Synthesizer und Sounddesign #2 - Filter

Nachdem wir uns in der ersten Folge mit den Oszillatoren beschäftigt haben, die die grundlegenden Schwingungsformen erzeugen und damit das Herzstück eines Synthesizers bilden, wenden wir uns nun dem zweiten wichtigen klangformenden Element eines subtraktiven Synthesizers zu, dem Filter. Das Filter ist so wichtig, dass seine Regler bei manchen Synthesizern optisch hervorgehoben sind, zum Beispiel durch größere Knöpfe oder Markierungen auf dem Bedienfeld.

Aber was passiert eigentlich in einem Filter und wie funktioniert es? Welche Arten von Filtern gibt es überhaupt bei Synthesizern und wie klingen sie? Welche Einstellmöglichkeiten bieten Filter und was kann man damit alles machen? Mit diesen Fragen beschäftigt sich die zweite Folge des Workshops Synthesizer und Sounddesign.

Inhalte

Was macht das Filter in einem Synthesizer?

Das Filter ist eine elektronische Schaltung, die bestimmte Frequenzen aus einem Signal entfernt, oder herausfiltert. Welche Frequenzen das sind, hängt dabei von der Art der Filterschaltung (Filtertyp), der Einstellung der Cutoff-Frequenz und der Flankensteilheit des Filters ab. Ein Filter kann analog aufgebaut sein, das heißt aus einzelnen analogen Bauteilen bestehen, die auf eine Platine gelötet sind, oder digital von einem DSP (Digitaler Signalprozessor) berechnet werden (virtuell-analog). In der Bedienung ergeben sich in der Regel keine Unterschiede. Bei einem Synthesizer, der nach dem Prinzip der subtraktiven Synthese arbeitet, ist das Filter ein wichtiges Element zur Klanggestaltung. Die Oszillatoren liefern die grundlegenden Schwingungsformen, die dann durch das Filter ihre endgültige Obertonstruktur erhalten. Auf diese Weise kann der Synthesizer viel mehr unterschiedliche Klänge erzeugen, als es mit den reinen Schwingungsformen möglich wäre. Das Filter dient also dazu, die Klangfarbe und den zeitlichen Verlauf des Klangs zu formen.

Der Sequential Prophet-6 bietet separate Hochpass- und Tiefpassfilter

Welche Arten von Filtern gibt es bei Synthesizern?

In Synthesizern findet man verschiedene Arten von Filtern, die sich darin unterscheiden, welche Frequenzen sie aus dem Signal entfernen. Am weitesten verbreitet und für typische Synthesizer-Sounds am wichtigsten ist das Tiefpassfilter (Low Pass, LPF). Aber auch einige andere Filtertypen sind gebräuchlich. Die am häufigsten in Synthesizern verwendeten Filtertypen sind:

Tiefpassfilter (Low Pass, LPF): Das Filter entfernt Frequenzen oberhalb einer einstellbaren Grenzfrequenz (Cutoff-Frequenz) und lässt Frequenzen darunter ungehindert passieren. Dieser Typ ist bei weitem der wichtigste in Synthesizern. Wenn der Filtertyp nicht angegeben ist, handelt es sich höchstwahrscheinlich um ein Tiefpassfilter.
Hochpassfilter (High Pass, HPF): Das Gegenteil des Tiefpassfilters. Das Filter entfernt Frequenzen unterhalb der Cutoff-Frequenz, während höhere Frequenzen durchgelassen werden.
Bandpassfilter (Band Pass, BPF): Das Filter lässt nur Frequenzen in einem relativ schmalen Bereich durch, Frequenzen darüber und darunter werden ausgefiltert. Bei einem Bandpassfilter bestimmt die Cutoff-Frequenz die Mitte dieses Frequenzbereichs. Oft, aber nicht immer, ist die Bandbreite einstellbar. Bandpassfilter findet man nicht nur in Synthesizern, sondern beispielsweise auch in Wah-Wah-Effektpedalen.
Bandsperrenfilter (Notch, Band Reject): Dieser Filtertyp ist bei Synthesizern eher selten(er) anzutreffen. Der Oberheim SEM und von ihm abgeleitete Synthesizer wie beispielsweise der Sequential OB-6 gehören zu den wenigen populären analogen Synthesizern, die über ein Notch-Filter verfügen. Im Gegensatz zu einem Bandpassfilter filtert es einen schmalen Frequenzbereich heraus und lässt Frequenzen oberhalb und unterhalb passieren.

Viele moderne Synthesizer verfügen zudem über Multimode-Filter, die zwischen verschiedenen Typen umgeschaltet werden können. Seltener findet man allerdings sogenannte Morph-Filter, bei denen man stufenlos zwischen verschiedenen Typen überblenden kann.

