Kapitel 2:
Die Klangerzeuger

In Zebra² gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, Klänge zu erzeugen und den ersten Klangerzeuger, den Oszillator, hast du schon im vorherigen Kapitel kennengelernt. Es gibt in Zebra² jedoch noch weitere Klangerzeuger, auf die ich gleich noch eingehen werde. Doch zu Beginn könnten ein paar grundlegende Kenntnisse dazu nicht schaden, wie ein Klang überhaupt generiert werden kann. Ein Oszillator kann in unterschiedlichen Synthesizern mit verschiedenen Namen versehen sein, meint aber im Gunde immer dasselbe. In Zebra² wird er OSC genannt. Andere Synthesizer können VCO (?Voltage Controlled Oscillator) verwenden. Diese Bezeichnung kommt daher, dass zum Beispiel bei modularen Synthesizern die Tonerzeugung beziehungsweise die Tonhöhe über eine anliegende Spannung geregelt wird. Auf der folgenden Abbildung siehst du ein VCO1-Panel des Synthesizers MatrixBrute von Arturia und seinen diversen Konfigurationsmöglichkeiten. Dieser Synthesizer ist - wie Zeabra² - sehr speziell und bietet eine Menge Potential. Ich besitze ihn selbst und habe großen Spaß daran!

Abb. 2.1: Das VCO-Panel des MatrixBrute

Was bedeutet Oszillation?

?Oszillation kommt vom lateinischen oscillare, was schwingen oder schwanken bedeutet. Bezogen auf eine Schwingung heißt das eine zeitlich wiederholte Schwankung einer Zustandsgröße.

Bei analogen Synthesizern wird zur Generierung eines Tons über einen Oszillator eine Spannung in unterschiedlichen Werten hoch und runter geregelt. Da Zebra² jedoch ein Softwaresynthesizer ist, wird dieser Vorgang über die Software simuliert. Im Endeffekt wird die Membran an deinem Lautsprecher vor und zurück bewegt und regt darüber die Luftmoleküle an. Je schneller das passiert, desto höher wird der Ton, den du hörst. Wenn ein Synthesizer nur über einen einzigen Oszillator verfügt, dann kann in der Regel auch nur ein einziger Ton zur selben Zeit gespielt werden. Das wird dann ?monophon genannt. Eine Blockflöte ist zum Beispiel ein einstimmiges, also monophones Instrument.

Was bedeutet monophon?

Der Ausdruck ?Monophonie bedeutet in der Musik, dass lediglich ein einziger Tonerzeuger (Oszillator) vorhanden ist. Die daraus resultierende Einstimmigkeit besagt, dass zur selben Zeit nur ein einziger Ton gespielt werden kann.

Im Gegensatz dazu gibt es noch die polyphone Tonerzeugung.

Was bedeutet polyphon?

Der Ausdruck ?Polyphonie bedeutet in der Musik, dass zwei oder mehr Tonerzeuger vorhanden sind. Die daraus resultierende Mehrstimmigkeit besagt, dass zur selben Zeit mehrere Töne gespielt werden können.

Eine Gitarre oder ein Klavier sind Instrumente, die gleichzeitig mehrere Töne spielen können. Du hast in der Einleitung schon gesehen, dass Zebra² über vier Oszillatoren (OSC1 bis OSC4) verfügt. Bevor ich jetzt fortfahre, sollest du einen Blick auf das folgende Blockschaltbild werfen. Es zeigt dir eine grobe Übersicht des Signalflusses vom Eingang des Keyboards weiter über die Basismodule des Synthesizers hin zum Ausgang auf die Lautsprecher:

Abb. 2.2: Das Blockschaltbild des Signalflusses eines Synthesizers

Das ist natürlich sehr vereinfacht, trägt aber dennoch zum Verständnis bei. Die einzelnen Module sollten dir - bis auf den Verstärker - vertraut sein und ich gehe davon aus, dass du in Grundzügen weißt, was die Aufgabe eines Verstärkers ist.

Was ist ein ?Verstärker?

Der Ausdruck Verstärker - englisch: Amplifier - bedeutet normalerweise, dass eine Signalverstärkung vom Eingangssignal zum Ausgangssignal stattfindet. Ein derartiger Verstärker wird zum Beispiel bei Gitarrenverstärkern verwendet, um das sehr schwache Eingangssignal einer Gitarre bei Bedarf sehr laut wiederzugeben. In diesem Blockschaltbild wird der Verstärker jedoch dazu verwendet, das Ausgangssignal zwischen 0 und der Stärke des Eingangssignals zu regeln. Er befindet sich meistens am Ende einer Signalkette.

