Syntheseformen & Klangsynthese

Einstieg in die Klangsynthese: Syntheseformen

Synthesizer ist nicht gleich Synthesizer, denn die Mittel und Methoden zur Klangerzeugung sind vielfältig. Zwar basieren alle Synthesizer und Syntheseformen auf elektronischen Bauteilen, doch wie der Klang am Ende zusammengesetzt wird, entscheidet die Klangsynthese.

Subtraktive Synthese

Hier wird der Grundsound durch eine einfache Oszillatorwelle erzeugt. Gleich im Anschluss folgt die Absenkung von Bässen, Mitten oder Höhen bzw. von einer Kombination aus mehreren Frequenzbereichen. Du betätigst dich wie ein Bildhauer, der aus einem nichtssagenden Marmorblock ein (hoffentlich) interessanteres Objekt skulpturiert.

Da Filter eine dämpfende, abschwächende, eben subtraktive Wirkung haben, einigte man sich schlicht auf die Bezeichnung der subtraktiven Synthese.

Künstlerisch gewinnbringend ist die Filterung nur, wenn ein obertonreicher Klang zugrunde liegt – etwa der Output eines Oszillators mit Sägezahn- oder Rechteckswelle. Bei einer reinen Sinuswelle (ohne jegliche Obertöne) würde sich ein Filter schließlich nicht auf den Klangcharakter, sondern höchstens auf die Lautstärke auswirken.

Sinn und Zweck der subtraktiven Synthese sind aber die kreativen Eskapaden im Frequenzspektrum. Der populärste Typ ist das Tiefpassfilter (auch »High-Cut-Filter« genannt), mit dem sich die Höhen durch das Reduzieren der Eckfrequenz (»Cutoff«) mehr und mehr herausfiltern lassen. Viele Synthesizer setzen ausschließlich auf diesen, doch es gibt noch mehr:

» Filter Typen

Der Knackpunkt: Erst per Modulation gerät der Sound in Bewegung, bleibt also nicht gleich, solange eine Taste gedrückt bleibt bzw. ein MIDI-Notensignal zugeführt wird. Insbesondere die subtraktive Synthese ist daher eng mit dem Einsatz einer Hüllkurve und/oder eines LFOs zur Modulation der Filter-Eckfrequenz verbunden. Alles dazu:

» Was ist eine Hüllkurve?
» Was ist ein LFO?

Auf die unbedarfte Frage »Was ist ein Analog-Synthesizer?« wird übrigens gerne so geantwortet: »Einer mit subtraktiver Synthese«. Entsprechender Software und digitalen Synthesizern, die auf das Rezept der subtraktiven Synthese setzen, wird folglich das Attribut »virtuell-analog« verliehen.

Klassische subtraktive Synthesizer:

• Moog Minimoog
• ARP 2600
• Korg MS-20

Additive Synthese

Hier entsteht der Klang durch die Überlagerung mehrerer Sinuswellen, die von Oszillatoren erzeugt werden. Die kühne Idee dahinter ist, dass Du mit einer Summe sinusförmiger Teilschwingungen theoretisch jeden möglichen Sound erzeugen kannst. Die Betonung liegt auf »theoretisch«, denn die Möglichkeiten der technischen Implementierung setzen stets enge Grenzen. Mehr dazu im Kasten am Ende dieses Abschnitts.

Mit additiven Synthesizern werden in der Regel Klänge erzeugt, die an eine Orgel oder ein E-Piano erinnern – unter anderem setzt die berühmte Hammond-Orgel auf additive Synthese.

Meist sind die vom Instrument angebotenen Sinuswellen-Grundbausteine in ihrer Standardeinstellung nach dem Prinzip der Obertöne gestaffelt. Das bedeutet Folgendes: Im Bild oben siehst Du die vier grauen Sinuswellen, wobei die oberste, am langsamsten schwingende Welle den tiefsten Ton (Grundton) darstellt. Darauf bauen alle weiteren grauen Sinus-Teiltöne auf – Welle 2 schwingt doppelt so schnell wie der Grundton (eine Oktave höher), Welle 3 schwingt dreimal so schnell (eine Oktave + eine Quinte höher), Welle 4 schwingt viermal so schnell und so weiter. Lies hier alles darüber und hör dir typische Klangbeispiele von Obertonreihen an:

» Was sind Obertöne?