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Synthesizer & Fulter: Notch-Filter — Der Sequential OB-6 stammt vom Oberheim SEM ab und verfügt daher über ein Notch-Filter. (Quelle: Bonedo)

In den folgenden Videos zeigen wir in der Frequenzanalyse, wie sich die Filtertypen Tiefpass, Hochpass und Bandpass auf ein Signal auswirken. In den Beispielen wird die Novation Bass Station II verwendet.

Filter im Synthesizer – Cutoff und Resonance

Die beiden wichtigsten Parameter, die man in den Filtern gängiger Synthesizer findet, sind Cutoff und Resonanz. Die Cutoff-Frequenz haben wir bereits angesprochen. Mit diesem Regler stellt man die Grenzfrequenz ein, oberhalb oder unterhalb derer – je nach Filtertyp – Frequenzen unterdrückt werden. Mit einem Tiefpassfilter werden Frequenzen oberhalb der Cutoff-Frequenz ausgefiltert, bei einem Hochpassfilter Frequenzen unterhalb der Cutoff-Frequenz.

Der zweite wichtige Regler befindet sich meist direkt neben dem Cutoff. Für ihn hat sich bei fast allen Synthesizer-Herstellern die Bezeichnung Resonanz eingebürgert. Bei einigen älteren Synthesizern findet man aber auch andere Bezeichnungen wie Peak (Korg) oder Emphasis (Moog). Dreht man den Resonance-Regler auf, wird der Frequenzbereich um die Cutoff-Frequenz betont und tritt im Klang stärker hervor. Dadurch klingt das Filter schärfer, prägnanter und Filterbewegungen werden deutlicher hörbar. Bei sehr weit aufgedrehter Resonance wird der Klang des Filters oft als pfeifend und spitz empfunden.

Video: Filterresonanz

Die Filter mancher Synthesizer fangen an, selbst zu schwingen (Eigenschwingung, Selbstoszillation), wenn die Resonanz sehr hoch eingestellt ist, und erzeugen dabei einen Sinuston. Aber dazu gleich mehr.

Filter im Synthesizer – Flankensteilheit

Das Filter des Synthesizers schneidet die Frequenzen oberhalb und unterhalb der Cutoff-Frequenz nicht einfach abrupt ab, was auch merkwürdig klingen würde. Stattdessen entsteht im Bereich der Cutoff-Frequenz eine sanfte Kurve, in der die Frequenzen immer leiser werden, bis schließlich gar nichts mehr durchkommt. Den Verlauf dieser Kurve nennt man Flankensteilheit (Slope). Bei einigen Synthesizern kann man zwischen verschiedenen Einstellungen für die Flankensteilheit wählen. Am häufigsten findet man Flankensteilheiten von 12 dB/Oktave und 24 dB/Oktave. Seltener werden auch 6 dB/Oktave, 18 dB/Oktave und 36 dB/Oktave angeboten.

Im folgenden Video demosntrieren wir, wie sich unterschiedliche Flankensteilheiten des Moog Sub 37 auf den Verlauf der Filterkurve auswirken. Bei den vier Filterfahrten steht das Filter nacheinander auf 6 dB/Okt., 12 dB/Okt., 18 dB/Okt. und 24 dB/Okt. Es ist dabei deutlich erkennbar, wie die Kurve bei jedem Durchgang steiler verläuft.

Was bewirkt die Flankensteilheit eines Filters im Synthesizer?

Eine höhere Flankensteilheit führt zu einem schärferen und zupackenderen Klang des Filters. Für Leads, Bässe und blubbernde Sequenzen ist das oft genau das Richtige. Ein steileres Filter ist allerdings nicht zwangsläufig ein besseres Filter. Gerade bei weichen Pads, Streichern und einigen Bass-Sounds kann ein Filter mit einem flacheren Verlauf wesentlich angenehmer klingen. In der Praxis gilt also wie immer: Am besten ausprobieren!

