Grundlagen: Analoge Synthesizer

Nicht zuletzt durch die Wiedergeburt des ARP Odysseys unter dem Korg-Label sind analoge Synthesizer momentan in aller Munde. Wir wollen in diesem Artikel etwas über die Arbeitsweise und Funktionalität eines solchen “archaischen” Instruments reden.

Denn eines ist klar, beim Odyssey muss man wieder selbst schrauben: Speicherplätze sucht man vergebens. Deshalb ist es wichtig, sich anzuschauen, wie ein alter analoger Synth so arbeitet.

Bei diesem Thema begegnet man schnell dem Begriff “subtraktive Synthese”. Das ist die Form der synthetischen Tonerzeugung, die bei diesen alten Schätzen zum Einsatz kommt.

Ton & Klang

An dieser Stelle gibt es deswegen einen kurzer Exkurs zum Thema Ton/Klang.

Abgesehen vom Sinuston setzen sich alle anderen Klänge aus dem Grundton (Sinus), der die Tonhöhe insgesamt bestimmt, und Obertönen, die allesamt auf eine höheren Frequenz liegen als der Grundton, zusammen. Merke: Auch bei den Obertönen handelt es sich stets um Sinusschwingungen.

Und wichtig: Das lautstärkemäßige und zeitliche Verhältnis der Obertöne zueinander prägt den charakteristischen Klang eines Instruments. Deswegen klingt letztendlich eine Trompete anders klingt als ein Klavier.

Nun ist es aber so, dass man die gewünschten synthetischen Klänge nicht einfach durch Addition von Sinusschwingungen erzeugen kann. Der spezifische Klang eines Instrumentes resultiert aus den „Lautstärken“ der Obertonschwingungen. Aber diese Laustärken verändern sich im zeitlichen Verlauf eines Tones. Das macht die Sache so komplex.

Die Abbildung 1 zeigt links die Addition von Sinusschwingungen bis zum 3. Oberton, was dann einer Sägezahnwelle entspricht. Rechts sehen wir die Addition von Grundton, dem 3. und dem 5. Oberton, was in Richtung Rechteckwelle geht.

Die Abbildung 2 geht noch etwas weiter, denn hier sehen wir die Schwingung eines Trompetentones und das Amplitudenverhalten bis zum 4. Oberton.

Da kann man schon erkennen, wie komplex ein Sound sein kann. Die Beschreibung des Lautstärkeverlaufs einer Schwingung nennt man Hüllkurve. In der damaligen Zeit vereinfachte man diese Hüllkurve auf maximal vier Parameter: Attack, Decay, Sustain, Release (ADSR), manchmal waren es auch nur zwei: Attack und Release (AR).

Attack beschreibt die Einschwingphase, also die Zeit, die ein Ton braucht, um zu seiner maximalen Lautstärke zu kommen.

Decay beschreibt die Zeitspanne, die ein Ton benötigt, um vom Maximum auf ein relativ gleichmäßiges Level zu gelangen.

Sustain ist die Haltephase auf gleichmäßigen Level (solange eine Taste gedrückt wird).

Release ist schließlich die Ausschwingphase (hach Loslassen der Taste).

Abbildung 3 zeigt eine typische Hüllkurve.

Mit diesem Wissen ausgestattet schauen wir uns jetzt mal den Signalweg eines analogen Synthesizers, wie zum Beispiel dem ARP Odyssey, genauer an:

Die Schwingung erzeugt wird im Oszillator (VCO), die klangliche Bearbeitung erfolgt im Filterbereich (VCF) und die Bestimmung des Lautstärkeverhaltens regelt der VCA (Amplifier).

VC steht übrigens für Voltage Controlled, was wir uns später ansehen wollen.

Und nun kommen wir zum Begriff „subtraktive Synthese“. Bei den Synthesizern erzeugt der Oszillator meist obertonreiche Wellenformen, wie eine Rechteckwelle, ein Sägezahn oder eine Dreieckswelle vor.

Gelangt so eine Wellenform zum VCF, der nächsten Station, setzt meist ein Lowpass-Filter ein (Lowpass bedeutet, hohe Frequenzen werden beschnitten, tiefere durchgelassen). Den Punkt, ab dem die Filterfunktion einsetzt, nennt man Cutoff Frequency. Je weiter man mit diesem Parameter nach unten geht, umso weniger höhereich wird das klangliche Ergebnis. Oder anders formuliert: Man blendet Frequenzen (Obertöne) aus, „zieht“ sie quasi aus dem Klangspektrum „ab“, womit der Begriff subtraktiv erklärt wäre.

Damit das aber nicht so statisch und damit leblos klingt, kann man den Filterverlauf durch einen Hüllkurvengenerator beeinflussen. Der Klang verändert sich also gemäß der Einstellung der Hüllkurve in der Zeit.

Schließlich gelangt die Schwingung in den VCA, wo sie lautstärkemäßig bearbeitet wird. Und auch hier wird der dynamische Verlauf mittels einer Hüllkurve bestimmt.

Fertig ist der synthetische Klang. Dass das aber noch ein wenig komplexer sein kann, darüber reden wir in der nächsten Folge.