Meine Diplomarbeit an der Sae 2002

Diplomarbeit Thema:
„Der Analog-Synthesizer“

Einleitung

Ich habe das Thema „Der Analog-Synthesizer“gewählt weil ich schon seit etwa 5 Jahren mit Synthesizern verschiedenster Art arbeite. Dabei sind mir die analogen Synthesizer wegen ihres satten Klang..s  und der oft Intuitiven Bedienoberfläche besonders ans Herz gewachsen .
Im Verlauf dieser Facharbeit möchte ich den Aufbau und die Funktionsweise des Synthesizers  und seiner einzelnen Module erklären und das Interesse an diesen Werkzeugen der Klangformung wecken. Zudem sind die Analogen-Synthesizer nicht aus der Musik Produktion weckzudenken,   da sie nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur individuellen Klangformung bieten. Außerdem ist    es sehr interessant Töne aus echtem Strom zu erzeugen, anstelle sie mit Nullen und Einsen zu errechnen wie es bei virtuellen und virtuell-analogen Synthesizern der Fall ist .

Geschichte des Synthesizers

1903 Der Amerikaner Thaddeus Cahill erfindet das Dynamophon oder Telharmonium .
Dieser „Dinosaurier“ wog 200 Tonnen. Das Gerät erzeugte Klänge mit Hilfe
Modifizierter Dynamos, die erzeugten Klänge wurden über das Telefonnetz übertragen denn der Lautsprecher war noch nicht erfunden und das Radio war nur ein Traum.

1920 Russe Leon erfindet das Theremin ein Instrument das später als Theremine oder
Aeterophon bekannt wurde. Der Theremin ist ein kleiner Kasten mit zwei Antennen. Im Inneren befinden sich zwei Batterie gespeiste Hochfrequenzgeneratoren die als Tonerzeuger dienen. Ihre Frequenz liegt bei etwa 300 kHz also in einem für uns unhörbaren Frequenzbereich.
Diese hohen Frequenzen werden über einen Modulator und einen Tiefpass geleitet die so entstehende niedrige Differenzschwingung wird dann mit Hilfe eines Lautsprechers hörbar. Ein Generator arbeitet mit einer festen Frequenz der andere ist variabel und mit einer Antenne verbunden. So kann die Tonhöhe durch bewegen der rechten Hand im elektrostatischen
Feld dieser Antenne variiert werden. Je näher die Hand desto höher der Ton je weiter entfernt desto tiefer. Zusätzlich kann die Lautstärke mittels eines Schalters grob vorgewählt werden. Richtig spielen lässt sich das gerät durch Bewegung einer Drahtschlinge über der zweiten Antenne die links am Gerät angebracht ist .

1926 Von dem Lehrer und Organnisten Jörg Mager wird das Sphärophon erfunden und gebaut.
Er wollte damit sein Ideal des stufenlosen Tonraumes verwirklichen.
Genau wie die Theremine ist das Sphärophon ein Schwebungssummer. Zwei Hochfrequenz Generatoren erzeugen eine hörbare Differenzschwingung.Um die Tonhöhe zu Steuern hat Mager in einen der beiden Schwingkreise einen Drehkondensator geschaltet. Auf diesen Drehkondensator ist eine Kurbel geschraubt die mit einer halbkreisförmigen Skala mit eingetragenen Stufen der chromatischen Skala unterlegt ist. Mit jeder Drehung derKurbel verändert sich die Kapazität des Kondensators und damit die Tonhöhe. Um das störende
Gleiten von einem Ton zum anderen zu vermeiden das durch die stufenlose Arbeitsweise des Drehkondensators entsteht gibt es eine zweite Kurbel. Mit der zweiten Kurbel kann man in Verbindung mit der ersten den jeweils nächsten Ton gewissermaßen vorwählen. Unterschiedliche Klangfarben werden durch Filterketten realisiert.

1928 Der Franzose Maurice Martenot erfindet ein Gerät das unter dem Namen Ondes Martenot bekannt ist. Er hatte den Anspruch mit diesem „Synthesizer“ alle Klänge herkömmlicher Instrumente zu imitieren. Martenots Instrument Arbeitet wie Theremine und Sphärophon nach dem Prinzip des Schwebungssummers. Der Spieler sitzt vor einer Klaviatur die bei frühen Versionen nur als optisches Bezugssystem für die Tonhöhe diente. Über der Klaviatur ist ein
Seil mit einer Öse gespannt das mit einem Drehkondensator verbunden ist. Zieht man das Seil Mit Hilfe des in die Öse gesteckten Zeigefingers der rechten Hand hin und her ändert sich die Kapazität des Kondensators und damit die Tonhöhe. Die auf diese weise erzeugten Töne setzen Allerdings heftig ein und enden abrupt. Also müssen sie noch einer Klangformung unterworfen Werden um Musikalisch einsetzbar zu sein. Dies ist Aufgabe der linken Hand die einen links am Gerät auf einem Schieber angebrachten Registerhebel bedient. Auch die zwölf Klangfarbenregister der Ondes sind auf diesem Schieber untergebracht.

