Subtraktive Synthese für Anfänger einfach erklärt
Die mit Abstand verbreitetste Syntheseform bei Synthesizern ist die subtraktive Synthese. Doch wie funktioniert sie und wie hängen die verschiedenen Elemente eines Synthesizers miteinander zusammen? In einer kleinen Serie werden wir in den kommenden Wochen die Grundlagen der verschiedenen Syntheseformen vorstellen. Heute: Was ist subtraktive Synthese und wie funktioniert sie?
Was bedeutet subtraktive Synthese?
Einfach gesagt, bezeichnet der Begriff „subtraktive Synthese“ ein Syntheseverfahren, bei der Klang entsteht, indem aus obertonreichen Schwingungen mittels Filtern bestimmte Signalanteile entfernt, also subtrahiert werden. So lassen sich aus wenigen Grundschwingungsformen viele verschiedene Klänge gewinnen. Diese Syntheseform gibt es schon seit dem Aufkommen der ersten Synthesizer in den 1960ern und sie ist bis heute besonders verbreitet; die Mehrheit aller heute erhältlichen Synthesizer funktioniert nach diesem Prinzip. Ob ein Synthesizer analog oder digital ist, hat damit übrigens nichts zu tun: Fast alle Analogsynthesizer arbeiten subtraktiv, aber es gibt auch viele digitale subtraktive Synthesizer.
Minimoog Model D · Quelle: Bob Moog Foundation
Aufbau eines subtraktiven Synthesizers
Die folgende Grafik zeigt schematisch und sehr vereinfacht den Aufbau eines subtraktiven Synthesizers und den Signalfluss von den Oszillatoren über den Mixer und das Filter bis hin zum Verstärker. Das ist nur ein Beispiel; in der Praxis gibt es viele verschiedene Varianten dieser Struktur. Das Prinzip bleibt jedoch stets gleich: Oszillatoren erzeugen Schwingungen, Filter formen sie und durch Modulation des Filters, der Lautstärke und ggf. anderer Parameter durch Hüllkurven und LFOs kommt Bewegung in den Klang.
Aufbau eines subtraktiven Synthesizers · Quelle: Lasse Eilers
Übrigens findet ihr in den Bedienungsanleitungen der meisten Synthesizer ähnliche Blockdiagramme. Es lohnt sich definitiv, sich das bei einem neuen Instrument einmal anzuschauen – so bekommt ihr einen guten Überblick über die Struktur der Klangerzeugung und könnt die verschiedenen Bausteine des Synthesizers viel effektiver einsetzen.
Oszillatoren – die Grundlage
Die klangliche Basis bilden bei einem subtraktiven Synthesizer ein oder mehrere Oszillatoren. Das sind Schaltungen, die auf elektronischem Weg Schwingungen mit bestimmten Frequenzen bzw. Tonhöhen erzeugen. Wenn diese Schwingungen über einen Lautsprecher wiedergegeben werden, kann man sie hören.
Oszillatoren des Sequential Prophet-6 · Quelle: Lasse Eilers
Analoge Oszillatoren (und digitale Emulationen davon) liefern meist einige Grundschwingungsformen: Sägezahn, Rechteck, Dreieck und vielleicht Sinus. Nicht jeder Synthesizer bietet alle davon; vor allem bei analogen Synthesizern muss man häufig auf die Sinusschwingung verzichten.
Die verschiedenen Schwingungsformen unterscheiden sich in ihrem Obertongehalt und damit im Klang. Sägezahn und Rechteck haben viele Obertöne und klingen heller und voller als Dreieck und Sinus, die nur wenige bzw. gar keine Obertöne enthalten. Deshalb sind die Sägezahn- und Rechteckschwingungen besonders gut als Ausgangsmaterial für die subtraktive Synthese geeignet.
