Die Klangerzeugung

Allgemeines zur Klangerzeugung

Zur Klangerzeugung eines Synthesizers werden alle Baugruppen gezählt, die Audio-Signale erzeugen oder verändern. Jede Baugruppe der Klangerzeugung bekommt ihre Anweisungen von Modulen der Steuereinheit.
Neben der Art und Beschaffenheit, sowie der Anzahl der einzelnen Baugruppen, die zur Erzeugung einer Stimme zur Verfügung stehen, spielt deren Verknüpfung untereinander eine entscheidende Rolle bei der Klangsynthese.
Ein weiteres Merkmal zur Unterscheidung der Synthesizer besteht in der Mehrstimmigkeit der Klangerzeugung.

Bestandteile der Klangerzeugung

Oszillatoren

In jedem Synthesizer arbeiten Oszillatoren, die für die Erzeugung von Schwingungen zuständig sind. Ohne Oszillator kein Synthesizer! Dabei wird für jede zu bildende Schwingung ein eigener Oszillator benötigt. Weil analoge Oszillatoren meist nur einfache Schwingungsform (Sinus, Sägezahn, Puls ), und demnach auch nur einfache Klangfarben erzeugen können, werden oftmals zwei bis drei Oszillatoren für die Klangerzeugung einer einzelnen Stimme benutzt.

Dynamische Verstärker

Die Schwingungen, die die Oszillatoren erzeugen, haben eine relativ gleichbleibende Amplitude. Deshalb findet man in allen Synthesizern Bausteine, die den Pegel verändern, die dynamischen Verstärker. Je nach Synthese-Art wird damit der Lautstärke-Anteil von Oszillatoren, die Obertöne erzeugen (additive Synthese), die Modulations-Stärke (Modulations-Synthesen), oder aber der Lautstärkeverlauf des Gesamtklanges geregelt.

Dynamische Filter

Eine der wirkungsvollsten Methoden die Klangfarbe zu verändern besteht darin, eine Gruppe von Teiltönen aus dem Klang herauszufiltern, und das ist Aufgabe der dynamischen Filter. Filter haben den Vorteil, daß nur wenige Parameter eingestellt werden müssen, um starke Klangänderungen zu bewirken.

Audio-Effekte

Der klassische Aufbau monophoner Synthesizer ist komplett, mit den Modulen Oszillatoren (2-3 Stück), dynamisches Filter und dynamischer Verstärker (aus der Klangerzeugung) und Tastatur, LFO und Hüllkurven-Generatoren (von der Steuereinheit).

In moderne Synthesizern gibt es zusätzlich oft noch Baugruppen zur Audio-Nachbearbeitung. Darunter versteht man das Bearbeiten von Audio-Signalen mit Audio-Effekten. Zu den Audio-Effekten gehören die EQs, Kompressoren, Chorus/Flanger-Effekte, Echo, Hall usw. Alle diese Effekte werden durch sogenannte Multi-Effekt-Prozessoren aus den vorher synthetisierten Audio-Signalen gebildet und zum Gesamt-Signal gemischt.

Mischer, Mixer

In jedem Synthesizer müssen Signale zusammengemischt werden. Das ist die Aufgabe von Mixern.

Anzahl der Stimmen und gleichzeitigen Klänge, Polyphonie

Ein einzelner Mensch kann nur mit einer Stimme tönen, ebenso erklingt eine Blockflöte nur einstimmig. Umgangssprachlich sagen wir, es kann nur ein Ton zugleich erklingen, obwohl es sich genaugenommen um einen Einzelklang handelt. Musikalisch ausgedrückt heißt das, es kann nur eine Note zur gleichen Zeit gespielt (gesungen) werden, oder das Instrument ist monophon. Wenn ein Instrument mehrere Noten zugleich wiedergeben kann, wie z.B. ein Klavier, so spricht man von einem polyphonen Instrument. Eine Instrumentengruppe oder ein Chor kann nicht nur mehrere Stimmen, sondern auch mehrere Klänge gleichzeitig hervorbringen, das nennt sich klangpolyphon oder neudeutsch: multitimbral.

Einstimmige = monophone Klangerzeugung

"Mono", eine Vorsilbe aus dem Griechischen heißt "allein, einzeln"; "phono", ebenfalls griechisch, bedeutet "Schall, Laut, Stimme, Ton".
Eine monophone Klangerzeugung kann, was schon der Name nahelegt, nur eine Stimme mit einem Klang gleichzeitig erzeugen. Die klassischen Analog-Synthesizer oder Modular-Synthesizer-Systeme waren in der Regel monophon. Heutige monophone Synthesizer werden auch als Solo-Synthesizer bezeichnet.