Flankensteilheit beim Moog Sub-37 — Der Moog Sub 37 bietet vier verschiedene Flankensteilheiten (Slopes) zur Auswahl. (Quelle: Bonedo)

Filter im Synthesizer – Envelope Depth

Die Cutoff-Frequenz des Filters trägt wesentlich zur Klangfarbe eines Synthesizer-Sounds bei. Mit dem Cutoff-Regler lässt sie sich jedoch nur statisch einstellen, wenn man nicht ständig am Regler drehen möchte. Für lebendige Sounds mit Bewegung ist es daher wichtig, die Cutoff-Frequenz im Zeitverlauf zu steuern. Dazu verwendet man eine so genannte Hüllkurve (engl. Envelope). Das Thema Hüllkurven werden wir in den nächsten Folgen dieses Workshops ausführlich behandeln. Für heute reicht es, sich zu merken: Eine Hüllkurve ermöglicht es, Dinge wie Tonhöhe, Lautstärke oder eben Filter-Cutoff automatisch über die Zeit zu steuern. Sie wird beim Anschlagen einer Taste (oder durch einen MIDI-Notenbefehl) getriggert und durchläuft dann eine einstellbare Kurve, mit der man einen bestimmten Verlauf programmieren kann. Da die Cutoff-Frequenz des Filters eine so wichtige Rolle für den Klang spielt, haben viele Synthesizer eine eigene Hüllkurve dafür, die sogenannte Filter-Hüllkurve. Wie diese genau funktioniert, erklären wir in der nächsten Folge.

Wirkungsweise von Envelope Depth

In der Filtersektion befindet sich neben den Reglern für Cutoff und Resonance bei den meisten Synthesizern ein weiterer Regler, mit dem man den Einfluss der Filterhüllkurve auf die Cutoff-Frequenz einstellen kann. Die Beschriftung dieses Reglers variiert von Hersteller zu Hersteller. Meistens wird der Regler mit Envelope Depth, Env Depth, Env Amount, EG Amount oder ähnlich bezeichnet. Je weiter er aufgedreht wird, desto stärker wirkt sich die Filterhüllkurve auf die Cutoff-Frequenz aus. Im folgenden Klangbeispiel wird der Regler langsam aufgedreht. Zunächst ist der Klang statisch, die Hüllkurve hat keinen Einfluss. Später entsteht bei jeder Note ein hörbarer Filterverlauf, der von der Hüllkurve gesteuert wird.

Audio Samples

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Filter Envelope Depth

Envelope Depth invertieren

Bei vielen Synthesizern kann man den Envelope Depth-Regler auch in die negative Richtung drehen. Dadurch wird die Filterhüllkurve invertiert, also umgekehrt. Eine Hüllkurve, die im positiven Bereich des Reglers weit oben beginnt und langsam abfällt, beginnt im negativen Bereich weit unten und steigt langsam an. Auch dazu ein kurzes Audiobeispiel. Zunächst ist die Hüllkurve positiv. Dann bewegt sich der Regler langsam auf ‚Null‘ (kein Hüllkurveneffekt) und schließlich in den negativen Bereich. Jetzt macht sich die Hüllkurve andersherum bemerkbar.

Audio Samples

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Filterhüllkurve positiv und negativ

Filtersektion Behringer Pro-1 — Die Filtersektion des Behringer Pro-1 mit Envelope Amount und Keyboard Amount. (Quelle: Bonedo)

Filter im Synthesizer – Keytracking

Der Keytracking-Regler hat bei Synthesizern verschiedenste Bezeichnungen. Key Follow, Key Track, Keyboard Track, KB Track, KB Amount, Keyboard oder einfach nur Key sind sicher noch nicht alle Namen. Unabhängig von der Bezeichnung ist die Wirkung jedoch immer die gleiche. Keytracking bewirkt, dass die Cutoff-Frequenz des Filters von der Position der gespielten Taste auf der Tastatur (bzw. von der Tonhöhe eingehender MIDI-Notenbefehle) beeinflusst wird. Auf diese Weise erreicht man, dass tiefe Noten eine niedrigere Cutoff-Frequenz erhalten als höhere Noten. Keytracking – wie viele andere Funktionen eines Synthesizers – hat seinen Ursprung bei akustischen Instrumenten, welche die Erfinder der ersten Synthesizer nachzuahmen versuchten. Viele akustische Instrumente, insbesondere Blasinstrumente, klingen in den tiefen Lagen dumpfer als in den hohen. Mit Keytracking kann man dieses Verhalten mit einem Synthesizer simulieren, was oft zu einem natürlicheren, organischeren Klang führt. Oft ist das Keytracking stufenlos regelbar, bei manchen Synthesizern kann man es aber auch nur ein- oder ausschalten.

Audiobeispiel Keytracking

Das nächste Audiobeispiel zeigt eine Sequenz des Moog Sub 37. Im ersten Durchlauf ist das Keytracking ausgeschaltet – die Cutoff-Frequenz ist also bei allen Noten gleich. Beim zweiten Durchgang wird das Keytracking stark aufgedreht. Jetzt haben die hohen Töne eine viel höhere Cutoff-Frequenz als die tiefen Töne und klingen dementsprechend heller und schneidender.