1930 Der Musikwissenschaftler und Organist Dr.-Ing. Friedrich Trautwein begint mit Unterstützung des Direktor..s der Musikhochschule Berlin und den Firmen Telefunken und AEG das Trautonium. Als man ihn in einem Interview nach seiner Motivation fragte
antwortete er „[…]für den schaffenden Künstler neue Ausdrucksmöglichkeiten bereitstellen[…]und glaube daran, mit seinen Arbeiten[…]vor allem der schöpferischen Kunst zu dienen und damit zur Versöhnung der beiden fälschlich in Gegensatz gedrängten Zweige
Menschlichen Geistes : Kunst und Technik beizutragen[…]“.
Technisch basiert das Trautonium auf einem Niederfrequenz-Generator der sägezahnförmige sogenannte Kippschwingungen erzeugt. Diese entstehen in einer parallel zu einem Kondensator geschalteten Glimmröhre. Der Kondensator wird durch eine Dreipolröhre periodisch aufgeladen deren Gittervorspannung regelbar über ein Manual die Zahl der Entladungen und damit die Tonhöhe bestimmt. Der Spieler muss einen Draht niederdrücken bis dieser eine Metallschiene berührt. Die Stärke des Drucks wird durch einen Kohlewiederstand in einen elektrischen wert übersetzt der dann die Dynamik des gespielten Tons bestimmt.

1932 Die Firma Telefunken startet die Produktion einer in einigen Technischen Details verbesserten Version des Trautoniums (die angaben über die Stückzahl schwankt zwischen 50 und 100). Bei diesem Gerät handelt es sich somit um das erste serienmäßig gefertigte industrielle elektronische Instrument. Trautwein hat zudem Schaltungen zur Steuerung der Klangfarbe eingebaut. Die Oberton reichen Schwingungen der Generatorröhre werden in Zwei elektrische Resonanzkreise geleitet in denen bestimmte Frequenzanteile rausgefiltert Und andere verstärkt werden. Das Telefunken Modell besitzt zwölf Drehknöpfe und Schalter mit denen neben der Klangfarbe auch Oktavtransposition und Tonumfang geregelt werden kann.

1934 Laurens Hammond erfindet in Chicago eine Orgel die nach dem Prinzip des alten Telharmoniums von Cahill arbeitet. Das Instrument wird als erstes elektronisches Instrument Gleich in Großserie hergestellt und in der Folge als Hammond-Orgel ein Musikalischer wie auch kommerzieller Welterfolg.

1952 Der einstige Trautwein-Gehilfe und Hindemit Schüler Oskar Sala stellr sein Mixturtrautonium vor. Zunächst zwei später sogar vierstimmig eröffnet das Mixturtrautonium ein deutlich breiteres Klangspektrum als sein Vorläufer. Sala hat beispielsweise einen Rauschgenerator zur Erzeugung von Geräuschen einen elektrischen Unterbrecher für rhythmische Effekte und Vorrichtungen für Halleffekte eingebaut.

1955 Die Radio Corporation of America (RCA) stellt ihren „Electronic Music Synthesizer“vor. Hierbei handelt es sich allerdings nicht um einen Synthesizer im Heutigen sinne sonder um einen halbautomatischen Musik erzeuger.
Der Komponist schreibt seine Ideen über eine Tastatur auf spezielle Lochstreifen.
Diese Lochstreifen werden von der Maschine in Musik übersetzt die wiederum wird über einen Verstärker auf einen sechs spurigen Plattenschneider geleitet und dort auf eine Platte gepresst. Als Ton erzeuger dienen zwölf Sinus-Oszilatoren von denen jeder eine feststehende Frequenz der chromatischen Skala vom zweigestrichenen „Fis“ bis zum dreigestrichenen „F“ wiedergibt.
Eine Auswahlschaltung gestattet einen Gesamttonumfang von 8 Oktaven.
Die Sinusschwingung der Ton erzeuger wird über eine dafür geeignete Schaltung in die Oberton reiche Sägezahnform gewandelt. Weitere Schaltkreise statten das Instrument unter anderem mit Hüllkurve, Rauschgenerator und Niederfrequenzmodulatoren zur Erzeugung von Vibrato, Tremolo und Filter-Resonatorketten zur Erzeugung verschiedener Klangfarben und Steuermöglichkeiten für die Lautstärke aus. Das Gerät ist in Sieben Schaltschränken untergebracht.

1964 Der Amerikaner Robert Moog stellt auf der AES den Prototypen eines elektronischen Instrumentes vor. Das als Urvater aller analogen Synthesizer im heutigen sinne gelten darf. Zwar hatte vor Moog bereits sein Landsmann Don Buchla ein ähnliches System vorgestellt jedoch ist Moog der erste der zur Steuerung aller Parameter eine Steuerspannung von 1 Volt/Oktave einsetzt die bis zum heutigen Tag Standard bei analogen Synthesizern ist.

WAS ist ein Analog-Synthesizer ?

Der Begriff „Analog-Synthesizer“ ist nur ein Hinweis wie die einzelnen Bausteine eines Synthesizers Technisch Realisiert sind. Es sagt nichts über Klang oder Klangerzeugung Eines Synthesizers aus. Analoge Synthesizer in ihrer Reinform arbeiten mit Schaltkreisen die aus einzelnen analogen Bausteinen bestehen wie z.b. (Transistoren, Wiederständen und Kondensatoren). Das Prinzip nachdem ein Synthesizer arbeitet wird Technisch korrekt als
„subtracktive Synthese“ bezeichnet. Umgangssprachlich bezeichnet man es als „analoge Synthese“.

Welche Formen von Analog-Synthesizern gibt es ?