Mehrstimmige =(Stimmen-) polyphone Klangerzeugung

"Poly", auch griechisch, heißt "viel, mehr". Eine Klangerzeugung, die mehrstimmig, also polyphon arbeitet, muß für jede Stimme mindestens einen eigenen Oszillator besitzen. Manche ältere Synthesizer konnten zwar unterschiedliche Stimmen mit mehreren Oszillatoren erzeugen, hatten jedoch für alle Stimmen nur ein gemeinsames Filter und nur einen dynamischen Verstärker. Obwohl ein solches Instrument eigentlich homophon (gleichstimmig) genannt werden müßte, wurden diese Synthesizer als polyphon in der Werbung angepriesen. Heute wird jeder einzelnen Stimme eine vollständige monophone Klangerzeugung spendiert, wobei die klangbildenden Parameter für alle Stimmen gemeinsam gesteuert werden.

Klangpolyphone = multitimbrale Klangerzeugung

Eine polyphone Klangerzeugung heißt multitimbral, wenn jede einzelne Stimme eine andere Klangfarbe (Timbre) haben kann. Das bedeutet, auch die Steuerung der klangbildenden Parameter erfolgt für jede einzelne Stimme unabhängig.

Verknüpfung der Baugruppen

Schnittstellen, Ein- und Ausgänge

Jedes Modul eines Synthesizers erzeugt oder verarbeitet Steuer-Signale. Die Module der Klangerzeugung verändern wiederum Audio-Signale in Abhängigkeit der zugeführten Steuersignale. Ein Modul muß also "Übergabepunkte" haben, an denen die einzelnen Signale in das Modul hinein kommen, und andere für die Ausgabe von Signalen. Diese Punkte werden allgemein als Schnittstelle bezeichnet. Je nach Funktion lauten die genaueren Bezeichnungen: Steuereingang, Steuerausgang, Audio-Eingang und Audio-Ausgang.
Der Weg eines Signals, man spricht vom Signalfluß, führt immer von einem Ausgang zu einem Eingang. Bei Modular-Synthesizer-Systemen werden die einzelnen Module mit Patch-Kabeln verbunden, in kompakten Synthesizern sind bestimmte Verknüpfungen fest verdrahtet, nur einige können vom Anwender frei gestaltet werden.

Bei Digital-Synthesizern sind die einzelnen Module als Rechenprogramme ausgeführt, sogenannte Unterroutinen, doch auch diese müssen die Werte ihrer Berechnung an das nächste Rechenprogramm weitergeben. Zwar hat der Anwender hier keine Möglichkeit direkt mittels Patch-Kabel in den Signalfluß einzugreifen, doch auch diese digitalen Module übergeben ihre Zahlenwerte an wohldefinierten Übergabepunkten, die sich auch hier Schnittstellen nennen.

Struktur, Verschaltung bzw. Algorithmus der Klangerzeugung

Die einfachste Form der Verschaltung von Synthesizer-Modulen besteht darin, das von einem Oszillator erzeugte Audio-Signal durch ein dynamisches Filter (Klangbearbeitung) und von dort an einen dynamischen Verstärker (Lautstärkeverlauf) zu leiten. Am Audio-Ausgang des Verstärkers kann das Signal dann der Außenwelt (z.B. Leistungsverstärker mit Lautsprechern) zugeführt werden. Der Signalfluß: Oszillator -> dyn. Verstärker -> dyn. Filter bringt keine großen Klang-Unterschiede. Es können aber auch Signale von zwei Oszillatoren durch Filter und Verstärker geführt werden, was den Klang "fetter" macht. Darüber hinaus kann auch eine Kombination von Oszillator und dyn. Verstärker einen anderen Oszillator modulieren, dessen Signal wiederum mit Filtern bearbeitet wird. Die Möglichkeiten sind unbegrenzt und ich spreche hierbei vom Signalfluß, der mit einer einzigen Note-An-Steueranweisung ausgelöst wird!
Die Art und Weise, wie die einzelnen Baugruppen eines Synthesizers verschaltet sind, nennt sich Struktur oder Algorithmus (Algorithmus = Rechenvorschrift). Welcher Algorithmus in dem Klangerzeuger zur Anwendung kommt, hängt ganz von den Vorgaben des Herstellers ab, und bestimmt letztlich die Synthese-Form. Bei modularen Synthesizer-Systemen kann die Struktur mit Patch-Kabeln frei gewählt werden, kompakte Synthesizer lassen, wenn überhaupt, nur eine geringe Auswahl an Verschaltungen zu. Erst die neuste Generation von Digital-Synthesizern erlaubt wieder eine größere Auswahl an Algorithmen, wobei die Auswahl des Algorithmus als eigener, speicherbarer Parameter der Klangerzeugung in Erscheinung tritt.

