Synthesizer-Musik – ohne den Einsatz von Oszillatoren undenkbar

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Synthesizer-Musik – ohne den Einsatz von Oszillatoren undenkbar

Ein Oszillator ist ein selbstständiger Schwingungserzeuger. In der Elektronik werden mit dem Begriff Schaltungen beschrieben, die zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen dienen. Sie wandeln Gleich- in Wechselstromenergie um.

Oszillatoren in der Elektronik

Als Oszillator wird eine Baugruppe bezeichnet, die ungedämpfte elektrische Schwingungen erzeugt. Die Baugruppe setzt Gleichleistung in Wechselleistung um und kann aus einzelnen schwingenden Bauteilen oder mehreren Bauteilen bestehen. Diese werden zu einer Oszillatorschaltung zusammengefügt.

Spannungsgesteuerte Oszillatoren werden auch als VCO bezeichnet, was für „Voltage Controlled Oscillator" steht. Dabei handelt es sich um einen elektrischen Oszillator, dessen Frequenz verändert werden kann. Dies geschieht durch die Größe einer anliegenden Spannung (Steuer- oder Regelspannung).

Anwendung von Oszillatoren in Synthesizern

Spannungsgesteuerte Oszillatoren sind Teil von Synthesizern. Synthesizer sind elektronische Klangerzeuger, also Musikinstrumente. Ihr Name leitet sich her von „Synthese", was so viel wie „Vermengen" oder „Zusammensetzen" bedeutet. Der Name ist Programm, denn bei einem Synthesizer werden Klänge aus verschiedenen Bauteilen und deren verschiedenen Verknüpfungen erstellt. Diese Klänge werden also künstlich (synthetisch) erzeugt.

In den 90er-Jahren erlebten Synthesizer mit der Verbreitung der Techno-Musik ein Comeback. Analoge Synthesizer waren wieder im Kommen. In der elektronischen Musik werden die Produkte noch immer stark eingesetzt. Allerdings handelt es sich häufig um „virtuell analoge" Synthesizer, die in der Bedienung und im Klang den analogen Geräten nachempfunden sind. Im Inneren befinden sich aber digitale Signalprozessoren und Software. Digital kontrollierte Oszillatoren (Digitally Controlled Oscillator bzw. DCO) werden durch einen Mikroprozessor digital gesteuert. Das Klangerzeugungsprinzip bleibt aber analog.

Allgemeines zu Klängen

Klänge sind akustische Signale, also akustische Botschaften, die aus einem Grundton und diversen Obertönen bestehen. Damit sie vom menschlichen Gehör übersetzt und verstanden werden, muss ein Bote sie überbringen. Dieser Bote ist der Schall, der sich in der Luft ausbreitet. Die Botschaft des akustischen Signals kann so von Ihren Ohren empfangen werden, woraufhin sie Ihr Gehirn als Geräusch, Sprache oder Musik entschlüsselt.

Mit einem Synthesizer können Klänge künstlich erzeugt werden. Die Geräte produzieren in der Regel nur elektrische Schwingungen. Diese werden dann verstärkt und durch einen Lautsprecher in mechanische Schwingungen umgewandelt.

Analoge Synthesizer

Der Vater der analogen Synthesizer ist Robert Moog, der das erste Gerät Mitte der 60er-Jahre baute. Produkte, die diesem Synthesizer nachempfunden sind, werden auch als Moog-Synthesizer bezeichnet. Die damaligen Produkte wiesen bereits alle Merkmale auf, die noch immer in analogen oder virtuellen Synthies zu finden sind.

Der klassische subtraktive Aufbau eines analogen Synthesizers besteht aus einem Oszillator, der Schwingungen in einem für Menschen hörbaren Bereich erzeugt. Bei dem Bauteil handelt es sich um einen Voltage Controlled Oscillator (VCO). Dem Oszillator nachgeschaltet sind Cutoff und Resonanzfilter. Die wichtigsten klanggestaltenden Komponenten der Geräte sind also Oszillatoren, Filter und Verstärker.

Zusammenspiel von Oszillator, Filter und Verstärker

Ein Oszillator (Voltage Controlled Oscillator) ist eines der wichtigsten Bauteile eines Synthies. Er erzeugt eine elektrische Schwingung, die reich an Oberwellen ist. Typische Wellenformen sind dabei Rechteck, Puls und Sägezahn. Wenn mehrere Oszillatoren gleichzeitig verwendet werden, erhöht sich die Zahl der klanglichen Gestaltungsmöglichkeiten.

