Wie funktioniert ein Synthesizer?

Wie funktioniert ein Synthesizer und wie programmiert man darauf eigene Sounds? In diesem Workshop erklären wir die Grundlagen eines Synthesizers. Eigene Sounds zu programmieren macht nämlich viel mehr Spaß, als nur Presets zu benutzen!

Wenn du gerade deine ersten Schritte auf einem Synthesizer machst, fragst du dich vielleicht, was all die Fachbegriffe wie Oszillator, Filter, Envelope, LFO und so weiter bedeuten und wie sie zusammen dafür sorgen, dass der Klang entsteht. Dann bist du hier genau richtig! In diesem Artikel zeigen wir dir, wie die einzelnen Komponenten eines Synthesizers arbeiten und miteinander zusammenhängen.

Subtraktive Synthese

Dieser Workshop bezieht sich auf analoge und virtuell-analoge Synthesizer, die nach dem Prinzip der sogenannten „subtraktiven Synthese“ arbeiten. Diesen Fachbegriff brauchst du dir aber nicht unbedingt zu merken, denn der größte Teil der erhältlichen Synthesizer funktioniert auf diese Weise – mit einiger Wahrscheinlichkeit also auch deiner.

Als Faustregel kannst du dir merken: Wenn dein Synthesizer einen oder mehrere Oszillatoren und ein Filter hat, dann ist es ziemlich sicher ein subtraktiver Synth und du kannst damit die Beispiele in diesem Workshop nachbauen. Wie es so ist, gibt es natürlich auch Ausnahmen von dieser Regel, aber damit brauchen wir uns für den Anfang nicht weiter aufzuhalten.

Signalfluss eines Synthesizers

Um zu verstehen, wie der Klang in einem Synthesizer entsteht, solltest du dich mit dem Signalweg vertraut machen. Dabei gibt es von Gerät zu Gerät gewisse Unterschiede und er sieht nicht bei allen Synthesizern genau gleich aus – das wäre ja auch langweilig. Das Grundprinzip, das ich in den folgenden Absätzen kurz beschreibe, ist aber eine gute Faustregel für die meisten Synths.

Die Oszillatoren, Mixer und Filter

Die Basis des Klangs bilden in einem Synthesizer ein oder mehrere Oszillatoren. Das sind elektronische Schaltungen, die elektrische Schwingungen erzeugen. Von den Lautsprechern deiner Verstärkeranlage werden diese Schwingungen später in hörbare Schallwellen umgewandelt.

Sofern der Synthesizer mehrere Oszillatoren besitzt, werden ihre Signale dann meist in einem Mixer zusammengemischt. Danach erreicht das zusammengemischte Signal ein Filter. Das ist eine Schaltung, die die Klangfarbe beeinflusst. Das Filter filtert bestimmte Obertöne aus den von den Oszillatoren erzeugten Schwingungen heraus. Dadurch kann der Synthesizer verschiedene Klangfarben und damit Sounds erzeugen.

Ab durch den Verstärker und die Effektsektion

Nach dem Filter durchläuft das Signal einen Verstärker (Amplifier). Er ist für die Regelung der Lautstärke zuständig. Danach erreicht der fertige Klang die Ausgangsbuchsen. Einige Synthesizer besitzen nach dem Verstärker noch eine Effektsektion mit Effekten wie Hall, Delay oder Chorus.

Zauberwort „Zeitverlauf“

Damit der Synthesizer abwechslungsreiche Sounds erzeugen kann, müssen sich Dinge wie die Tonhöhe, das Filter und die Lautstärke im Zeitverlauf regeln lassen. Zum Beispiel wäre es ja langweilig, wenn der Synthesizer keine langsam anschwellenden oder kurz und perkussiv ausklingenden Töne erzeugen könnte.

Diese Funktion übernehmen bei einem Synthesizer eine oder mehrere sogenannte Hüllkurven (engl. Envelopes). Sie ermöglichen es, verschiedene Einstellungen des Synthesizers wie z. B. Tonhöhe, Filter und Lautstärke automatisch im Zeitverlauf zu regeln (zu „modulieren“).