Speichern und Verändern der Klänge

Wenn ich hier von einem Klang spreche, meine ich den kompletten Klangverlauf, der vom Beginn einer gespielten Note bis zum Ende nach dem Notenende durchlaufen wird. Das ist auch gemeint, wenn im Deutschen von einem "Sound" geredet wird. Ein Sound beinhaltet die Klangänderungen durch automatische Parameter-Änderungen, die durch Hüllkurven-Generatoren und Modulatoren gesteuert werden. Man spricht von einem Klangprogramm, das sämtliche Parameter-Einstellungen von allen für diesen Sound erforderlichen Baugruppen umfaßt. Ein Klangprogramm enthält die gesamten Einstellungen des Synthesizers für einen bestimmten Sound; dazu gehören die Wellenformwahl, Filtereinstellung, Lautstärkeeinstellung und alle für den Sound verwendeten Modulationen.
Bei früheren Analog-Synthesizern hatte jeder Parameter seinen eigenen Regler oder Schalter und jedes Klangprogramm mußte von Hand eingestellt werden. Teilweise mußten sogar Module für jedes Programm mit Patch-Kabeln verbunden werden. (Deshalb heißt bei manchen Herstellern ein Klangprogramm auch Patch.) Bei diesen Synthesizern war es nicht möglich ein Klangprogramm zu speichern, es mußte jedesmal erneut von Hand eingestellt werden. In modernen Synthesizern (ob analog, oder digital) können alle Parameter-Einstellungen in einem Speicher gesichert werden, der sich (Klang-)Programm-Speicher nennt. Dort kann man sogar mehrere Klangprogramme auf unterschiedlichen (Programm-)Speicherplätzen ablegen. Heute ist es immer mehr in Mode gekommen, daß Hersteller verschiedene Klangprogramme voreinstellen, um die klanglichen Möglichkeiten ihres Instruments besser zu demonstrieren. Diese vom Werk programmierten Klangprogramme nennen sich Werksprogramme oder Presets (Voreinstellung, englisch: preset). Presets sind oft in einem unveränderlichen Speicher (ROM) abgelegt, der sich dann auch Presetspeicher nennt. Dem Anwender (englisch: user) wird dann der frei programmierbare User-Speicher (RAM) für eigene Klangprogramme zur Verfügung gestellt.
Heutige Synthesizer haben nicht mehr für alle Parameter eigene Bedienelemente und die gezielte Änderung ist nur über sogenannte Menüs zu erreichen. Das Verändern von Parametern heißt daher editieren oder programmieren. Moderne Geräte besitzen einen Zwischenspeicher (englisch: buffer), um ein editiertes Klangprogramm zwischenzuspeichen, den sogenannten Edit-Buffer. Meist kann mit einer Compare-Funktion zwischen der editierten Version und der Originalversion eines Klangprogramms hin- und hergeschaltet werden, um beide Versionen zu vergleichen (englisch: compare).

Split, Layer, Tastaturzonen

Synthesizer, die mehrere Klänge gleichzeitig erzeugen können, erlauben meist eine Verteilung der Klänge "auf einer Tastatur", um diese für einen Musiker gleichzeitig verfügbar zu machen. Auf einer Tastatur muß hier nicht bedeuten, daß auch wirklich eine solche angeschlossen ist, es kann sich auch um Tastatur-Steuerdaten handeln. MIDI-Note-An/Aus-Daten auf einem (!) Kanal stehen z.B. für die theoretische Möglichkeit von einer Tastatur zu stammen.

Split

Der Begriff "Split" (to split = trennen, aufteilen) erklärt sich schon fast alleine. Hierbei wird der Tastaturbereich in zwei Teile unterteilt, es gibt einen Upper-Sound (oberer, höherer Klang) und einen Lower-Sound (tieferer Klang). Die Bezeichnungen höher und tiefer beziehen sich dabei auf den Fall, daß ein tiefer Klang normalerweise auf der linken Seite der Tastatur, ein hoher auf der rechten gespielt wird. Ein Lower-Sound kann höher erkingen als ein Upper-Sound. Die Taste oder MIDI-Notennummer, bei der die Teilung stattfindet nennt sich Splitpunkt, und ist oftmals frei einstellbar.

Layer, Stack

Layer heißt soviel wie übereinanderlegen. Mit Layer bezeichnet man zwei Klange, die von der gleichen Tastatur gleichzeitig gesteuert werden. Werden mehr als zwei Klänge "gelayert", so erhält man einen Stack-Sound (stack, deutsch: Stapel).

Key(board)-Zone

Eine Keyboard-Zone (Tastatur-Zone) ist im Prinzip ein zweifacher Split, wobei nur der Bereich zwischen den beiden Splitpunkten genutzt wird. Eine Keyboard-Zone hat immer einen rechten (tiefen) und einen linken (hohen) Begrenzungspunkt. Mit mehreren Key-Zones können mehrere Klänge über eine Tastatur verteilt werden, wobei alle Key-Zones zusammen ein Klangprogramm bilden. Bei den meisten Schlagzeug-Klangprogrammen umfassen die einzelnen Zonen jeweils nur eine Taste. Manche Synthesizer erlauben auch, daß sich die einzelnen Zonen überlappen, d. h. dort werden Layer-Sounds gebildet.