4. Subtraktive Synthese

Die Klangerzeugung wird in der Praxis durch die sogenannte subtraktive Synthese erreicht, dessen Konzept in praktisch jedem Synthesizer nach dem Moog-Prinzip verwendet wird. Hierbei wird die vom Oszillator (Frequenzgenarator) erzeugte Schwingung im Filter von ungewünschten Obertönen befreit (deshalb ‚subtraktiv’) und dann in den Verstärker geleitet. Betrachten wir die Aufgaben der Bausteine der Reihe nach.

vereinfachter schematischer Aufbau eines analogen, subtraktiven Synths

Der Oszillator (im folgenden VCO genannt) wird von einem beliebigen Controller, in der Regel einem Keyboard, angesteuert und zeichnet sich für eine harmonisch reiche Schwingung in der korrekten Tonhöhe verantwortlich. In den meisten analogen Synthesizern werden vier mathematische Wellenformen erzeugt: die Sinus-, die Rechteck-, Sägezahn und Pulswelle, benannt nach ihrem Aussehen. Je nach Typ bieten diese eine unterschiedliche Zusammenstellung von Obertönen und so ein ganz charakteristisches Klangbild.

Verschiedene Wellenformen: Sinus-, Sägezahn-, Rechteck- und Pulswelle (von links nach rechts). Es wird deutlich, dass die Rechteckwelle ein sehr naher Verwandter der Pulswelle ist.

Analoge VCOs haben mehrere Geburtsfehler. Sie neigen dazu, sich zu verstimmen- und sind temperaturabhängig. Man musste früher einen Synthesizer vor einem Auftritt warmlaufen lassen und Gott bewahre: Bei einem Open-Air konnte das ganze eine wirkliche Zitterpartie werden. Zudem stieß man bei der Entwicklung von polyphonen Synthesizern, Geräten mit mehreren VCOs, VCFs und VCAs, schnell an die Grenzen der Technologie. Scheinbar unmaßgebliche Faktoren wie das Gewicht und die Größe der Schaltkreise warfen Probleme auf, da sie sich gegenseitig beeinflussten. Die Rechteckwelle erzeugt lediglich Obertöne in ungeraden Harmonien zum Basiston und hat einen weichen, klarinettenartigen Sound. Im Gegensatz dazu bietet die Sägezahnschwingung alle Obertöne, sowohl die geraden als auch die ungeraden und so einen klaren und weichen Klang, der an Blechbläser erinnert. Als einzige des Trios kann die Pulswelle ihren harmonischen Fingerabdruck durch die Modulation der Pulsweite anpassen und bietet so die flexibelste Basis zum Klangbasteln.

Nachdem im VCO die grundsätzliche Wellenform erzeugt wird, gelangt das Signal in den Filter, der bestimmten Frequenzen den Durchgang verschließt. Für gewöhnlich handelt es sich um einen sog. Low Pass-Filter, der dem Klangspektrum des Oszillators lediglich Frequenzen oberhalb der charakteristischen ‚Abschnittfrequenz’ (cut off frequency) wegnimmt. Wenn dieser Filter so weit hinuntergeregelt wird, dass kein Oberton mehr passieren kann, bleibt lediglich die Grundfrequenz als Sinus übrig.

Die Grafik zeigt den Verlauf der Amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz beim Verlassen eines resonanzfähigen Filters.

So viel zur Pflicht des Filters. Die Kür ist jedoch der Resonanz-Parameter. Dieser bestimmt, wie viel des Ausgangssignals des Filters wieder in seinen Eingang geleitet werden sollen. Klanglich zeigt sich dies durch eine Betonung der Cut-Off-Frequenz, womit der kreative Schrauber interessante, metallisch-elektronische Sounds erzeugen kann. Ab einer bestimmten Rückkopplungsstärke schwingt der Filter jedoch selbst in Resonanz und erzeugt so eine Sinusschwingung in der Cut-Off-Frequenz.

Die Grafik zeigt die vier Parameter einer ADSR-Hüllkurve. Sustain legt hierbei einen Pegel fest, die drei anderen Parameter Zeiten. Hüllkurven können bei modernen Synthesizern auch andere Ziele als den Verstärker steuern

Die dritte Möglichkeit, Einfluss auf den Sound eines Synthesizers zu nehmen, ist nun der Verstärker. Im einfachsten Fall ermöglicht dieser, dass der erzeugte Ton überhaupt wahrgenommen werden kann, indem die Lautstärke sofort bei Eintreten eines Controllerereignisses auf den Maximalwert schnellt und mit dem Wegfall des Ereignisses wieder auf Null absinkt. Weil dies bei akustischen Instrumenten praktisch nicht vorkommt, erhält der Verstärker eine Funktion, genannt Envelope (‚Umhüllung’), mit der die Lautstärke in Abhängigkeit von der Zeit beeinflusst werden kann. Die Parameter-Attack (Einschwingzeit), Decay (Zeit, um auf das Sustain-Level zu kommen), Sustain (Haltepegel) und Release (Ausklingzeit) erleichtern den Eingriff.