Kontinuierliche Modulation mit LFOs

Auch die LFOs („Low Frequency Oscillators“), von denen die meisten Synthesizer einen oder mehrere bieten, dienen zur Modulation verschiedener Einstellungen. Im Unterschied zu Hüllkurven modulieren sie kontinuierlich. Während eine Hüllkurve nach dem Anschlagen einer Taste ihre Form einmal durchläuft, erzeugt der LFO eine wiederkehrende, dauerhafte Modulation. Damit kann man zum Beispiel ein Vibrato erzeugen. Mehr zu Hüllkurven und LFOs erfährst du weiter unten.

In den folgenden Abschnitten werden wir uns alle diese Komponenten genauer ansehen und anhand einiger Beispiele lernen, wie sie funktionieren.

Was ist ein Oszillator?

Die Oszillatoren bilden die Basis für den Klang. Hier entstehen die Schwingungen, die später in hörbare Schallwellen umgewandelt werden. Oszillatoren können bei Synthesizern mit verschiedenen Kürzeln bezeichnet sein, zum Beispiel OSC („Oscillator“), VCO („Voltage Controlled Oscillator“) oder DCO („Digitally Controlled Oscillator“).

Die technischen Hintergründe dieser Bezeichnungen sparen wir uns hier, denn für die Bedienung macht das in der Regel keinen Unterschied.

Bei analogen und virtuell-analogen Synthesizern basieren alle Klänge auf einigen einfachen Grundschwingungsformen (auch umgangssprachlichWellenformen genannt).

• Sägezahn (engl. Saw oder Sawtooth)
• Rechteck, Pulsschwingung (engl. Square oder Pulse)
• Dreieck (engl. Triangle)
• Sinus (engl. Sine)

Diese vier Grundschwingungsformen unterscheiden sich in ihrer Obertonstruktur und damit in ihrem Klang. Sägezahn und Rechteck haben viele Obertöne und klingen deshalb heller und schneidender, während Dreieck und Sinus nur wenige Obertöne besitzen (im Falle eines perfekten Sinus sogar gar keine) und dunkel bzw. dumpf klingen. Nicht jeder Synthesizer bietet alle davon an. Vor allem die Sinusschwingung ist bei analogen Synthesizern selten.

Tipp: Mehr zum Thema Obertöne kannst du in diesem Wikipedia-Artikel nachlesen. [ https://de.wikipedia.org/wiki/Oberton ]

Damit kennst du schon zwei wichtige Unterscheidungsmerkmale verschiedener Synthesizer:

• Wie viele Oszillatoren besitzt der Synthesizer?
• Welche Schwingungsformen bieten die Oszillatoren an?

Noch etwas zu den Schwingungsformen und den Wellenformen: Ja, korrekt ist Schwingung, nicht Welle. Aber umgangssprachlich sagen viele eben auch Wellenformen. Das kommt von der falschen Übersetzung des englischen Worts Waveform, das eben nicht Wellen- sondern Schwingungsform bedeutet. Trotzdem sollte dir niemand den Kopf abreißen, wenn du das nicht perfekt ausdrückst. 😉

Welche Einstellungen gibt es bei Oszillatoren?

Neben der Wahl der Schwingungsform bieten die Oszillatoren noch einige andere Einstellmöglichkeiten. Was man alles regeln kann, unterscheidet sich von Gerät zu Gerät. Fast immer kann die Stimmung des Oszillators eingestellt werden.

Manche Synthesizer bieten dafür nur einen Regler, bei vielen Synths gibt es aber gleich mehrere Bedienelemente, die sich auf die Stimmung des Oszillators auswirken. Wahrscheinlich findest du bei den Oszillatoren deines Synthesizers einen oder mehrere der folgenden Schalter und Regler. Oft sind aber nicht alle davon vorhanden.