Es gibt zwei arten von Analog-Synthesizern :

Modulare Synthesizer

Bei einem Modularen Synthesizer findet man alle Elemente in Form einzelner Bauteile vor die als Module Bezeichnet werden. Jedes dieser Module ist mit mehr oder weniger zahlreichen Ein und Ausgängen für alle möglichen Arten von Signalen ausgestattet. Die Module die man benutzen möchte muss man erst verbinden um aus vielen Einzelteilen Eine funktionierende Synthesizer Schaltung zu kreieren. Zum verbinden der Module benutzt man Patch-Chords

Festverdrahtete Synthesizer

Zu Beginn wurden sie auch als „Kompakt-Synthesizer“ bezeichnet. Sie liegen in der Evolution elektronischer Musikinstrumente hinter den Modularen Synthesizern. Uhrvater dieser Synthesizer ist der „Minnimoog“ aus dem Jahr 1970. Man baute ihn Um Synthesizer Transportabler und billiger zu machen. Im inneren findet man eine begrenzte Anzahl von Modulen die festverdrahtet sind. Bei neueren Modellen kann man zumindest bestimmte Sektionen wie z.b. (LFO..s und Hüllkurven ) frei zuweisen.

Wie entsteht ein analoger Klang ?

Ein Oszillator erzeugt eine Wellenform z.b.(Sinuswelle ,Rechteckwelle oder Sägezahnwelle).
Das Signal wird in einen Filter geleitet. Hier kann man Obertöne aus der Wellenform entfernen und so die Klangfarbe beeinflussen.
Als nächstes wird das Signal durch einen Verstärker geleitet Dadurch kann man die Lautstärke des Signals kontrollieren. Die Arbeitsweise des Filters und des Verstärkers geben der Synthese ihren Namen sie nehmen von der ursprünglichen Oszillator Wellenform etwas weg oder anders gesagt sie subtrahieren etwas und deswegen bezeichnet man diese Syntheseform Technisch korrekt als „subtraktive Synthese“. Da ein Klang der auf diese weise erzeugt wird noch sehr statisch klingt sind Synthesizer mit Steuerbausteinen ausgestattet die bestimmte Parameter der Signalführenden Bausteine beeinflussen Können. Der wohl wichtigste dieser Bausteine ist der Hüllkurvengenerator dieser legt eine Hüllkurve über das Signal. Eine Hüllkurve besteht z.b. aus Attack (die zeit die das Signal braucht um auf maximal Pegel steigen), Decay(die zeit die das Signal braucht um auf das Sustain level ab zufallen), Sustain(ist der Pegel der Grundschwingung) und der Release zeit (ist die Zeit die das Signal nach loslassen der Taste braucht um aus zuklingen). Dann gibt es noch das LFO (Low Frequenzy Oscilator Englisch für Niederfrequenz oszilator). Dies ist ein Oszillator dessen Frequenz unterhalb des für den Menschen als Ton wahrnehmbaren Bereiches liegt. Diese Niederfrequenz wird als Steuersignal für die Signalführenden Bausteine wie z.b. Oszillator und Verstärker genutzt.
Steuert man die Frequenz des Oszilators mit dem LFO an so ändert sich die Tonhöhe periodisch mit der Schwingung des LFO..s diesen Effekt nennt man „Vibrato“.
Steuert man den Verstärker an so ändert sich die Lautstärke des Klanges periodisch diesen Effekt nennt man Tremolo.

Aufbau eines analog- Synthesizers

1.Der Oszillator

Ein Oszillator ist z.B. ein Schwingkreis bestehend aus Widerstand und Kondensator. Auf den Schwingkreis wird eine Steuerspannung von 1 Volt gegeben wodurch sich der Kondensator auflädt. Ist der Kondensator geladen gibt er den erste Impuls ab der den Beginn einer periodischen Schwingung darstellt (z.B. Sinus ). Die Frequenz wird über den Widerstand festgelegt dieser ist Regelbar so kann man die Ladezeit des Kondensators beeinflussen und somit die Frequenz.

Der Oszillator ist das Herzstück des analog-Synthesizers er erzeugt das klangliche Ausgangsmaterial z.B. Wellenformen die dann mit klangverarbeitenden Bausteinen wie Filtern und Lfo..s weiterverarbeitet werden können. Analoge Oszillatoren sind elektronische Tonfrequenzgeneratoren die in der Lage sind Schwingungen zu erzeugen diese können sowohl innerhalb des menschlichen Hörbereiches (20 Hz – 20 kHz) als auch außerhalb (0,1 Hz – 40 kHz) liegen. Die niederfrequenten Schwingungen werden auch zur Modulation anderer Oszillatoren verwendet. Monophone Analogsynthesizer sind meistens mit mindestens zwei separat einstellbaren Oszillatoren ausgestattet. Auf diese weise ist es möglich das begrenzte Klangmaterial eines einzelnen Oszilator..s zu erweitern z.B. eine Sägezahnwelle für Oszillator 1 und eine Pulswelle für Oszillator 2. Oder man verstimmt die beiden Oszillatoren relativ zu einander um durch die resultierende Phasenverschiebung der zwei Wellenformen Schwebungs Effekte zu erzielen.

