Synthesizer Basics Workshop: Subtraktive Synthese und deren Funktion

Oszillatoren

Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung, die eine elektrische Schwingung mit einer bestimmten Frequenz erzeugt. Wandelt man die Schwingung über Lautsprecher in Schallwellen um, wird sie hörbar. Der Oszillator steht ganz am Anfang der Signalkette und liefert das Ausgangsmaterial zum Sounds bauen. Bei analogen Synthesizern wird die Frequenz der Oszillatoren mit einer Steuerspannung geregelt, daher sind die Oszillatoren solcher Geräte oft mit VCO (Voltage Controlled Oscillator) bezeichnet. Diese Steuerspannung wird im einfachsten Fall von der Tastatur bestimmt (verschiedene Tasten ⇒ verschiedene Spannungen ⇒ verschiedene Oszillatorfrequenzen ⇒ verschiedene Töne), kann aber auch von den anderen Bausteinen des Synths moduliert werden. Zum Beispiel lässt sich mit einer Hüllkurve ein fließender Verlauf der Steuerspannung erzeugen, sodass sich die Tonhöhe während eines Tons verändert. Da analoge Oszillatoren vor allem zu Beginn der Synthesizerära nicht besonders stimmstabil waren (man musste den Synth wie eine Gitarre immer wieder nachstimmen), wurden später Verfahren entwickelt, um den Oszillator digital zu “überwachen”. Ein solcher Oszillator heißt oft DCO (Digitally Controlled Oscillator). In der Bedienung und Programmierung ergeben sich dadurch aber in der Regel keine Unterschiede.
Ein Synthesizer kann einen oder mehrere Oszillatoren haben, üblich sind bis zu vier. Bei polyphonen Synths, also solchen, die mehr als einen Ton gleichzeitig erzeugen können, spricht man oft von der Anzahl der Oszillatoren “pro Stimme”. Das hat seinen Ursprung darin, dass bei analogen polyphonen Synths die entsprechenden Schaltkreise tatsächlich mehrfach vorhanden sind – für jede Stimme einmal. Bei einem zwölfstimmigen Analogsynth mit drei Oszillatoren pro Stimme sind also insgesamt sechsunddreißig einzelne Oszillatorschaltungen auf den Platinen verlötet, von denen jede wiederum aus etlichen Bauteilen besteht. Führt man sich den technischen Aufwand vor Augen, um einen polyphonen Synthesizer mit acht oder mehr Stimmen komplett in analoger Technik aufzubauen, wird schnell deutlich, warum solche Geräte seinerzeit nicht nur sehr groß, sondern auch beinahe unerschwinglich waren und nicht wenige Synthesizerhersteller in den Ruin trieben.

1/5  Einige Beispiele für die imposanten polyphonen Synthesizer auf dem Höhepunkt der Analogära: Yamaha CS-80 (Bild zur Verfügung gestellt von Yamaha)

2/5  Roland Jupiter-8

3/5  Der Jupiter-8 von innen

4/5  Oberheim Matrix 12

5/5  Hier sind sechs der zwölf Stimmen des Matrix 12 zu sehen…

Mit vertretbarem Aufwand können analoge Oszillatoren nur eine Reihe von einfachen Basiswellenformen erzeugen, die für den klassischen Synthesizersound verantwortlich sind und noch heute in beinahe jedem Synth zu finden sind. Für die weitere Klangformung ist dann das Filter zuständig. Die wichtigsten Wellenformen sind Sägezahn, Rechteck, Dreieck und Sinus. Sie haben sehr unterschiedliche Obertonstrukturen und Klangcharakteristiken, sodass man schon mit diesen wenigen Wellenformen sehr abwechslungsreiche Sounds erzeugen kann.  

1/3  Sägezahnschwingung

2/3  Dreieckschwingung

3/3  Sinusschwingung

Die Sägezahnschwingung (Saw) hat viele Obertöne und klingt hell und schneidend:

Audio Samples

• Sägezahnschwingung

 Die Dreieckwelle (Triangle) besitzt deutlich weniger Obertöne und klingt dumpfer:

Audio Samples

• Dreieckschwingung

Die Sinuswelle (Sine) hat theoretisch überhaupt keine Obertöne, wobei kaum ein analoger Synth einen lupenreinen Sinus erzeugt. Viele frühe Synthesizer haben die Sinusschwingung gar nicht erst mit an Bord. Wegen des Mangels an Obertönen eignet sie sich nicht gut für die subtraktive Synthese (ihr erinnert euch: das Verfahren beruht auf dem Entfernen von Obertönen) und erfüllt eher die Funktion, Klängen eine solide Basis zu verschaffen. Sie klingt sehr dumpf:

Audio Samples

• Sinusschwingung

Rechteckschwingung

Die Rechteckwelle (Square) ist hingegen bei fast allen Synthesizern zu finden. Sie hat viele Obertöne, klingt aber hohler und „plastikmäßiger“ als der Sägezahn:

Audio Samples

• Rechteckschwingung

Die Rechteckwelle ist symmetrisch, das heißt, dass die positiven und negativen Abschnitte der Schwingung gleich lang sind. Es gibt aber auch viele Synths, bei denen man die Pulsbreite oder Pulsweite (Pulse Width / PW) einstellen und dynamisch modulieren kann – das heißt dann Pulse Width Modulation (PWM). Beim u-he Tyrell N6, den wir für diesen Workshop benutzen, ist die Modulation der Pulsbreite ebenfalls möglich. Im folgenden Video wird auf einem Oszilloskop sichtbar, wie sich bei der Pulsbreitenmodulation das Verhältnis von positiven und negativen Phasen der Schwingung verschiebt. Außerdem ist gut zu sehen, dass die Wellenform in der Praxis durchaus etwas vom Ideal wie in der letzten Grafik abweichen kann. Solche Abweichungen machen einen Synthesizer aber nicht schlechter, sondern verleihen ihm Charakter.