Die subtraktive Klangsynthese

Ich komme noch einmal zum gerade gezeigten Blockschaltbild zurück, denn da gibt es noch etwas zu berichten. Die dort gezeigten Blöcke wirken entscheidend an der Klanggenerierung mit, um dann später den Klang weiter zu verarbeiten. In diesem Blockschaltbild ist ganz vorne links ein Oszillator zu sehen, wobei es aber auch zwei oder mehr sein können. Das nachgeschaltete Filtermodul nimmt Einfluss auf die Klangfarbe, in dem von der zuvor generierten Wellenform etwas weggenommen wird. Was könnte das aber sein, was hier entfernt wird und warum soll das überhaupt erforderlich sein? Nun, erforderlich ist es nicht unbedingt, doch dieser Vorgang ändert die Klangfarbe maßgeblich, so dass interessante Ergebnisse zu hören sind. Der entscheidende Punkt sind hier die sogenannten Obertöne oder? Oberwellen, auf die ich ein paar Seiten später noch zu sprechen komme. An dieser Stelle soll so viel gesagt sein, dass zum Beispiel ein generierter Klang über einen Grundton verfügt und dieser dann mit mehr oder weniger anderen Frequenzen angereichert ist, was die Obertöne ausmacht und diesen Klang charakteristisch und einzigartig gestaltet. Ein Filter nimmt also Einfluss auf diese Obertöne und entfernt an bestimmten Stellen oder auch Bereichen ein paar Frequenzen. Wenn du dich an deinen Mathematikunterricht erinnerst und an die vier Grundrechenarten, so wird dir auffallen, dass bei der Subtraktion auch etwas von etwas weggenommen wird. Aus diesem Grund wird diese Form der Klangsynthese auch ?subtraktive Synthese bezeichnet. Die subtraktive Klangsynthese ergibt nur bei denjenigen Wellenformen einen Sinn, die auch genügend Obertöne enthalten, wie zum Beispiel die Sägezahnwelle. Sie besitzt ein reiches Spektrum an Oberwellen, die du mit diversen Filtern wegnehmen oder dämpfen kannst, um so die Klangfarbe anzupassen. Eine Sinuswelle, die keine Oberwellen besitzt, führt bei der subtraktiven Klangsynthese lediglich zu einer Lautstärkenanpassung, weswegen dieser Weg vielleicht weniger sinnvoll ist.

Eigentlich wäre der Signalfluss in horizontaler Richtung mit dem nachfolgenden Verstärker abgeschlossen. Doch das Klangergebnis oder besser gesagt das Klangerlebnis wäre als derzeitiges Endprodukt wie in Stein gemeißelt und deswegen sehr statisch und leblos. Leben hat aber etwas mit Bewegung zu tun und aus diesem Grund kommen die sogenannten Modulatoren ins Spiel. Auch darauf gehe ich später natürlich noch im Detail ein. Ein Modulator kann auf bestimmte Klangparameter wie zum Beispiel die Tonhöhe zyklisch Einfluss nehmen und verleiht dem Klang darüber eine akustische Bewegung, wobei wir wieder beim Leben wären. So, nun kennst du also die subtraktive Synthese, was vermuten lässt, dass es vielleicht auch noch eine andere gibt, die genau das Gegenteil bewirkt. Richtig! Es gibt noch die sogenannte additive Synthese, die auf einen generierten Klang derart Einfluss nimmt, dass es zu einer Überlagerung von harmonischen Schwingungen kommt, die hinzugefügt werden.

Die additive Klangsynthese

Harmonische Schwingungen sind Frequenzen, die ein Vielfaches der Grundfrequenz aufweisen und wenn sie sich oberhalb dieser Grundfrequenz befinden, auch Oberschwingungen genannt werden. Diesbezüglich sollte ich den französischen Mathematiker und Physiker Jean Baptiste Joseph Fourier erwähnen, der herausbekam, dass sich jede beliebige Wellenform als eine Summe von verschiedenen Sinuswellen erzeugen lässt.

Die Synthese einer Rechteckwelle

Die folgende Abbildung zeigt, wie man mit der Addition verschiedener Sinuswellen, die frequenz- und amplitudenmäßig in einem bestimmten Verhältnis stehen, ein Rechtecksignal synthetisieren kann:

Abb. 2.3: Die additive Synthese

Das rote Rechtecksignal stellt dabei das Ergebnis der Klangsynthese dar. Die Form ist idealisiert, denn im Idealfall müssten unendlich viele Sinuswellen der Harmonischen 1, 3, 5, 7, 9 usw. für die Synthese herangezogen werden, was aber erstens nicht erforderlich ist und zweitens unmöglich zu realisieren. Doch diese Form der Klangsynthese zeigt ein Problem auf, denn für die Generierung komplexer Wellenformen müssen teilweise sehr viele Einzelschwingungen einer Synthese unterzogen werden, was das Vorhaben sehr kompliziert macht. Möchtest du ein wenig mit der additiven Klangsynthese experimentieren und schauen, wie sich die Wellenform ändert, dann rate ich dir, die folgende Internetseite zu besuchen:

https://meettechniek.info/additional/additive-synthesis.html

Dort findest du einen Waveform-Generator, über den du genau das simulieren kannst, was ich dir gerade erklärt habe. Auf der folgenden Abbildung siehst du, dass ich eine rudimentäre Einstellung für die ungeraden Harmonischen vorgenommen habe:

Abb. 2.4: Die additive Synthese mit dem Waveform-Generator für ein Rechtecksignal

Durch die Schieberegler H1 (Grundwelle), H3, H5, H7, H9 und H11 habe ich eine Rechteckwelle - na ja nicht ganz - synthetisiert. Spiel ein wenig mit unterschiedlichen Amplituden und schau, was sich dabei ergibt. Okay, wenn ich jetzt schon einmal dabei bin, dann zeige ich dir noch zwei weitere grundlegende und dir schon bekannte Wellenformen, die mit der additiven Synthese generiert werden können.

Die Synthese einer...