Viele Synthesizer sind zusätzlich noch mit Rauschgeneratoren ausgestattet die Schwingungen erzeugen in denen viele bis sämtliche Frequenzen des Menschlichen Hörbereiches und darüber hinaus d.h. von 0 Hz bis 24000 Hz enthalten sind und zwar gleichzeitig und mit unterschiedlichen Amplituden. Hiermit lassen sich Geräusche und Perkusiv Klänge erzeugen. Mit Rauschgeneratoren deren Signal in Analogsynthesizern oft mit dem Oszillatorsignal gemischt werden lassen sich insbesondere Naturgeräusche nachahmen. Mit weißem Rauschen z.B. Wind oder Maschienen Geräusche, Beckenklänge, Anblaß Geräusche von Blasinstrumenten und ähnliches. Rosa Rauschen wird wegen seiner vorwiegend tiefen Frequenzanteile eher zur Imitation von Donnergrollen oder Fahrt Geräuschen verwendet.

Oszilatoren bzw.die Tonhöhe der durch sie erzeugten Klänge lassen sich durch verschiedene andere Bauteile beeinflussen wie z.B.Niederfrequenzoszillatoren, Hüllkurven u.s.w. und können dadurch lebendiger gestaltet werden. So können Vibratoeffekte, Zufallstonhöhen und stufenloser Übergang zwischen Tonhöhen und andere Effekte realisiert werden. Außerdem lassen sich zwei oder mehr Oszillatoren zueinander Synchronisieren um unerwünschte Schwebungen auszuschließen. Die bei analogen Bauteilen praktisch immer auftreten da die Oszillatoren durch freies schwingen in der Phase auseinanderlaufen. Hierbei legt ein Oszillator der Sogenannte Master den Beginn einer Phase starr fest. Wenn er also mit der Ausgabe einer Periode beginnt werden der oder die übrigen Oszillatoren (slave Oszillatoren) gezwungen ebenfalls eine Periode neu zu beginnen. Dabei spielt es keine Rolle in welcher Phase sich die Slave-Oszillatoren gerade befinden. Diese Eigenschaften so wie andere Steuerungsmöglichkeiten analoger-Synthesizer ermöglichen Klangexperimente mit sehr interessanten Ergebnissen.

1.2.Wellenformen

Mit diesem Terminus bezeichnet man den charakteristischen Verlauf einer Schwingungs Periode. Ursprünglich entstammen solche Darstellungen dem Oszilloskop. Die dort erkennbaren Wellenformen gaben den im Folgenden zu beschreibenden Schwingungs arten ihre Namen.

Die Sinuswelle

Der Sinuston wird oft auch als reiner Ton bezeichnet da er keinerlei Obertöne enthält. Es lässt sich mathematisch nachweisen das sich jede komplexe periodische Wellenform als Summe oder Überlagerung von Sinusschwingungen darstellenlässt.
Der Sinus Ton lässt sich nur Elektronisch erzeugen da er in der Natur nicht vorkommt. Da es sich beim Sinuston nur um eine einzige Schwingung handelt kann sein Klangcharakter mit Frequenzselektiven Filtern wie sie in der Synthesizertechnik Anwendung finden nicht verändert werden. Deswegen ist diese Wellenform der Erzeugung durch den Niederfrequenzoszillator (LFO) zu Modulationszwecken vorbehalten.

Die Rechteckwelle

Die Rechteckwelle besteht ausschließlich aus ungeradzahligen Harmonischen d.h. es sind nur der Grundton, die dritte, fünfte usw. Harmonische vertreten. Den Klangcharakter dieser Wellenform kann man aufgrund der Verhältnismassig hohen Amplituden der Obertöne als strahlend und hell bezeichnen.

Die Dreieckswelle

Die Dreieckswelle ist dem Klang des Sinustons sehr ähnlich weil sie zwar wie die Rechteckwelle alle ungeradzahligen Harmonischen enthält deren Amplituden jedoch exponentiell abnehmen. Insofern könnte man die Dreieckswelle auch als stark gefilterte Rechteckwelle bezeichnen.

Die Pulswelle

In der Wellenformdarstellung weist die Rechteckwelle senkrechte Flanken auf wodurch Hoch- und Niederpegel entstehen. Bei der Rechteckschwingung betragen die zeitlichen Anteile des Phasenhoch und des Phasenniederpegels an einem Schwingungsdurchgang je 50%. Ist es Jetzt möglich dieses Verhältnis zu ändern (modulieren) so spricht man nicht mehr von einer Rechteckwelle sondern von einer Pulswelle d.h.die Rechteckwelle ist ein Sonderfall der Pulswelle. Je weiter die Anteile von Hoch und Niederpegel auseinandergehen desto nasaler klingt der erzeugte Ton. Das Verhältnis der zeitlichen Anteile von Hoch und Niederpegel an einem Schwingungsdurchlauf nennt man Pulsbreite. Diese wird entweder als prozentualer Wert oder als Bruch dargestellt. Dabei wird bei einer Pulsbreite von 1:n jede n-te Harmonische ausgelöscht d.h. bei einer Pulsbreite von 1:6 fehlen im Spektrum die sechste, zwölfte, achtzehnte (usw) Harmonische. Pulswellen klingen je nach fehlenden Frequenzen hoch, nasal oder auch spitz. Pulswellen werden meist zur Imitation von Blasinstrumenten aller Art eingesetzt.

Die Sägezahnwelle

Die Sägezahnschwingung enthält sämtliche Töne der harmonischen Obertonreihe. Sie tritt je nach Einsatz der Steuerspannung in aufsteigender oder absteigender Form auf. Bedingt durch die Tatsache das sämtliche Obertöne mit Verhältnismassig hohen Amplituden vorhanden sind. Klingt auch diese Schwingungsart sehr hell und klar. Sägezahnwellen werden erzeugt indem mehrere Rechteckwellen unterschiedlicher Fusslage übereinander gelagert werden. Der Begriff „Fusslage“ bezeichnet hier die Oktavlage eines Tones und ist abgeleitet von der Länge einer entsprechenden Orgelpfeife.

