akustischen Verstärkung einzelner Obertöne, sie versetzt bei Maximalwerten das Filter sogar in Eigenresonanz (Selbstschwingung). Der daraus resultierende Klang ist ein „reiner“ Sinus-Ton. Das Filter selbst wird quasi zum Oszillator …

Die Funktionen des Filters:

  • Unterdrückung bzw. Filterung von Obertönen (Cutoff Frequenz) zur Regulierung von Klangfarbe und Lautstärke
  • Hervorhebung von Obertönen innerhalb des verbleibenden Tonmaterials (Filter Resonanz); Obertöne werden „hörbar“ gemacht
  • Erzeugung einer Sinusschwingung bei Selbstresonanz

Klangbeispiele
Forum
  1. Profilbild
    AMAZONA Archiv

    könntet ihr bitte eine liste mit allen bisher veröffentlichten modular serie-teilen machen?
    das wär echt cool, dann findet man auch die alten teile schneller :)

  2. Profilbild
    kissmymuse

    Eine günstige Möglichkeit den Umgang mit Modulen zu probieren ist der „Modulair“. Ein kostenloses Vst-plugin für Mac und PC, das man auf der Site von Björn Arlt „music.fullbucket.de“ finden kann.

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