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Synthesizer
Er ist eines der zentralen Werkzeuge in der Produktion elektronischer Musik. Man unterscheidet analoge und digitale Synthesizer. Ebenso wie in vielen Bereichen …
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Grundidee und Bedeutung
Ein Synthesizer ist ein zu den Elektrophonen gezähltes Musikinstrument, das Töne elektronisch durch Klangsynthese erzeugt. Seit Ende der 1960er Jahre gehört er zu den zentralen Werkzeugen der elektronischen Musikproduktion. Sein Tonumfang umfasst den gesamten Hörbereich.
Man unterscheidet vor allem analoge und digitale Synthesizer. Digitale Geräte haben die reine Analogtechnik in vielen Bereichen teilweise verdrängt, analoge Geräte werden aber wegen ihres besonderen Klangs weiter genutzt. Viele ältere Modelle besitzen unter Musikern Kultstatus. Der charakteristische Klang bestimmter Geräte und die kreative Nutzung ihrer Eigenarten beeinflussten ganze Musikrichtungen, etwa Acid House, Techno und Retrowave; bei Retrowave ist der Synthesizer das zentrale Instrument.
Frühe elektronische Instrumente wie elektrische Orgeln arbeiteten bereits mit additiver Synthese, also dem Zusammenmischen mehrerer Schwingungen. Die Hammond-Orgel von 1935 erzeugte Sinusschwingungen über Zahnräder und Tonabnehmer. Das Novachord von Hammond, gebaut von 1939 bis 1942 in 1069 Exemplaren, gilt als erster echter polyphoner Synthesizer mit Hüllkurvengenerator und Filtern. In den 1950er Jahren entstanden mit dem RCA-Synthesizer Mark I und Mark II lochstreifengesteuerte Apparate. Ab den 1960er Jahren konnten Klänge in Echtzeit erzeugt werden, zunächst meist in großen, modularen Studiogeräten.
Analoge Synthesizer
Analoge Synthesizer der 1970er Jahre waren häufig modular aufgebaut: Signalgeneratoren, Filter und Modulatoren saßen in einem Rack und wurden mit Kabeln verbunden. Robert Moog präsentierte 1964 den ersten spiel- und konfigurierbaren Synthesizer auf der „Audio Engineering Society convention“. Wendy Carlos machte den neuen Klang mit Switched-On Bach von 1968 bekannt. Don Buchla entwickelte fast gleichzeitig eigene Synthesizer.
Moog setzte wichtige Standards, etwa die externe Tonhöhensteuerung mit logarithmischer 1-Volt/Oktave-Steuerspannung. Weil modulare Systeme für Bühne und Live-Einsatz groß und umständlich waren, brachte Moog 1970 den Minimoog heraus, der wichtige Bausteine in einem kompakten Gehäuse vereinte. Weitere wichtige Hersteller der 1970er Jahre waren ARP Instruments, Oberheim, EMS und Sequential Circuits.
Frühe Synthesizer waren meist monophon, konnten also nur einen Ton gleichzeitig spielen. Außerdem waren viele Einstellungen nicht dauerhaft speicherbar. Echte Polyphonie, also mehrere gleichzeitig spielbare Töne, wurde erst Mitte der 1970er Jahre mit Geräten wie Yamaha GX-1, Yamaha CS-80 und Oberheim Four-Voice verfügbar. Der Yamaha GX-1 gilt als erster polyphoner Synthesizer. Der Prophet-5 von Sequential Circuits war 1978 der erste erschwingliche polyphone, mikroprozessorgesteuerte und programmierbare Synthesizer; Musiker konnten Einstellungen speichern und per Knopfdruck abrufen.
Analoge Klangerzeugung
Ein Ton besteht meist aus einem Grundton, der die Tonhöhe bestimmt, und Obertönen, auch Teiltöne oder harmonische Töne genannt, die die Klangfarbe prägen. Analoge Synthesizer arbeiten daher mit Grundwellenformen wie Kippschwingung beziehungsweise Sägezahn, Rechteckschwingung und Dreieckschwingung. Sie erinnern klanglich grob an Streicher, Holzbläser oder Flöten.
Der wichtigste Baustein ist der Voltage Controlled Oscillator (VCO), ein spannungsgesteuerter Oszillator. Er erzeugt Schwingungen; seine Frequenz und damit die Tonhöhe werden durch Steuerspannung verändert. Mehrere leicht gegeneinander verstimmte Oszillatoren können einen volleren Klang erzeugen. Ein Noise Generator erzeugt Rauschen, etwa weißes Rauschen mit gleichmäßig verteilten Frequenzen oder rosa Rauschen, bei dem tiefe Frequenzen überwiegen.
Die Klangformung geschieht vor allem im Voltage Controlled Filter (VCF), einem spannungsgesteuerten Filter. Ein Tiefpass lässt tiefe Frequenzen durch und dämpft hohe, ein Hochpass arbeitet umgekehrt. Bandpass und Bandsperre entstehen durch Kombination von Tief- und Hochpass. Die Flankensteilheit bestimmt, wie weich oder hart der Übergang zwischen Durchlass- und Sperrbereich ist; üblich sind 12 dB und 24 dB. Der Voltage Controlled Amplifier (VCA) steuert den Lautstärkeverlauf, meist mithilfe eines Hüllkurvengenerators.