Eine Sonderform des Oszillators sind digitale Sample-Oszillatoren, die bei samplebasierten Synthesizern (ROMplern) an die Stelle herkömmlicher Oszillatoren treten. Sie erzeugen keine einfachen Grundschwingungsformen, sondern spielen zuvor aufgenommene Samples in der gewünschten Tonhöhe ab. So wird es möglich, akustische Instrumente zu imitieren. Die weitere Klangformung durch Filter, Hüllkurven und LFOs verläuft dann meist nach dem gewohnten Prinzip eines subtraktiven Synthesizers.
Rauschgenerator
Viele Synthesizer verfügen neben den Oszillatoren über eine weitere Klangquelle: einen Rauschgenerator. Er liefert, wie der Name schon sagt, Rauschen. Das eignet sich beispielsweise als Grundlage für perkussive (Drum-) Sounds, lässt sich natürlich aber auch anderen Sounds beimischen.
Bei Synthesizern mit mehreren Oszillatoren werden deren Signale meist in einem Mixer zusammengemischt, bevor sie das Filter erreichen.
Klangformung durch Filter
Das Filter ist bei subtraktiven Synthesizern enorm wichtig, denn es ist das entscheidende Element, das den Klang formt. Ohne Filter könnten viele Synthesizer nur sehr langweilige Sounds erzeugen. Das Filter beeinflusst das Obertonspektrum des Klangs, wodurch viele verschiedene Klangfarben möglich werden.
Filter des Moog Sub 37 · Quelle: Lasse Eilers
Das Filter ist dafür zuständig, bestimmte Frequenzen aus dem Klang zu entfernen, also zu subtrahieren. Mit Abstand am häufigsten anzutreffen ist bei Synthesizern das Tiefpassfilter (Low Pass), das alle Frequenzen unterhalb einer einstellbaren Cutoff-Frequenz ungehindert passieren lässt, während die Frequenzen darüber herausgefiltert werden. Der Grund dafür, dass das Tiefpassfilter so dominant ist, ist übrigens, dass die dadurch entstehenden Klänge für unser Ohr natürlich klingen. Auch in der Natur klingen hohe Frequenzen viel schneller aus als tiefe Frequenzen, die oft lange nachklingen. Besonders in Kombination mit einer Hüllkurve (dazu gleich mehr) liefert das Tiefpassfilter also besonders organische Klänge.
Das Tiefpassfilter ist aber nicht die einzige Art Filter. Viele Synthesizer bieten zusätzlich ein Hochpassfilter, das genau das Gegenteil macht: Alle Frequenzen oberhalb der Cutoff-Frequenz werden durchgelassen, Frequenzen darunter fliegen raus. Ein Bandpassfilter ist eine weitere Variante, das nur Frequenzen innerhalb eines bestimmten Bereichs durchlässt, während alles darüber und darunter herausgefiltert wird (genau dasselbe passiert übrigens in einem Wah-Wah-Pedal). Bei vielen Synthesizern kann man zwischen verschiedenen Filtervarianten umschalten – je nachdem, was für den gewünschten Sound benötigt wird.
Neben dem Cutoff gibt es in der Filtersektion der meisten Synthesizer noch einen weiteren sehr wichtigen Regler: die Resonanz. Sie bewirkt eine Hervorhebung des Frequenzbereichs rund um die Cutoff-Frequenz, wodurch diese im Klang stärker hervortritt und Filterbewegungen deutlicher hörbar werden. Bei weit aufgedrehter Resonanz entstehen aggressive Klänge, die gerne als „Zwitschern“, „Pfeifen“ oder „Kreischen“ beschrieben werden. Die Filter mancher Synthesizer fangen bei voll aufgedrehter Resonanz selbst an zu schwingen und lassen sich dann als eigenständige Klangquelle nutzen, was als Selbstoszillation bezeichnet wird.
VCA: In der Lautstärke liegt die Kraft
Neben der Klangfarbe ist die Lautstärke ein wesentliches Kriterium für jeden Klang. Also braucht jeder Synthesizer eine Möglichkeit, sie präzise zu steuern und zu modulieren. Das übernimmt ein Verstärker, der im Signalweg nach dem Filter kommt. Die Bezeichnung VCA (Voltage-controlled Amplifier), die man besonders bei analogen Synthesizern findet, kommt daher, dass der Verstärker durch eine Spannung gesteuert wird und somit von anderen Elementen des Synthesizers beeinflusst werden kann. Der VCA sorgt dafür, dass der Ton eines Synthesizers nicht nur an und aus geht, sondern langsam anschwellen oder abklingen kann. Um das im Zeitverlauf zu steuern, ist er fast immer mit einer Hüllkurve verbunden.