Der Filter (Voltage Controlled Filter bzw. VCF) entfernt aus dem Spektrum einen Teil der Oberwellen und verändert so den Klang der ursprünglichen Wellenform. Da das Spektrum vom Filter beschnitten wird, wird die Form substraktive Synthese genannt. Die eigentliche Klangformung im Synthesizer findet also im Filter statt.

Einer der gebräuchlichsten Filter ist der Tiefpass-Filter. Daneben gibt es auch Hochpass-Filter, die in ihrer Arbeitsweise umgekehrt vorgehen. Tief- und Hochpassfilter können in Reihen geschaltet werden, wodurch ein Bandfilter entsteht.

Der Verstärker im Synthesizer

Dann kommt der Verstärker ins Spiel, der sogenannte Voltage Controlled Amplifier (VCA). Er verändert die Lautstärke (Amplitude) des Signals zwischen dem Maximum und Null. Er hat also die Aufgabe, das Verstummen oder Erklingen eines Tons zu steuern. Eigentlich müsste er daher als „Abschwächer" und nicht als Verstärker bezeichnet werden; er wird daher teilweise auch als Voltage Controlled Attenuator beschrieben, was in der Tat „Abschwächer" bedeutet.

Wenn Sie eine Taste Ihres Synthesizers drücken, erklingt ein Ton. Nach dem Loslassen der Taste verstummt dieser wieder. Ohne den Verstärker würde der Ton dagegen ständig zu hören sein.

Am Ende der Kette steht schließlich der Lautsprecher, der den Klang erst hörbar macht.

Sägezahn, Rechteck, Puls – typische Wellenformen und ihr Klang

Von analogen Synthesizern können verschiedene Wellenformen erzeugt werden, üblicherweise die Grundwellenformen. Da es nur wenige Wellenformen gibt, die mit geringem Aufwand in analogen Schaltkreisen generiert werden können, ist die Auswahl dieser Formen eher beschränkt.

Die häufigste Wellenform der subtraktiven Synthese ist der Sägezahn, der auch als Kippschwingung bezeichnet wird. Er klingt sehr scharf, da er viele Obertöne hat – sowohl geradzahlige als auch ungradzahlige. Daher kann sein Klangsignal gut mit Filtern bearbeitet werden. Durch Filterung können aus einer einzelnen generierten Schwingung verschiedene Obertöne, die zum Beispiel für die Klangfarben einer Orgel nötig sind, bevorzugt werden.

Die zweithäufigste Wellenform ist das Rechteck. Im Gegensatz zum Sägezahn enthält es nur ungeradzahlige Obertöne, weshalb es einen hohlen Klang hat. Dieser erinnert in gewisser Weise an eine Klarinette und wird auch zur Nachahmung von Flöten und Blechblasinstrumenten verwendet.

Eine Variation der Rechteckwelle ist die Pulswelle. Das Rechteck ist symmetrisch, der Puls nicht. Dies wird vermieden, indem der Zeitabschnitt, den das Signal auf dem positiven Maximalwert verbringt, reduziert wird. Als Pulsbreite wird dabei der Anteil des Abschnittes an der gesamten Wellenlänge bezeichnet. Je niedriger diese Pulsbreite, desto obertonreicher und schärfer ist der Klang.

Das Phänomen der Schwebung

In Synthies werden häufig mehrere Oszillatoren simultan eingesetzt. Wenn zwei der Bauteile etwas gegeneinander verstimmt sind, entsteht das akustische Phänomen der Schwebung, das den Klang „fetter" wirken lässt. Dem Zuhörer erscheint es, als würde der Klang rhythmisch pulsieren. Von der Verstimmung der Oszillatoren hängt die Geschwindigkeit des Pulsierens ab.

Modulation

Ohne Modulation würden Klänge langweilig, nämlich statisch und unveränderlich klingen. Modulation bedeutet, dass sie abgewandelt und somit für das menschliche Gehör interessant werden. Modulation wird immer von einem Modulator hervorgerufen, der auf ein Modulationsziel wirkt. Oszillatoren beeinflussen den Klangcharakter stark und sind daher auch für sehr schnelle Modulationen geeignet.

An einem Synthesizer stehen ihnen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, um Töne interessanter zu gestalten. Die Oszillatorfrequenz lässt sich beispielsweise auf verschiedene Weise modulieren. Diese Modulationsquellen werden auch als Controller oder Modulations-Controller bezeichnet.