Audio Samples

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Keytracking aus/an

Da die Resonanz die Cutoff-Frequenz betont, wird der Keytracking-Effekt umso deutlicher, je stärker man die Resonanz aufdreht. Hier ist die gleiche Sequenz zu hören, aber diesmal mit ziemlich weit aufgedrehter Filterresonanz. Auch hier ist das Keytracking zunächst abgeschaltet und wird dann zugeschaltet.

Audio Samples

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Keytracking mit Resonanz (aus/an)

Manche Synthesizer bieten auch die Möglichkeit, das Keytracking zu invertieren, sodass hohe Töne eine niedrigere Cutoff-Frequenz haben als tiefe Töne. Da dies aber nicht dem ursprünglichen Sinn der Funktion entspricht, ist diese Option nur bei wenigen Synthesizern vorhanden.

Die Filtersektion des Moog Grandmother. (Quelle: Bonedo)

Selbstoszillation von Filtern im Synthesizer

Je nach Bauart beginnen einige analoge Filterschaltungen bei hohen Resonanzwerten selbst zu schwingen und erzeugen dabei eine Sinusschwingung mit der Cutoff-Frequenz. Dies wird als Eigenschwingung oder Selbstoszillation bezeichnet. Senkt man gleichzeitig das Eingangssignal des Filters (also der/die Oszillator/en) auf ‚Null‘ ab, bleibt nur noch diese Sinusschwingung übrig. Im nächsten Audiobeispiel hört man den Effekt beim Moog Sub 37. Zunächst ist ein Oszillator mit Sägezahnschwingung zu hören, der Filter-Cutoff ist etwa mittig eingestellt. Dann wird die Resonanz voll aufgedreht und die vom Filter erzeugte Sinusschwingung ist neben der Sägezahnschwingung deutlich zu hören. Schließlich wird im Mixer der Oszillator ganz heruntergeregelt und es bleibt nur noch die vom Filter erzeugte Sinusschwingung übrig, deren Frequenz der Cutoff-Frequenz des Filters entspricht. Diese kann man übrigens durch Drehen des Cutoff-Reglers stimmen.

Audio Samples

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Selbstoszillation

Diesen Effekt kann man sich musikalisch zunutze machen. Da die Oszillatoren vieler analoger Synthesizer keine Sinusschwingung erzeugen können, kann man das Filter dafür verwenden. Um die Sinusschwingung des Filters musikalisch spielbar zu machen, muss das Keytracking auf 100 % gestellt sein. Man erinnert sich: Keytracking bewirkt, dass die Tastatur die Filterfrequenz beeinflusst. Wenn das Filter des Synthesizers richtig kalibriert ist, sollte sich die Sinusschwingung nun wie ein Oszillator über die Tastatur bzw. über MIDI spielen lassen. Andere Keytracking-Werte als 100 % führen dazu, dass auf der Tastatur gespielte Intervalle nicht korrekt wiedergegeben werden – eine gespielte Quinte ist nur bei 100 % Keytracking auch wirklich als Quinte zu hören. Der Klang im nächsten Audiobeispiel besteht nur aus der Sinusschwingung des selbstoszillierenden Filters, es sind keine Oszillatoren zu hören. Das Keytracking ist dabei auf 100 % eingestellt.

Audio Samples

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Sound auf Basis des selbstoszillierenden Filters

Die Filter-Sinusschwingung kann man vielfältig einsetzen, beispielsweise für perkussive Klänge wie Drumsounds oder zur Verstärkung des Bassbereichs. Im weiteren Verlauf des Workshops werden wir einige Beispielsounds programmieren, bei denen die Selbstoszillation zum Einsatz kommt.

Zum Schluss

Das Filter dient in einem subtraktiven Synthesizer dazu, die von den Oszillatoren erzeugten Grundschwingungsformen zum endgültigen Klang zu formen. Es entfernt bestimmte Frequenzen aus dem Klang und beeinflusst so die Obertonstruktur und damit die eigentliche Klangfarbe. Verschiedene Filtertypen wie Tiefpass, Hochpass und Bandpass unterscheiden sich darin, ob Frequenzen oberhalb, unterhalb oder beiderseits der einstellbaren Grenzfrequenz ausgefiltert werden. Mit dem Regler Resonance kann man den Bereich rund um die Cutoff-Frequenz hervorheben. Damit haben wir in den ersten beiden Folgen die Grundlagen geschaffen: Oszillatoren und Filter. In der nächsten Folge geht es um Hüllkurven, und dann beginnen wir damit, die ersten musikalisch sinnvollen Klänge selbst zu programmieren.