Modulation: Hüllkurven und LFOs
Ohne Bewegung wäre jeder Sound extrem langweilig. Interessante Sounds entstehen nur, wenn die Klangfarbe, Lautstärke und evtl. andere Dinge sich im Zeitverlauf ändern. Dafür sind bei einem Synthesizer Hüllkurven (Envelopes, EGs) und LFOs zuständig.
Mit Hüllkurven wird der Klang im Zeitverlauf geformt · Quelle: Lasse Eilers
Hüllkurven erzeugen ein Modulationssignal mit einem einstellbaren Verlauf, womit dann beispielsweise das Filter oder der VCA gesteuert werden können. Sie werden am Beginn eines Tons ausgelöst und durchlaufen ihre Kurve dann einmal. Die am häufigsten anzutreffende Art ist die sogenannte ADSR-Hüllkurve (Attack-Decay-Sustain-Release), es gibt aber auch andere Formen. Attack steht für die Zeit, die nach dem Anschlagen einer Taste vergeht, bis die Hüllkurve ihr Maximum erreicht. In der Decay-Phase fällt die Kurve dann auf das einstellbare Sustain-Niveau ab. Dieses wird gehalten, bis die Taste losgelassen wird. Danach klingt die Hüllkurve in der Release-Phase auf Null ab. Mit diesem einfachen Schema lassen sich sehr vielseitige Filter- bzw. Lautstärkeverläufe erzeugen.
Viele Synthesizer haben zwei oder mehr Hüllkurven, von denen dann meist eine fest dem Verstärker und eine dem Filter zugewiesen ist. Oft lassen sich aber auch andere Parameter wie zum Beispiel die Frequenz der Oszillatoren (Tonhöhe) durch Hüllkurven steuern.
Ein LFO (Low Frequency Oscillator) ist eine besondere Art von Oszillator, der mit einer geringeren Frequenz schwingt als die Oszillatoren, die zum Erzeugen von Tönen gedacht sind. Auch beim LFO trifft man oft verschiedene Schwingungsformen wie Dreieck, Sinus oder Rechteck an. Mit einem LFO lassen sich zyklische Modulationen wie Vibrato- oder Tremoloeffekte realisieren. Je nach Ausstattung des Synthesizers können LFOs zur Steuerung von Filtern, VCA, Oszillatoren und mehr verwendet werden.
Subtraktive Synthesizer für Einsteiger
Nachdem ihr nun einen kleinen Überblick über die Funktionsweise subtraktiver Synthesizer bekommen habt, stellen wir hier einige Geräte vor, die sich mit ihrer übersichtlichen Struktur besonders gut für Einsteiger eignen. Wenn ihr die verschiedenen Elemente der subtraktiven Synthese selbst ausprobieren möchtet, ist einer der folgenden Synthesizer ein guter Startpunkt.
Korg Monologue
Der Korg Monologue ist ein analoger Synthesizer mit zwei VCOs und einer sehr übersichtlichen Bedienoberfläche. Ein Highlight ist der eingebaute Step-Sequencer, der Reglerbewegungen aufzeichnen kann.
Behringer Model D
Der vom legendären Minimoog inspirierte Behringer Model D liefert nicht nur fette Sounds mit drei Oszillatoren, sondern eignet sich mit seiner übersichtlichen Struktur auch sehr gut für Einsteiger.
Novation Bass Station II
Die Bass Station II von Novation, die übrigens natürlich nicht nur Bässe erzeugen kann, ist ein sehr vielseitiger analoger Synthesizer mit zwei Oszillatoren, einem Multimode-Filter, zwei Hüllkurven, zwei LFOs und Step-Sequencer.
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