• Octave / Range: Dieser Schalter bestimmt, in welcher Oktave der Oszillator klingt. Oktaven werden meistens in Fuß angegeben (z.B. 16’, 8’, 4’ usw.). Das hat historische Gründe: Auf die gleiche Weise wurde und wird bei Orgeln die Länge der Pfeifen angegeben. Halbiert man die Länge einer Orgelpfeife, so wird der Ton eine Oktave höher. 8’ ist also eine Oktave höher als 16’, und so weiter.
• Frequency: Regelt die Frequenz des Oszillators stufenlos. Dreh den Regler nach links für eine tiefere Frequenz, und nach rechts für eine höhere Frequenz.
• Coarse Tune / Fine Tune: Bei manchen Synthesizern gibt es dieses Regler-Paar. Der Regler Coarse Tune (grobe Stimmung) ist für die Stimmung in einem weiten Bereich zuständig. Bei vielen digitalen Synthesizern kann man die Stimmung damit in Halbtonschritten wählen. Der Regler Fine Tune übernimmt die stufenlose Feineinstellung.

Das nächste Produkt, das wir hier einblenden lassen, ist sicher nichts für Anfänger, alleine weil es schon die „normalen“ Preisregionen verlässt. Aber du kannst die einzelnen Sektion auf den Bildern gut erkennen.

Darüber hinaus gibt es in der Oszillatorsektion oft noch weitere Einstellungen, die sich stark von Gerät zu Gerät unterscheiden. Da die Möglichkeiten so verschieden sind, würde das hier den Rahmen sprengen. Lese daher im Zweifelsfall am besten in der Bedienungsanleitung nach, was ein bestimmter Regler tut. Für den Anfang konzentrieren wir uns hier auf die wichtigsten Einstellungen.

Was ist ein Suboszillator?

Manche Synthesizer verfügen zusätzlich zu den „normalen“ Oszillatoren über einen Suboszillator. Seine Aufgabe ist es, Sounds ein kräftigeres Bassfundament zu geben. Ein Suboszillator bietet weniger Einstellmöglichkeiten und seine Stimmung ist fest an einen anderen Oszillator gekoppelt. Oft klingt er eine Oktave tiefer als der Hauptoszillator; bei manchen Synths kann man auch zwischen einer oder zwei Oktaven wählen.

Manchmal lässt sich die Schwingungsform des Suboszillators gar nicht wählen und ist zum Beispiel fest auf eine Rechteckschwingung eingestellt. Bei einigen Synthesizern kann man die Schwingungsform des Suboszillators aber auch auswählen.

Wozu dient beim Synthesizer ein Rauschgenerator?

Eine weitere Klangquelle, die man bei vielen Synthesizern findet, ist der Rauschgenerator (Noise). Er macht genau, was draufsteht – er erzeugt Rauschen. Damit lassen sich zum Beispiel atonale Klänge wie Percussion oder Soundeffekte erstellen. Rauschen kann aber auch effektvoll sein, wenn es tonalen Klängen wie Flächensounds oder Arpegios beigemischt wird. Manchmal kann man aus verschiedenen Arten des Rauschens auswählen, die sich klanglich unterscheiden, zum Beispiel „White Noise“ und „Pink Noise“.

Mixer

Im Mixer werden die Signale der Oszillatoren und anderer Klangquellen zusammengemischt. Der Mixer erklärt sich bei den meisten Synthesizern von selbst: Es gibt für jeden Oszillator und andere Klangquellen wie Suboszillator und Rauschgenerator einen Lautstärkeregler.

Bei einfach ausgestatteten Synthesizern findet man manchmal noch simplere Lösungen, zum Beispiel einen Regler, mit dem man zwischen den Signalen zweier Oszillatoren überblenden kann. Der Mixer macht aus den Signalen der verschiedenen Klangquellen ein kombiniertes Signal, das bei den meisten Synthesizern dann an das Filter weitergeleitet wird.

Wie stellt man das Filter bei einem Synthesizer ein?