Ein Hüllkurvengenerator erzeugt programmierbare Spannungsverläufe. Häufig ist er als ADSR-Generator aufgebaut: Attack-Time ist die Anschwellzeit, Decay-Time die Abklingzeit, Sustain-Level der Dauerpegel und Release-Time die Ausklingzeit. Modulation bedeutet, dass Klangparameter automatisch verändert werden. Ein Low Frequency Oscillator (LFO) kann zum Beispiel die Tonhöhe für Vibrato, die Lautstärke für Tremolo oder Filter für Wah-Wah- und Phaser-Effekte steuern. Weitere Bausteine sind Sample-and-Hold für zufällige Spannungswerte, Frequency Follower und Envelope Follower zur Umwandlung von Tonhöhe oder Lautstärkeverlauf in Steuerspannung, Ringmodulatoren für Summen- und Differenzfrequenzen sowie Resonanzfilter, die bis zur Eigenschwingung gebracht werden können.
Digitale Verfahren
Digitale Synthesizer brachten neue Formen der Klangerzeugung. Eine wichtige Entwicklung war die Frequenzmodulation, kurz FM-Synthese. Dabei erzeugen digitale Oszillatoren, sogenannte Operatoren, Sinusschwingungen, die sich je nach Algorithmus gegenseitig modulieren. So entstehen komplexe Schwingungsformen. Besonders obertonreiche und perkussive Klänge waren damit leichter möglich als mit der damals üblichen subtraktiven Synthese.
Yamaha lizenzierte das Patent der FM-Synthese. Nach den schweren und teuren Modellen GS-1 und GS-2 erschien 1983 der DX7. Er war vergleichsweise günstig, hatte ungefähr Größe und Gewicht des Prophet-5 und prägte als sehr verbreiteter Synthesizer den Sound der Popmusik der 1980er Jahre.
Beim Sound-Sampling werden natürliche Klänge digitalisiert und als Wellenformen für die Klangerzeugung verwendet. Das Fairlight CMI kündigte diese Entwicklung 1979 an. Der E-mu Emulator war 1981 einer der ersten erschwinglichen Sampler, kostete aber noch 10.000 US-Dollar; seine 8-Bit-Samples konnten auf 5,25-Zoll-Disketten gespeichert werden. 1985 kam mit dem Mirage von Ensoniq der erste Sampler für eine breitere Masse auf den Markt. Sampling prägte bald die Popmusik der 1980er Jahre.
Workstations verbinden mehrere Funktionen in einem Gerät. Der Korg M1 von 1988 vereinte Synthesizer, Effektgerät, Drumcomputer und Sequencer und gilt als erste Music Workstation. Er erlaubte komplette Musiksequenzen ohne externe Hardware. Nach dem Yamaha DX7 ist die Korg M1 der bisher meistverkaufte Synthesizer.
Weitere Bauformen
Physical-Modelling-Synthesizer bilden nicht nur einen Klang nach, sondern simulieren ein physikalisches Modell, etwa eine schwingende Saite mit Eigenschaften wie Dimension, Elastizität und Spannung. Ein virtueller Erreger, zum Beispiel ein Plektrum, führt dem Modell Energie zu. Für Echtzeitberechnung waren leistungsfähige digitale Signalprozessoren nötig. Der erste Synthesizer in Serienfertigung nach diesem Prinzip war 1994 der Yamaha VL-1. Der Artikel weist darauf hin, dass der Abschnitt zu Physical Modelling nicht ausreichend belegt ist.
Hybrid-Synthesizer kombinieren digitale und analoge Teile. Moderne Geräte nutzen oft DSP-Bausteine zur Klangerzeugung, behalten aber analoge Bauteile für Ein- und Ausgänge, Regler, Filter oder Verstärker. Beispiele sind der Waldorf Q+, DSI Evolver, Alesis A6 Andromeda, Ensoniq ESQ1, Sequential Circuits Prophet VS, Waldorf Wave und Microwave I. Solche Geräte verbinden digitale Vielseitigkeit mit analogen Klangbausteinen.
Software-Synthesizer führen digitale Klangerzeugung auf normalen Computern aus. Sie können verschiedene Syntheseformen nutzen, bekannte Hardware simulieren und häufig als VST-Plugins in DAW-Programmen arbeiten. Gesteuert werden sie oft mit Masterkeyboard, Pad-Controller oder Drehreglern. Auch Mobiltelefone und Tablets können heute Synthesizer-Apps ausführen und über MIDI-Keyboards etwa per OTG-Kabel, USB-C oder Bluetooth gespielt werden. Moderne Webbrowser besitzen mit WebMIDI eine MIDI-Schnittstelle, die HTTPS voraussetzt, und können mit Web Audio Synthesizer direkt im Browser programmieren.
Verwandte Technik
Mit Synthesizern verwandt sind mehrere technische Systeme. Ein Vocoder überträgt dynamische und klangfarbliche Eigenschaften eines Sprachsignals mithilfe von Filtern und Steuerspannungen auf ein Trägersignal, meist einen Instrumentalklang. Dadurch scheint der Klang zu sprechen oder zu singen.
Eine Filterbank besitzt keine eigene Tonerzeugung, sondern bearbeitet eingespeiste Signale. Analoge Filterbanken bestehen klassisch meist aus RC-Filtern, digitale aus IIR- oder FIR-Filtern. Moderne Systeme können Signale auch per FFT in Frequenzanteile zerlegen, bearbeiten und wieder zusammensetzen.
MIDI war wichtig für die Verbreitung von Synthesizern. Diese einfache digitale serielle Standardschnittstelle wurde 1982 von Roland und Sequential Circuits entwickelt und etablierte sich schnell als Standard für Musikgeräte. Sie verbindet elektronische Geräte miteinander und ist bis heute fast unverändert in vielen Synthesizern zu finden. Ein Soundmodul ist ein klangerzeugendes Gerät oder Software-Modul ohne Klaviatur, das über MIDI oder USB gesteuert wird. Ein Sequenzer steuert eine Abfolge von Tönen oder Klangereignissen; eine ähnliche Funktion hat der Arpeggiator, der kurze Tonfolgen speichert und abspielt.