Klassische additive Synthesizer:

• Kawai K5
• New England Digital Synclavier
• Hammond-Orgeln

FM-Synthese

(»frequency modulation« = Frequenzmodulation)

Bei dieser Syntheseform wird im einfachsten Fall die Frequenz einer Sinuswelle von Oszillator A durch eine Sinuswelle von Oszillator B moduliert (Begriffsklärung der Modulation siehe Kasten oben) – Welle A ist der sogenannte »Carrier« (Träger), während Welle B schlicht als Modulator bezeichnet wird. Bei einem FM-Synthesizer werden die Oszillatoren – egal, ob Carrier oder Modulator – als »Operatoren« bezeichnet.

Sounds mit glockenartigem Timbre, metallisch wirkende Töne und E-Piano-Klänge sind an der Tagesordnung. Doch auch knackige Bässe und synthetische Bläser liegen im Bereich des Möglichen.

Um derart typische FM-Sounds zu erzielen, muss die Frequenz des Modulators so hoch eingestellt werden, dass man von »Audioratenmodulation« spricht – grob gesagt mindestens 20 Hertz. Bei einer Frequenz von bis zu 10 Hertz entsteht ein Vibrato.

Bei FM-Synthesizern sind relativ viele Oszillatoren an Bord (zumeist für Sinuswellen, in Einzelfällen aber auch für andere Wellenformen). In der Regel sind es vier oder sechs Operatoren pro Stimme. Diese Tatsache und der Umstand, dass die Carrier und Modulatoren nach verschiedenen Algorithmen verknüpft werden können, erlaubt eine entsprechend komplexe Klangformung.

Die gegenseitige Modulation zweier Oszillatoren findet sich zuweilen bei Synthesizern mit anderen Arten der Klangsynthese, allerdings heißt sie dort »Kreuzmodulation« (engl. »cross modulation«).

Klassische und moderne FM-Synthesizer:

• Yamaha DX7
• asb2m10 Dexed [kostenlos]
• Ableton Operator [Teil der Ableton Live Suite]

Wavetable-Synthese

Hier sind mehrere digital gespeicherte Wellenformen (je nur ein Schwingungsdurchgang) in einer sogenannten Wavetable gruppiert – einer Tabelle. Ein Tastenanschlag bzw. eine eingehende MIDI-Note spielt die gespeicherten Wellenformen in einer bestimmten Abfolge ab.

Die Übergänge von Wellenform zu Wellenform sind fließend, dank mehr oder minder geschickten Methoden der Überblendung (»Interpolation«). So entsteht der Eindruck eines sich stetig wandelnden, lebendigen Klangs – perfekt für Pads, Strings und andere langanhaltende Klänge.

Durch variierende Abspielgeschwindigkeiten dieser Aneinanderreihungen kannst Du beliebige Tonhöhe im vorgegebenen technischen Rahmen des Geräts spielen. Dabei werden jeweils bestimmte Varianten dieser Wellenformen (auf Referenztonhöhen über das vorgesehene Spektrum hinweg) herangezogen, die der zu spielenden Tonhöhe am nächsten liegen – manchmal kommt sogar für jeden spielbaren Halbton eine eigene Wellenform als Referenz zum Einsatz. Gäbe es jeweils nur eine einzige Wellenform, also nur eine Referenztonhöhe, würde sich das Timbre bei der Transposition zu stark verändern und in einen unnatürlichen Sound abdriften.

Bei manchen Synthesizern kannst Du mehrere Wavetables gleichzeitig abspielen bzw. ihrerseits in einer bestimmten Abfolge erklingen lassen.

Eine Ähnlichkeit zum Sampling (siehe »Weitere Syntheseformen« unten) besteht insofern, als digitale Audiosignale als Quelle der Klangerzeugung dienen. Diese müssen spätestens vor dem Output über die Buchsen des Synthesizers mit einem Digital-Analog-Wandler wieder konvertiert werden, um die angeschlossenen Lautsprecher/Mischpulte/Kopfhörer & Co. entsprechend zu speisen.

Bei der Vektorsynthese, einer Unterart der Wavetable-Synthese, kommt ein kleiner Joystick ins Spiel – er dient zur manuellen Gewichtung der gleichzeitig abzuspielenden Wellenformen innerhalb einer Wavetable. Vertreter dieser Technologie sind der Sequential Circuits Prophet VS und der Korg Wavestation.