Rauschen

Als Rauschen bezeichnet man eine Schwingungsform in der sehr viele bis sämtliche Frequenzen des menschlichen Hörbereiches und auch darüber hinaus d.h. von 1 Hz bis 24000 Hz gleichzeitig mit unterschiedlichen Amplituden erklingen. Das menschliche Gehör kann hier keinen Grundton mehr erkennen. Enthält das Rauschen alle hörbaren Frequenzen d.h. von etwa 16 Hz bis 20 KHz dann spricht man in Analogie zum weißen Licht das sich aus allen sichtbaren Frequenzen zusammensetzt vom weißen Rauschen. Die Schwingungsform ist dem Periodischen schwingen eines musikalischen Tones entgegengesetzt. Durch abschwächen bestimmter Frequenzbereiche (Filterung) entsteht aus dem weißen Rauschen so genanntes farbiges Rauschen das mit stimmlosen Sprachlauten zu vergleichen ist. Man unterscheidet hier weiterhin analog zum Lichtspektrum z.B. Rosa rauschen indem die Tieferen Frequenzanteile hervorgehoben werden hier fällt die Amplitude um 3 DB pro Oktave. Oder Blaues Rauschen bei dem die höheren Frequenzen stärker vertreten sind. Das Rosa Rauschen ist im übrigen ein Sonderfall da es mit seinen betonten tiefen und abgeschwächten hohen Frequenzen den ungleichen Empfindungsschwellen des menschlichen Gehörs entgegenkommt. Hierbei wird der Höreindruck eines über den gesamten Frequenzbereich gleichmässigen Geräusches erzielt. Obwohl die tatsächliche Schallenergie zu den höheren Frequenzen hin fortschreitend abnimmt.

2.Das Filter

Ein Filter ist eine Kombination aus Widerständen und Kondensatoren. Je nach Kombination dieser Bauteile können verschiedene Filter Typen Realisiert werden. Die Anzahl der Komponenten bestimmt die Ordnung (Flankensteilheit) des Filters (z.b.-6dB/Octave je Ordnung). Indem das Filter bestimmte wählbare Frequenzen ausfiltert wird die Klangfarbe beeinflusst.

RC Tiefpass

Das Signal durchläuft zuerst den Regelbarren Widerstand dieser Beeinflusst die Frequenz die auf den Kondensator Trifft und somit die Ladezeit. Je Höher der Widerstand ist desto höher ist die Frequenz die auf den Kondensator Trifft. Physikalisch bedingt fängt der Kondensator die hohen Frequenzen mehr ab als die tiefen. Das Bedeutet je höher die Frequenz ist die auf den Kondensator Trifft desto stärker ist die Filterwirkung. Dieses Filter kommt in jedem analogen Synthesizer vor. Es hat die Aufgabe die Frequenzen oberhalb der „Cutoff-Frequenz „aus zu filtern und die darunterliegenden durchzulassen. Je Tiefer also die Eck frequenz desto dumpfer wirkt der Klang.

RC Hochpass

Der RC Hochpass Filter ist das Gegenteil des Tiefpass Filters. Das Signal wird hier zuerst auf den Kondensator gegeben und dann auf den widerstand. Dies hat zur folge das Tiefe Frequenzen abgeschwächt werden und hohe Frequenzen passieren. Die „Cutoff-Frequenz“ kann bis zum Grundton verschoben werden d.h. wenn das Filter Arbeitet wird bei Anhebung der „Cutoff-Frequenz“ die Grundfrequenz des Klanges ausgefiltert. Steigt die „Cutoff-Frequenz“ an so wird der Klang immer Höhenbetonter und wirkt dadurch dünner.

RC Bandpass

Das Bandpass Filter ist eine Reihenschaltung von einem Tiefpass und einem Hochpass Filter. Es lässt nur die Frequenzen passieren die von beiden Filtern durchgelassen werden. So kann man ein bestimmtes Frequenzband isolieren um etwa einen Klang aus zu dünnen. Die Frequenz die genau in der Mitte dieses Frequenzbandes liegt nennt man „Mittenfrequenz“. Wenn die Kurve des Bandpasses sehr steil ist spricht man von hoher „Güte“ des Filters.Dies ist ein so genanntes „Formant Filter“. Formant Filter eignen sich sehr gut zur Nachahmung von Gehäuseresonanzen akustischer Instrumente wie Klavier, Geige und auch des menschlichen Rachenraumes.

RC Bandsperre

Die Bandsperre ist das Gegenstück zum Bandpass hier werden ein Tiefpass und ein Hochpass Filter Parallel geschaltet. Dieses Filter entfernt ein Bestimmtes Frequenzband. Die entstehende Frequenz Lücke nennt man „Sperr bereich“. Eine Bandsperre mit sehr schmalen Sperr bereich und steilen Flanken nennt man „Notch oder Kerb Filter „.