Die einfachste Modulation gelingt durch die Anschlagdynamik. Je nach Geschwindigkeit, mit der Sie die Tasten anschlagen, verändert sich der Ton. Und je härter Sie die Tasten anschlagen, desto lauter und heller ist der Klang.

Modulationsräder

Auch durch Modulationsräder, sogenannte Pitch-Bender, können Sie den Klang verändern. Ein solcher Controller befindet sich häufig in Form eines Rädchens an der Keyboard-Tastatur des Synthesizers. Die Tonhöhe lässt sich mittels der Rädchen stufenlos nach oben oder unten variieren. Auf diese Weise ist es möglich, die Spielmöglichkeiten von Saiteninstrumenten mit einem Synthesizer zu simulieren.

Wenn sich der Pitch-Bender in der Mittenposition befindet, steht er in Neutralposition. Sobald Sie das gedrehte Rädchen loslassen, wird es durch Federkraft automatisch wieder in die Neutralposition geschoben. Weitere Modulationshilfen sind zum Beispiel Pedale.

Niederfrequentierte Oszillatoren als Modulationsquelle

In fast allen Synthesizern befindet sich ein niederfrequentierter Oszillator (Low Frequency Oscillator bzw. LFO), der wie alle Oszillatoren Schwingungen in Kurvenform erzeugt. Dieser Oszillator schwingt sehr langsam, erzeugt keine hörbaren Signale, die Teil des tatsächlichen Sounds sind, sondern dient lediglich als Modulationsquelle. Die Signale werden vom menschlichen Gehör nicht wahrgenommen, da sie zu niedrig sind. Allerdings kann dieser niederfrequentierte Oszillator das Hauptsignal beeinflussen.

LFOs werden zum Beispiel für periodische Modulationen wie Tremolo, Vibrato usw. eingesetzt. Es gibt verschiedene LFO-Parameter.

Der erste Parameter ist die Wellenform. Sägezahn, Rechteck, Dreieck, Sinus oder eine zufallsgesteuerte Schwingungsform sind bei LFOs üblich. Mit Dreieckwellen können Sie zum Beispiel durch Modulation der Oszillatorenfrequenz (Pitch) Polizei-Sirenen simulieren. Die Rechteckwelle schaltet dagegen schnell zwischen zwei Tonhöhen um.

Der zweite Parameter ist die Geschwindigkeit bzw. die Rate. Sie regelt die Frequenz des LFOs. Wenn niedrige Werte eingestellt sind, können Sie schleichende Verläufe erschaffen. Diese werden zum Beispiel verwendet, um das Geräusch der Meeresbrandung zu simulieren.

Der erste Parameter ist die Verzögerung, denn manchmal ist es wünschenswert, dass eine Modulation etwas später einsetzt. Zu diesem Zweck kann eine Verzögerung eingestellt werden. Darüber hinaus gibt es weitere Parameter, um periodische Modulationen herzustellen.

Digitally Controlled Oscillator (DCO) – Digitaloszillatoren

Neben analogen gibt es digitale Synthesizer – und auch in diesen Geräten befindet sich ein Oszillator. Sogenannte Digitally Controlled Oscillator (DCO), also Digitaloszillatoren, sind die technologische Weiterentwicklung von VCOs. Wie bei analogen Produkten wird ein analoges Signal erzeugt, die Regelung des digitalen Synthies erfolgt aber digital. Die Blütezeit der digitalen Oszillatoren war in den 70er- und 80er-Jahren. Die Produkte waren beliebt, da sie in sämtlichen Situationen immer perfekt gestimmt sind.

Hohe Stimmstabilität bei DCOs

Anstatt von händisch abzustimmenden, analogen, elektronischen Bauteilen wird die Schwingfrequenz bei CDOs von einem Quarz bestimmt, weshalb die Stimmstabilität hoch ist. Allerdings geht diese Methode zulasten des Klangs, weshalb viele Liebhaber von Synthesizern die alten, analogen Modelle bevorzugen.

Ein Vorteil der Modelle ist ihre platzsparende Bauweise, die durch integrierte Schaltkreise ermöglicht wird. Diese geben weniger Wärme ab und sind unempfindlicher gegenüber äußeren Einflüssen.

Bei digitalen Oszillatoren werden die ausgehenden Signale digital erzeugt und die Wellenform basiert dabei auf einer Wertetabelle oder wird in Echtzeit mathematisch errechnet. Sie sind nicht an analoge Schaltkreise gebunden und können daher mehr Wellenformen erzeugen.

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