Klassische Wavetable-Synthesizer & ein modernes Plugin:

• PPG Wave
• Waldorf Microwave
• Xfer Records Serum

Granulare Synthese

Die Granularsynthese fußt auf winzigen Klangpartikeln (»Grains«) in Form von Samples oder Signalen aus Oszillatoren. Die Grains sollten etwa 10 bis 50 Millisekunden kurz sein. Andere Quellen sprechen von 1 bis 100 ms, wobei Letzteres eventuell nicht mehr kurz genug für den gewünschten Effekt sein dürfte. Denn die Grains werden in schneller Folge abgespielt, um mehr oder minder zusammenhängend wirkende Klangtexturen entstehen zu lassen. Wie bei einem Film, der typischerweise aus 24 oder 60 Einzelbildern besteht, aber durch deren zügige Abfolge für das Auge als flüssige Bewegung wahrgenommen wird.

Außerdem werden die Grains in Tonhöhe, Lautstärke, Phase, Hüllkurvenparameter etc. moduliert, um einen lebendigen, sich verändernden Sound zu bekommen.

Und stell dir eine Mischung mit weiteren »Partikelwolken« vor, die aus anderen Grains und/oder anderen Modulationen bestehen – so wird der Sound potentiell noch dichter (zusammenhängender wirkend), klanglich vielfältiger sowieso.

Bisher gibt es keine Hardware-Synthesizer für granulare Synthese. Im Folgenden findest Du aber eine Handvoll gängiger Musikprogramme bzw. Audio-Plugins, mit denen Du dich austoben kannst. Heute bieten selbst mittelprächtige Computer genug Rechenleistung für deren praxisgerechten Einsatz in der Musikproduktion.

Software für Granularsynthese:

• Steinberg Padshop Pro
• Alchemy [Teil von Apple Logic Pro X]
• Malström [Teil von Propellerhead Reason, Mischung aus granular & Wavetable]

Physical Modeling

Beim sogenannten »Physical Modeling« bzw. »Component Modeling« werden akustische Instrumente (Klavier, Geige, Flöte, Sitar, Perkussionsinstrumente etc.) nachgebildet. Hier gibt es keine Oszillatoren, Filter, LFOs & Co. Stattdessen werden für die physikalischen Eigenschaften und Wirkweisen der einzelnen Instrumententeile mathematische Modelle erstellt – unter anderem die Festigkeit des Resonanzkörpers, das Verhalten beim virtuellen Anschlagen, Streichen, Zupfen und dergleichen. Manchmal werden auch verschiedene akustische Umgebungen (Studio, Konzertsaal etc., unter Wasser etc.) nachgebildet, in dem das virtuelle Instrument erklingen soll.

Um beispielsweise einen Drum-Sound zu modellieren, kommt eine Formel zum Einsatz, die den Kontakt eines Schlägels/Drum-Sticks auf dem Fell nachbildet. Hier spielen etwa die Eigenschaften des Fells, (Masse, Dichte, Steifheit etc.) oder das Volumen und die Beschaffenheit des Resonanzkörpers der Trommel eine Rolle.

Der Umfang der vom Anwender verstellbaren Parameter variiert je nach Physical-Modeling-Synthesizer bzw. -Plugin erheblich. Meist gehen diese weit über die Einstellmöglichkeiten des jeweils nachgebildeten echten Instruments hinaus, was natürlich auch die klanglichen Möglichkeiten im Vergleich zum nachgebildeten Instrumententyp stark erweitert. Bei einer echten Trommel kann man ja zum Beispiel nicht wie von Zauberhand deren Größe ändern.

Klassische Physical Modeling Synthesizer + ein Plugin:

• Roland V-Piano [Klavier]
• Korg Z1 – [diverse Instrumente]
• AAS String Studio VS-2 – [Streichinstrumente]

Weitere Syntheseformen

Einige Syntheseformen haben nie so richtig Fuß gefasst. Zudem finden sich viele Abwandlungen, Erweiterungen und Mischformen der oben beleuchteten Syntheseformen, deren Erläuterung den Rahmen des Artikels sprengen würde. Dazu kommen Techniken, bei denen eigentlich nichts synthetisiert wird, die aber als Grundbaustein der Klangerzeugung in Synthesizern dienen. Im Folgenden findest Du eine Auswahl dieses Potpourris.