Funktion des Filters

Das Filter weist zwei Hauptparameter auf. Die „Cutoff-Frequenz“ und die „Resonanz“. Diese beiden Parameter sind die wesentlichen Mittel der Klangfärbung bei der subtracktiven Synthese. Die Cutoff-Frequenz beschreibt die Frequenz ab der das Filter einsetzt d.h. beim Tiefpass werden alle Frequenzen oberhalb der Cutoff-Frequenz beschnitten beim Hochpass Filter unterhalb. In welchem Masse die Frequenzen beschnitten werden hängt vom Filter selbst ab. Zwar kann ein Filter Frequenzen vollständig unterdrücken aber in der Praxis ist es so das eine Frequenz umsoweniger unterdrückt wird je näher sie an der Cutoff-Frequenz liegt. Ein Filter das alle Frequenzen oberhalb der Cutoff-Frequenz vollständig und radikal eliminieren würde Klänge alles andere als natürlich. Den Grad mit dem die Frequenz über die zeit an Pegel verliert bezeichnet man als „Flankensteilheit“ die in DB pro Oktave angegeben wird. Je Größer der DB wert desto stärker ist die Bedämpfung der Frequenzen. Je steiler die Flanken eines Filters sind desto radikaler beeinflusst ein Filter das Spektrum und somit auch die Klangfarbe eines Klanges.
Analogsynthesizer werden mit Filtern ausgestattet die eine Flankensteilheit von –12 oder –24 DB/Oktave aufweisen. Man hat sich geeinigt eine Flankensteilheit von –6dB/Oktave als „Pol“ zu bezeichnen darum handelt es sich bei handelsüblichen Filtern um 2-Pol- oder 4-Pol-Filter. Die ersten 4-Pol-Filter hat Robert A. Moog entwickelt und patentieren lassen. Aus diesem Grund haben zahlreiche Hersteller jahrelang, bis zur Freigabe der 4-Pol-Filter die Vorteile der 12dB-Filter mit ihrer „Wärme“und“Natürlichkeit“ angepriesen um davon abzulenken das moog der einzige mit 4-Pol Filter war.
Der zweite Parameter des Filters ist die Resonanz. Sie ermöglicht Rückkopplungen d.h.das am Ausgang des Filters Anliegende Signal wird Phasengedreht wieder an den Eingang zurückgeführt. Der Sinn dieser Schaltung ist die Betonung der Frequenzen unmittelbar unterhalb der Cutoff-Frequenz. Als Nebeneffekt werden die Grundtöne des Eingangssignals abgeschwächt. Bei extrem hoch Eingestellter Resonanz verfallen Analogfilter in Selbstoszillation. Dies bedeutet dass der Filterkreis selbst zu schwingen beginnt. Das Filter also zum Sinusoszillator wird und zwar selbst dann wenn kein Eingangssignal eines anderen Oszillatoren mehr anliegt. Der durch die so genannte „Selbstoszillation“ auch als Mitkoplung bezeichnet entstandene Sinuston befindet sich in Höhe der Cutoff-Frequenz und lässt sich beispielsweise sehr gut zur Programmierung von elektronischen Drumsounds verwenden.

Klang eines Filters

Entscheidend für die Qualität eines Filters ist nicht seine Flankensteilheit und auch sonst nichts was sich in technische Daten packen lässt. Entscheidend ist vielmehr sein „Klang und damit kurioserweise eine Eigenschaft die es strenggenommen gar nicht besitzt denn das Filter selbst „klingt“ ja nicht. Was also ist der Klang eines Filters? Wann klingt ein Filter gut und wann nicht?
Dies sind fragen auf die es keine Objektiven Antworten gibt. Die Klangeigenschaften eines Filters haben weniger etwas mit technischen Daten zu tun als vielmehr mit den einzigartigen Ungenauigkeiten, Verzerrungen und Verfärbungen mit denen jedes Filter dem Klang zu Leibe rückt.

3.Der VCA (Voltage Controled Amplifier)

Der Verstärker ist das letzte Glied in der kette der Signalführenden Bausteine eines analogen Synthesizers. Seine Aufgabe besteht einzig darin das vom Oszillator über das Filter geleitete Signal in der Lautstärke zu regeln. Folglich besitzt er auch nur einen Regler der den Pegel bzw. die Lautstärke steuert. Bei vielen Synthesizern ist das Amplifier Modul mit dem Kürzel VCA (Voltage Controled Amplifier) zu Deutsch spannungs gesteuerter Verstärker.