Das Filter spielt bei Synthesizern eine entscheidende Rolle für den Klang. Es dient dazu, das Obertonspektrum und damit die Klangfarbe des Sounds zu formen. Es gibt verschiedene Arten von Filtern. Bei Synthesizern am weitesten verbreitet ist das sogenannte Tiefpassfilter (Low Pass, LP). Es filtert die Frequenzen oberhalb der einstellbaren Cutoff-Frequenz hinaus, während Frequenzen darunter ungehindert passieren können.

Damit kann man die Klangfarbe beeinflussen: Wenn der Cutoff-Regler ganz aufgedreht ist, werden keine hohen Frequenzen herausgefiltert und der Klang ist klar und hell. Je weiter man den Cutoff-Regler herunterregelt, desto mehr hohe Frequenzen werden entfernt. Der Klang wird dunkler und höhenärmer. Ein Tiefpassfilter findet man bei so gut wie allen Synthesizern, mit Ausnahme einiger spezieller Geräte, die mit anderen Methoden der Klangerzeugung arbeiten.

Weitere Arten von Filtern, die manche Synthesizer zusätzlich bieten, sind:

• Hochpassfilter (High Pass, HP): Das Gegenteil des Tiefpassfilters. Es lässt die hohen Frequenzen oberhalb des Cutoff-Punktes ungehindert durch, während die Frequenzen darunter herausgefiltert werden.
• Bandpassfilter (Band Pass, BP): Filtert einen Bereich rund um die Cutoff-Frequenz heraus. Frequenzen darunter und darüber können ungehindert passieren.

Resonanz

Bei den meisten Synthesizern gibt es neben dem Cutoff einen weiteren sehr wichtigen Regler: Resonanz (Resonance, einige Hersteller nennen es Emphasis oder Peak). Wenn die Resonanz aufgedreht wird, wird der Bereich rund um die Cutoff-Frequenz betont und tritt im Klang stärker hervor. Bewegungen des Cutoffs werden dadurch deutlicher hörbar.

Bei sehr hohen Resonanz-Einstellungen wird der Klang oft als scharf und schneidend, zwitschernd oder pfeifend empfunden. So klingt das letzte Beispiel, wenn zusätzlich die Filterresonanz aufgedreht wird (einmal mit moderater, und einmal mit sehr hoher Resonanz):

Envelope Depth

Viele Synthesizer besitzen in der Filterabteilung diesen wichtigen Regler. Er bestimmt, wie stark die Filterhüllkurve (mehr dazu gleich) die Cutoff-Frequenz des Filters beeinflusst.

Wie stellt man die Hüllkurven bei einem Synthesizer ein?

Du erinnerst dich: Die sogenannten Hüllkurven oder Envelopes dienen bei einem Synthesizer dazu, Klangeinstellungen wie Tonhöhe, Filter-Cutoff oder Lautstärke im Zeitverlauf zu regeln. So lassen sich Klänge erzeugen, die nicht bloß „an- und ausgehen“, sondern einen lebendigen Verlauf haben.

So gut wie alle Synthesizer haben mindestens eine Hüllkurve. Damit man mehrere Einstellungen unabhängig voneinander regeln kann, gibt es oft auch zwei oder drei. Bei manchen Synthesizern sind die Hüllkurven fest bestimmten Zielen zugewiesen. Es gibt also eine für die Lautstärke, eine für das Filter, und so weiter. Oft kann man die Hüllkurven aber auch frei den gewünschten Zielen zuweisen.

Die mit Abstand häufigste Form der Hüllkurve ist die vierstufige ADSR-Hüllkurve. Die Buchstaben stehen für Attack, Decay, Sustain und Release. Diese Form der Hüllkurve wurde von den Synthesizer-Pionieren der 1960er-Jahre entwickelt, weil sich damit die typischen Klangverläufe der meisten natürlichen Instrumente recht gut nachbilden lassen.