• Phase Distortion Synthesis
• Sampling
• Resynthese

Die »Phase Distortion Synthesis« (Phasenverzerrung) wurde bisher nur für digitale Casio-Synthies der 80er-Jahre entwickelt wurde. Etwa für den Casio CZ-1 und den VZ-1. Deren klanglichen Ausdrucksmöglichkeiten und die relativ einfache Programmierung waren sehr vielversprechend. Na, immerhin gibt es nun in Form des kostenlosen Plugins Extent of the Jam Digits eine virtuelle Reminiszenz.

Beim Sampling wird nichts synthetisiert. Stattdessen wird zunächst ein analoges Audiosignal ins Digitale gewandelt und als Wellenform über einen Oszillator abgespielt. Was dann folgt, ist von Gerät zu Gerät unterschiedlich – bei einigen Synthesizern werden diese digitalen Oszillatorensignale etwa als Grundlage für die subtraktive Synthese (Filterung) oder granulare Synthese genutzt.

Ferner sei auf die Technik der Resynthese hingewiesen. Hierbei werden Audiodaten, also Mikrofonaufnahmen oder Samples analysiert und durch Synthesetechniken mehr oder minder originalgetreu nachgebildet. So funktioniert zum Beispiel ein Vocoder.

Was haben Gitarren-Effektpedale mit Synthesizern zu tun?

In der kreativen Synthesizer-Szene werden außergewöhnliche Hilfsmittel für frische Sounds genutzt. Mit Gitarren-Effektpedalen können Synth-Sounds veredelt werden. Mit Verzerrern erzeugst Du aggressive Bässe und Leads, per Chorus erwachen Pads und Chords zum Leben und mehr.

• Daft Punk verzerren ihre Synths mit Distortion-Pedalen
• Deadmau5 verwendet Phaser-Pedale
• Bonobo erschafft atmosphärische Hallräume mit einem Bodeneffektpedal für Gitarre

Hierzu wird das Pedal mit einer DI-Box an den Synthesizer-Ausgang angeschlossen und der Ausgang des Pedals kommt in das Mischpult, die PA-Anlage oder das Audio Interface. Der Effekt wird »eingeschleift«.

Fazit zu den Syntheseformen

Ein Fazit im Sinne »Welche Syntheseform für welchen Sound?« zu ziehen, fällt schwer. Dennoch schälen sich bald typische Klangcharaktere heraus – subtraktiv ist meist irgendwie »organischer«, »erdiger«, »wärmer«, »satter« und dergleichen, während Wavetables, FM- und granulare Synthese vergleichsweise komplexe, aparte Klangflächen hervorzaubern. Additive Synthese wird heute kaum noch verwendet und die klangliche Zuordnung fällt eher in die Kategorie Orgel bzw. E-Piano, wenn man von den bisherigen Implementierungen ausgeht.

Zahlreiche Synthesizer beherrschen gleich mehrere Syntheseformen – im Software-Bereich ohnehin, doch auch Hardware wie der besonders in den späten 90ern und frühen 2000ern populäre Access Virus glänzt mit einer Kombination von subtraktiver, granularer und Wavetable-Synthese.

Letztendlich musst Du selbst lauschen, für welche musikalischen Ideen dir welche Syntheseform zusagt. Am einfachsten zu durchschauen ist in der Regel die subtraktive Synthese (die klassische analoge Klangsynthese) und es ist empfehlenswert, sich zunächst dieser zuzuwenden. Hier gibt es auch mit Abstand die größte Auswahl am Markt, ob nun in Form von virtuell-analogen Plugins oder tatsächlich analogen Hardware-Synthesizern.

Viel Spaß!

Klangsynthese – Buchtipps

Hier sind zwei Buchempfehlungen, die sich ein wenig von der Betrachtung der Syntheseparadigmen entfernen und ans Eingemachte gehen. So wird die Frage »Wie programmiert man eigene Sounds?« beantwortet. Und zwar anhand der Parameter, die bei den meisten Syntheseformen gleichermaßen zur Verfügung stehen:

» Peter Gorges – Synthesizer Programming
» Florian Anwander – Synthesizer