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Die Klangsynthese

Physikalische Grundlagen der Klangsynthese

Ein Ton ist die hörbare Frequenz einer harmonischen Schwingung. Das heißt, es handelt sich nur um eine einzige Frequenz.

Ein Klang besteht aus einer Summe von mindestens zwei hörbaren, unterschiedlichen harmonischen Schwingungen. Das heißt, das Spektrum eines Klanges besteht aus einer Summe von Frequenzen. Die Frequenz mit der größten Amplitude bestimmt die Tonhöhe des Klanges. Die Anteile der restlichen Frequenzen nennt man Oberwellen, sie bestimmen die Klangfarbe.

Die Lautstärke von einem Klang oder einem Ton wird primär durch die Amplitude der Schwingung bestimmt.

Die Klangcharakteristik besteht primär aus drei wesentlichen Parametern: Zeitlicher Verlauf der Amplitude (entspricht der Lautstärke des Klanges) Die Frequenz des Grundtones (entspricht der Tonhöhe) und die Beschaffenheit des Spektrum(entspricht dem Klangfarbe). Unser Gehör nimmt die Klangfarbe durch die Anzahl, Verteilung und Amplitudenverhältnisse der in einem Klang enthaltenen Obertöne war. Der zeitliche Verlauf von einer oder mehreren Amplituden kann sich dabei verändern. Dieser Effekt ist bei dem Anschlagen einer Klaviertastatur gut zu hören, der Klang wird nicht nur leiser, sondern es nimmt auch mit der Zeit der Anteil der Obertöne stetig ab, was zu einem dumpfen ausklingen des Klanges führt. Der Verlauf der Amplitude nennt man Hüllkurve.

Die Geschichte des Synthesizers

Seit dem der Mensch Musik macht, war er auf der Suche nach musikalisch verwendbaren Klängen. Die Musik wurden seit tausenden von Jahren auf mechanische Instrumenten gemacht. Durch die Entdeckung der Elektrizität entstand eine neuartige Form der Klangerzeugung, die einen Bau von Instrumenten nach sich zog. Mitte der 60er Jahre wurde der Synthesizer in seiner heutigen Form bereits in seinen wesentlichen Zügen durch Moog und Buchla realisiert. Bis zur Entwicklung des Minimoogs durch die Firma Moog, waren alle Synthesizer modulare Systeme. Bis heute dienten Modularsysteme den großen Firmen als Entwicklungsplattformen für Synthesizer. Mit der Entwicklung der Digitaltechnik fand diese Einzug auch schnell Einzug in den Synthesizerbau. Ein Beispiel ist die digitalen Klangerzeugung mittels Wavetablesynthese mit alten analogen Filtern. Fast alle modernen Synthesizer sind rein digitale Geräte. Ein Trend ist die Simulation analoger Synthesizer durch digitale Technik. Diese Geräte werden unter dem Schlagwort "virtuell analog" angeboten.

Basismodule der modularen Synthese

Als die drei Basismodule der modularen Synthese können der Oszillator, das Filter und der Verstärker gelten.

Der analoge Oszillator beruht auf dem Prinzip des elektronischen Schwingkreises. Bei der klassischen analogen Synthese produziert der Oszillator die obertonreichen Grundwellenformen Rechteck, Sägezahn und Dreieck, die sich durch die Anzahl und die Art der Obertöne unterscheiden.

Das Filter arbeitet nach dem Prinzip der RC-Glieder. Durch Verschaltung von RC-Gliedern ist es möglich ein Filter als Lowpass, Highpass, Bandpass oder Bandsperre zu realisieren. Das Filter beeinflußt den vom Oszillator produzierten Ton in seinem Frequenzspektrum. Die gebräuchlichste Form des Filters ist der Lowpass.

Der Verstärker in der modularen analogen Synthese beeinflußt den vom Oszillator produzierten Ton in seiner Amplitude. In der Praxis liegt der Verstärkungsfaktor des Verstärkers meist zwischen 0 und 1. Zur Ansteuerung wird ein Hüllkurvengenerator eingesetzt.

Mit Hilfe dieser drei Module läßt sich bereits ein primitiver Synthesizer realisieren.

Prinzip der subtraktiven Klangsynthese

Die subtraktive Klangsynthse basiert auf dem Prinzip, daß von einem Ausgangssignal Oberwellen subtrahiert werden, dabei entsteht ein Klang mit einem neuen Spektrum, ein neuer Klang. Als Ausgangssignal wird meistens ein Sägezahn verwendet, da ein Sägezahn gerade und ungerade Obertöne aufweist. Realisiert wird die Subtraktion durch einen Filtern. Die Zusammenhänge der subtraktiven Klangsynthese erkannte Bob Moog und baute ein Instrument, den Synthesizer.

Die Steuerung des Instruments

In der analogen modularen Synthese geschieht die Steuerung des Instruments mittels Steuerspannungen. Steuerspannungen unterscheidet man in Gate und CV. Analoge Keyboards legen 5V an den Gate-Ausgang, wenn eine Taste gedrückt wird und halten diese Spannung bis die Taste wieder losgelassen wird. Die CV-Spannung ist eine Spannung die in Abhängigkeit zur Tonhöhe der gedrückten Taste steht, zumeist 1Volt pro Oktave. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Erfindung ist die Tatsache, daß alle Parameter eines Synthesizers spannungsgesteuert betrieben werden können.

Die Modulationquellen

Um den Klang nun über die Zeit zu verändern bedarf es der Möglichkeit der Einflußnahme auf die für den Klang wichtigsten Parameter. Beim Oszillator ist dies die Tonhöhe , beim Filter die Grenzfrequenz und beim Verstärker der Verstärkungsfaktor. Die Hüllkurven gehören neben LFO´s zu den wichtigsten Modulations-Quellen.

Die Kombination zu einen Instrument

Jede kleine Funktion wird durch eine Verschaltung von einzelnen elektronischen Bauteilen verwirklicht. Mehrere Funktionen werden in einer Schaltung zusammengefaßt und auf einer Platine aufgebaut. Da manche Funktionsgruppen mehr als einmal in einem Synthesizer benötigt wurden (z.B. Oszillatoren), spendierte man jeder ein eigenes Gehäuse. Die Funktionsgruppe wird zum Modul. Ein Synthesizer, der nur aus Modulen zusammen gesetzt ist, ist dann ein modularer Synthesizer oder modulares System. Die Verbindung der Module erfolgt dabei über Patch-Kabel. Da ein modularer Synthesizer jede auch noch so verrückte Verbindung erlaubt, ist ein Modularsystem vielen heutigen Synthesizern in der Funktionalität weit überlegen. Außerdem ist der direkte Zugriff auf alle Parameter möglich. Ein Modularsystem kann auch dazu genutzt werden Audiosignale zu Bearbeiten . Es gibt keine Grenzen zwischen dem Synthesizer und der restlichen Studiotechnik.