So wirken sich die vier Regler auf den Verlauf der Hüllkurve aus:

• Attack: Bestimmt die Zeit, die nach dem Anschlag der Taste vergeht, bis die Hüllkurve ihren maximalen Wert erreicht.
• Decay: Bestimmt die Zeit, die nach dem Ablauf der Attack-Zeit vergeht, bis die Hüllkurve auf das Sustain-Level abgesunken ist.
• Sustain: Bestimmt das Level, das gehalten wird, solange die Taste gedrückt gehalten wird.
• Release: Bestimmt die Zeit, in der die Hüllkurve nach dem Loslassen der Taste auf null absinkt.

Damit eine Hüllkurve wirksam wird, muss sie dem gewünschten Ziel in der gewünschten Stärke zugewiesen werden. Das funktioniert bei verschiedenen Synthesizern auf unterschiedliche Weisen. Einige Synthesizer haben direkt bei den möglichen Modulationszielen (Filter, Oszillator-Tonhöhe, etc.) Regler, mit denen die Stärke der Hüllkurve geregelt werden kann (z.B. als Env Depth oder EG Depth bezeichnet).

Bei anderen Synthesizern befinden sich diese Regler bei der Hüllkurve selbst, wo man dann beispielsweise regeln kann, wie stark sich die Hüllkurve auf das Filter oder die Tonhöhe (Pitch) auswirkt. Die Lautstärkenhüllkurve (Amp Envelope) ist meistens automatisch der Lautstärke zugewiesen und man muss keinen Regler aufdrehen, damit sie aktiv wird.

Wozu dient der LFO bei einem Synthesizer?

Neben den Hüllkurven haben die meisten Synthesizer noch eine weitere Möglichkeit zur Modulation von Tonhöhe, Filter und Lautstärke: die sogenannten LFOs. Das steht für Low Frequency Oscillator. Einfache Synthesizer haben meist einen LFO, während man bei besser ausgestatteten Instrumenten zwei, drei oder sogar noch mehr findet.

Ein LFO arbeitet ganz ähnlich wie die Oszillatoren, die die Klänge erzeugen, schwingt aber deutlich langsamer. Anders als die Haupt-Oszillatoren erzeugt ein LFO kein hörbares Tonsignal, sondern ein Steuersignal zur Modulation. Indem man damit andere Bausteine des Synthesizers wie Oszillatoren, Filter und Amp steuert, kann man wiederkehrende, zyklische Klangveränderungen erzeugen, also zum Beispiel ein Vibrato oder ein Tremolo.

Ein LFO hat in der Regel mindestens die folgenden Einstellmöglichkeiten:

• Wave, Shape: Wählt die Wellenform des LFOs aus. Die Auswahlmöglichkeiten ähneln denen der Oszillatoren. Zur Wahl stehen meistens Dreieck, Rechteck und Sinus, manchmal auch Sägezahn und eine zufällige Schwingung (Random).
• Rate, Frequency: Bezeichnet die Frequenz des LFOs und damit die Geschwindigkeit der Modulation.
• (Mod) Depth: Stärke bzw. Intensität der Modulation. Hier kann man einstellen, wie stark der LFO das gewählte Modulationsziel beeinflusst. Diese Einstellung findet man entweder beim LFO selbst oder beim zu steuernden Oszillator, Filter oder Amp.
• Key Sync, Retrigger: Legt fest, ob der LFO seine Schwingung bei jedem Tastendruck von vorn beginnt, oder frei schwingt.

Probieren geht über Studieren!

Nach all diesen Fachbegriffen raucht dir jetzt bestimmt ganz schön der Kopf. Aber keine Angst – Synthesizer zu bedienen ist keine Raketenwissenschaft! Je mehr du die verschiedenen Einstellungen ausprobierst, desto besser wirst du verstehen, wie sie sich auf den Klang auswirken. Und zum Glück kann man durch Ausprobieren bei Synthesizern auch nichts kaputt machen.

Die Theorie zu verstehen ist eine gute Sache, aber zum richtigen Synthesizer-Experten wird man am besten durch eigene Experimente. Probiere also einfach aus, was die verschiedenen Regler machen, und du wirst schnell zu interessanten, eigenen Sounds kommen. Viel Spaß!