4.Der Hüllkurven generator

Um die Arbeitsweise dieses Moduls zu veranschaulichen ist ein Vergleich hilfreich. Auf einer Orgel ist der Ton sofort im Moment des Anschlages hörbar er bleibt während des Drückens der Taste relativ konstant und verklingt nach dem loslassen der Taste schlagartig . Auf dem Klavier hingegen ändert sich der Ton zwischen anschlagen und ausklingen der Saite in Lautstärke und Klangfarbe beträchtlich. So wird deutlich wie charakteristisch Ein und Ausschwing Vorgänge für den spezifischen Klang eines Instrumentes sind. Noch deutlicher wird diese Tatsache wenn man den Instrumentalklang seiner Ein und Ausschwing Phase beraubt. Etwa durch schnitt technische Bearbeitung. Dann sind selbst erfahrene Musiker oft nicht in der Lage den betreffenden Klang einem Instrument zuzuordnen.
Im Synthesizer werden zeitliche Abläufe dieser Art durch Hüllkurven Generatoren realisiert. üblich für diese Baugruppe sind auch die Bezeichnungen Kontur oder ADSR Generator. Eine der wichtigsten Aufgaben dieses Moduls ist die Lautstärkesteuerung mit Hilfe des VCA. In der Mehrzahl der Fälle lassen sich bei Hüllkurven Generatoren vier unterschiedliche Parameter programmieren. Die Zeit die nach dem drücken einer Taste vergeht bis der Ton sein volles Lautstärkeniveau erreicht hat wird als Anschwell zeit (engl. Attack time) bezeichnet. Daran schließt sich unmittelbar die Abkling zeit (engl. Decay time) an d.h.der Ton klingt bis zu einem zuvor programmierten Spannungswert was bei Dynamikkontrolle einer bestimmten Lautstärke entspricht ab(engl. Sustain level). Dieser Zustand bleibt so lange erhalten bis die Taste losgelassen wird. Danach klingt der Ton vollständig aus. Die Zeit dafür ist ebenfalls programmierbar (engl. Release time).
Hüllkurven Generatoren produzieren also programmierbare Spannungs abläufe die über den VCA zur Dynamikregelung eines Klanges verwendet werden können. Will man änderrungen der Obertonanteile innerhalb des Tonverlaufs wie sie für mechanische Instrumente charakteristisch sind im Synthesizer nachvollziehen kann man das mit der Steuerung des VCF durch den Hüllkurvengenerators ermöglichen.
Hüllkurven Generatoren werden in der Regel durch Keyboard, Tastendruck gestartet. Der zuvor programmiert Hüllkurvenablauf wird von einem Startimpuls des Keyboards dem Triggersignal ausgelöst. Setzt die Hüllkurve des zeitlich später gespielten Tones da ein wo sich die Hüllkurve des zuvor gespielten Tones in ihrem Ablauf gerade befindet spricht man von Single-Trigger-Betriebsart. Auf diese weise lassen sich durch abwechselndes Legato und Non legato Spiels zwei verschiedene Klangcharaktere wechselseitig erzeugen. Multi Trigger Betriebsart auch Multiple Trigger genant bedeutet dass die Hüllkurven bei jedem Tastendruck neu ausgelöst werden. Ist die Hüllkurve des zuvor gespielten Tones noch nicht vollständig abgelaufen wird sie in diesem Fall einfach abgeschnitten.

5.LFO

Ein LFO (engl. Low Frequency Oscillator ) ist ein Niederfrequenzoszillator. Der eine meist wählbare Wellenform erzeugt und die möglichkeit die Frequenz dieser Wellenform einzustellen bietet. Im unterschied zu den Audio Oszillatoren erzeugt das LFO kein Hörbares Signal da seine Frequenz so niedrig ist das sie vom Menschlichen Ohr nicht als Ton wahrgenommen wird (0,1Hz-30Hz). Das Ausgangssignal des LFO ist dennoch im Synthesizer sinnvoll nutzbar und zwar als Modulationssignal. Aus diesem Grunde nennen einige Hersteller das LFO auch „Modulations generator“. Im Gegensatz zu einer Hüllkurve die ja einmal von vorne bis hinten durchläuft und für einen neuen Durchlauf erst wieder neu gestartet werden muss, wiederholt sich das vom LFO erzeugte Modulationssignal ständig. Es handelt sich ja um eine Wellenform die immer neu durchlaufen wird. Einen einzelnen durchlauf bezeichnet man dabei als „Cycle“.
Da ein LFO technisch gesehen ein ganz normaler Oszillator ist findet man hier auch die für Oszillatoren typischen Einstellmöglichkeiten.
Die wahl der Wellenform bestimmt die Form des Modulationssignals also ob dieses beispielsweise mehr ein fliessendes auf und ab des Modulierten Parameters veranlasst (das ist bei einem Sinus der Fall) oder ein ständiges Hin und Herspringen von zwei Einstellungen dieses Parameters (das ist bei einem Rechteck der Fall). Die wahl der Frequenz bestimmt die Geschwindigkeit mit der sich die durch die LFO Wellenform verursachte Modulation des angesteuerten Parameters vollzieht. Aus diesem Grund ist der Regler zur Einstellung der LFO-Frequenz bei den meisten Synthesizern mit „LFO-RATE oder LFO-SPEED“ bezeichnet.

Die unterschiedlichen Wellenformen des LFO..s

Ebenso wie unterschiedliche Wellenformen eines Audio Oszillators zu unterschiedlichen Klängen führen so führen unterschiedliche Wellenformen des LFO zu unterschiedlichen Modulationssignalen und damit auch zu unterschiedlichen Modulationsverläufen . Allen Wellenformen gemeinsam ist das sie eine art Berg und Talfahrt mit dem modulierten Parameter veranstalten. Dabei hängt die Form der Berge und Täler von der Form der jeweiligen Welle ab. Im folgenden eine auflistung der gängigsten LFO- Wellenformen und eine beschreibung des von ihnen verursachten Modulationsverlaufs während eines „Cycles“:

Der Sinus (engl. Sine)bewirkt einen weichen gleichmässigen Modulationsverlauf. Die Berge sind hier rund wie bei einer Hügellandschaft.

Das Dreieck (engl.Triangle)bewirkt ebenfalls einen weichen Modulationsverlauf allerdings laufen die Gipfel und Täler hier spitz zu. So dass sich jeweils ein hörbarer Wechsel zwischen Auf und Abstieg ergibt. Der aufsteigende Sägezahn (engl. Saw-up) bewirkt einen sanft ansteigenden und bei Erreichen des Gipfels abrupt abfallenden Modulationsverlauf. Klanglich wird diese Wellenform gerne für repetierende rückwärts-effekte eingesetzt .