Jede einzelne dieser unzähligen Abstufungen kann als Basis für einen Sound genutzt werden, die Möglichkeiten sind also fast unbegrenzt.
Vor allem bei modernen Synths gibt es Oszillatoren, die noch viel mehr und komplexere Wellenformen erzeugen können. Das ist von Gerät zu Gerät sehr verschieden. Eine häufige Sonderform ist der Sample-Oszillator, wie er in sample-basierten Synths wie den meisten Workstations zum Einsatz kommt. Er erzeugt keine klassische Basis-Wellenform, sondern spielt ein zuvor aufgezeichnetes Sample mit der vorgegebenen Tonhöhe ab. So wurde es gegen Ende der 80er-Jahre möglich, akustische Instrumentenklänge einigermaßen “realistisch” nachzubilden.

Suboszillatoren

Zusätzlich zu den “normalen” Oszillatoren haben viele Synthesizer einen sogenannten Suboszillator. Dieser hat meist weniger Wellenformen und Einstellmöglichkeiten (viele Synths bieten hier nur eine oder zwei umschaltbare Wellenformen) und klingt eine oder zwei Oktaven unter dem “echten” Oszillator, an dessen Tonhöhe er gekoppelt ist. Vor allem bei alten Synths haben Suboszillatoren wegen ihrer starren Kopplung an einen “normalen” Oszillator oft keinen vollwertigen “Oszillator-Status”, sondern lassen sich einfach nur zuschalten. Bei modernen Geräten bieten auch die Suboszillatoren mehr Möglichkeiten. Noch immer eignen sie sich aber in erster Linie, um Sounds zusätzlich anzudicken. Vor allem bei Bässen kommt der Sub natürlich wie gerufen.

Oscillator Sync

Synthesizer mit mehreren Oszillatoren bieten oft die Möglichkeit, diese zu synchronisieren. Dabei wird einer der Oszillatoren an den Anfang seiner Schwingung zurück “gezwungen”, wenn auch der andere Oszillator seine Wellenform neu beginnt. Wenn die beiden Oszillatoren unterschiedliche Frequenzen haben, kann das recht drastische Effekte zur Folge haben. Oscillator Sync eignet sich besonders gut für schneidende, aggressive Sounds, kann aber eine Vielzahl überraschender Klänge liefern.

Prinzip der Oszillator-Synchronisation

Beim u-he Tyrell N6 verbirgt sich dieses Feature hinter dem Regler SOFTSYNC in der OSC MOD-Sektion. Dreht man ihn ganz auf, wird der zweite Oszillator hart zum ersten synchronisiert. Wenn man dann mit TUNE2 an der Frequenz von OSC2 dreht, klingt das so (in diesem Beispiel liefern beide Oszillatoren Sägezahnwellen):

Audio Samples

• Oszillator-Synchronisation (2 Sägezahnwellen)

Dreht man zu Anschauungszwecken den ersten Oszillator (also den nicht gesyncten) aus dem Mix heraus und macht nur die synchronisierte Wellenform des zweiten Oszillators auf einem Oszilloskop sichtbar, sieht das so aus wie in diesem Video. Es ist deutlich zu sehen, wie durch die Synchronisation zusätzliche „Zacken“ in der Wellenform entstehen, die dem Klang ein anderes Obertonspektrum verleihen.

Oscillator Sync ist eine weitere Möglichkeit, aus den wenigen Ausgangswellenformen sehr vielseitige Klänge zu formen.

Rauschgenerator

Viele Synthesizer haben neben den Oszillatoren noch eine weitere Klangquelle: einen Rauschgenerator, der Rauschen erzeugt. Dieses lässt sich mit den Signalen der Oszillatoren mischen oder stattdessen verwenden. Rauschen eignet sich vor allem zur Erzeugung von perkussiven Klängen wie Schlagzeug (die meisten analogen Drummachines basieren zumindest teilweise auf Rauschgeneratoren) oder Effektsounds. Manche Synths – darunter der Tyrell – bieten noch die Möglichkeit, die “Farbe” des Rauschens einzustellen. “White Noise” und “Pink Noise” sind die Rauschfarben, denen man bei Synthesizern am häufigsten begegnet. In die Physik hinter diesen verschiedenen Farben möchte ich hier nicht einsteigen – nur soviel: Weißes Rauschen beinhaltet theoretisch alle Frequenzen in der gleichen Stärke, während Rosa Rauschen mehr tiefe Frequenzen enthält und dumpfer und gedeckter klingt. Beim Tyrell lässt sich das sogar stufenlos überblenden.