Der absteigende Sägezahn(engl. Saw down) bewirkt einen sprung auf den Gipfel mit anschliessender sanfter Talfahrt. Bei anwendung auf Filter oder Lautstärke ist der Effekt sehr ähnlich einer repetierenden abklingenden Note.

Das Rechteck (engl. Square) bewirkt einen Modulationsverlauf mit aprupten wechseln der Parameterwerte. Um im Berg und Tal Bild zu bleiben, das Signal springt auf die Spitze läuft dort auf einem Plateau bis zur Klippe springt diese senkrecht hinunter läuft über die Talfläche usw. Auf die Tonhöhe angewendet ergibt sich ein Triller zwischen zwei Tonhöhen.

Die Zufallswellenform (engl. Random) bewirkt einen zufälligen Modulationsverlauf. Das Gebirge sieht hier fast so aus als habe Mutter Natur es erschaffen und anschliessend jemand Treppenstufen hineingemeisselt.

Welche LFO Einstellungen erzeugen welchen Effekt ?

Vibrato

Das Vibrato also eine Modulation der Tonhöhe ist der Effekt für den LFO..s wohl am häufigsten verwendet werden. Man verwendet eine Sinus oder Dreiecks welle wählt eine vergleichsweise schnelle Frequenz und weist den LFO dem Pitch Modulations Eingang der gewünschten Oszillatoren zu.

Tremolo

Mit Tremolo bezeichnet man eine Modulation der Lautstärke eines Klanges. Also setzt man den LFO in diesem fall auf den Verstärker (VCA) an. Als Wellenform nimmt man wieder Sinus oder Dreieck der Wert für die Frequenz ist dem Persönlichen Geschmack überlassen.

Chorus-Effekt

Auch hier nimmt man eine Sinus oder Dreieckswelle und Moduliert die Puls breite eines Oszillators. Die Frequenz der Modulation ist auch hier dem Persönlichen Geschmack überlassen.

Triller

Zur Erzeugung von Trillern wählt man die Rechteckwelle als LFO Wellenform und setzt den LFO auf die Tonhöhe des Oszillators an. Der Wert für die Frequenz bestimmt die Geschwindigkeit mit der die beiden Tonhöhen des Trillers sich abwechseln.

Auto-Panning

Verfügt ein Synthesizer über mehrere Ausgänge und einen Panorama Parameter mit Modulationseingang. So kann man mit Hilfe eines LFO den Sound automatisch zwischen den Ausgängen wandern lassen. Dabei entscheidet die Wellenform des LFO darüber ob die Wanderbewegung des Klanges mehr fliessend (Sinus oder Dreieck) oder ob der Klang hin und her springt (Rechteck).

LFO zu einem Clock-Signal synchronisieren

Eine weitere Option der LFO Steuerung ist die Synchronisierung der LFO Rate und Phase zum Songtakt über ein Clock-Signal. Die vordergründigste Anwendung dieser Funktion besteht darin die LFO-Rate und damit den zeitlichen Modulationsverlauf im Gleichschritt mit einem Sequenzer ablaufen zu lassen.

LFO-Retrigger

Normalerweise zieht ein LFO frei seine Bahn schwingt also unbeeinflusst ob der Synthesizer gerade gespielt wird oder nicht. Mit der Retrigger Funktion kann man nun bei jedem Anschlag den LFO neu starten. Sinn dieser Funktion ist es die Kontrolle darüber zu erhalten zu welchem Zeitpunkt nach dem Anschlagen einer Taste bzw. mit welcher Phase die durch den LFO veranlassten Modulationen (Vibrato, Triller o. ä.)ausgeführt werden.

Schlusswort

Mit der Erfindung des Analog-Synthesizers begann der Vormarsch der Elektronischen Klangerzeuger in der Musik Produktion, ob Klassik, Pop, HipHOP oder Techno es gibt keine grenzen für den Analog-Synthesizer .Dank seiner Einzigartigen Klänge und logischen Funktionsweise konnte er bis heute durch keine andere Synthese Art ersetzt Werden. Und Wahrscheinlich hat auch kein anderes Musikinstrument das Klangbild so verändert . Mit dem Synthesizer wurde den Musikern ein einzigartiges Werkzeug der Klangformung in die Hände gegeben genau was man brauchte um die sich verändernde Umwelt musikalisch auszudrücken,  da die Geräusche und Klänge der uns umgebenden Welt immer mehr von Maschinen erzeugt werden war und ist der Synthesizer mit seinen zum teil Abstrakten Klängen genau das richtige Werkzeug. Dies erkannten auch schon sehr früh klassische Komponisten wie z.B. H. Eimert der 1951 im Kölner Rundfunkstudio die elektronische Musik entwickelte und schon 1956 schrieb Karlheinz Stockhausen den berühmt gewordenen „Gesang der Jünglinge“ ein erstes elektronisches Werk für 5 Lautsprecher das bei seiner Uraufführung im großen Sendesaal in Köln Entrüstung   aber auch große Begeisterung auslöste.
Und aus heutigen Musikproduktionen ist der Synthesizer gar nicht mehr wegzudenken und in einer zeit in der Fast alles von Computern Simuliert wird erfährt der Analoge Synthesizer einen besonderen stellenwert, das auf seinen nicht immer sauberen vielfältigen Klangeigenschaften zurückzuführen ist .

Comments

There are 2 comments on this post

  • safe with electronic lock
    12. Mai 2013 at 14:26

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    • Eisbrenner
      17. Mai 2013 at 15:10

      my pleasure THX !!!

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