Wissen: Subtraktive Synthesizer

Subtraktive Synthesizer sind die Klassiker unter den Synthesizer und subtraktive Synthese ist als Baustein bis heute in fast allen Synthesizern, ob analog oder digital, enthalten. Was es damit auf sich hat und wie ein subtraktiver Synthesizer funktioniert, erfährst du in diesem Artikel.

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Subtraktive Synthesizer, ob als Plugin innerhalb der DAW oder Hardware Synthesizer, spielen im Produktionsalltag eine sehr große Rolle

Bausteine subtraktiver Synthesizer

Jeder subtraktive Synthesizer besteht aus einer Reihe von Bausteinen, die die subtraktive Synthese ausmachen und eigentlich immer zu finden sind. Dabei ist es irrelevant, ob wir es mit einem analogen oder einem digitalen Synthesizer zu tun haben.

Oszillator

Ein Oszillator ist ein Schwingungsgenerator, der eine periodische elektronische Schwingung erzeugt. Es gibt eine Reihe von Basisschwingungen, die ein solcher Oszillator erzeugen kann: Sinus, Rechteck, Dreieck und Sägezahn. Darüber hinaus erzeugen manche Oszillatoren komplexere Schwingungen, die entweder aus Mischformen der Basisschwingungen bestehen oder aber komplett eigenständig sind. Die ersten analogen Synthesizer haben in der Regel die einfachen periodischen Basisschwingungen erzeugt. Mit den digitalen Synthesizern kamen komplexere Gebilde hinzu.

Jede Wellenform hat spezifische klangliche Eigenschaften und einen unterschiedlich komplexen Aufbau aus Grundton und Obertönen. So ist der Obertongehalt von Dreieck, Sägezahn und Rechteck Wellenformen unterschiedlich  hoch, während eine Sinusschwingung gar keine Obertöne besitzt.

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Oszillator-Sektion eines subtraktiven Synthesizers (Retro Synth Plugin von Logic Pro) mit zwei Oszillatoren

Viele subtraktive Synthesizer verfügen über mehrere Oszillatoren, deren Wellenformen sich mischen lassen. Der berühmte Minimoog besitzt zum Beispiel drei Oszillatoren. Andere Synthesizer wie die bekannte Synthesizer Roland Juno 60 und Juno 106 nur einen einzelnen Oszillator, der durch einen Sub-Oszillator für den Bassbereich und einen Noise-Generator ergänzt wird.

Die Oszillatoren sind einer der wichtigsten Bausteine des Synthesizers, weil bereits sie über den Klang maßgeblich entscheiden.

Filter

Der wohl wichtigste Baustein eines subtraktiven Synthesizers ist aber das Filter, denn erst durch dieses wird der Synthesizer zu einem subtraktiven Synthesizer. Das Filter “subtrahiert” nämlich Obertöne aus dem obertonreichen Signal, das der Oszillator erzeugt. Auf diese Weise verändert sich der Klang drastisch. Die eigentliche Klangformung eines subtraktiven Synthesizers findet also in der Filterstufe statt.

Es gibt verschieden Filtertypen wie Tiefpassfilter (lässt tiefe Signalanteile passieren und filtert höhere heraus), Hochpassfilter (lässt hohe Signalanteile passieren und filtert tiefere heraus), Bandpassfilter (filtert alle Frequenzen außerhalb eines eingestellten Frequenzbandes).

Jede Filterschaltung hat eine bestimmte Charakteristik, mit der sie ihren Job verrichtet. So bestimmt zum Beispiel die Filtereckfrequenz (Cutoff-Frequenz), ab welcher Frequenz die Filterwirkung einsetzt, während die Flankensteilheit bestimmt, wie stark die Filterwirkung ober- oder unterhalb dieser Frequenz ist. So können weiche oder auch sehr harte, abrupte Übergänge geschaffen werden. Ein resonanzfähiges Filter ist außerdem in der Lage, Frequenzanteile im Umfeld der Cutoff-Frequenz deutlich zu verstärken. Analoge Filter mit Resonanz sind zudem oft zur Eigenoszillation fähig, wodurch sich durch das Filter ein eigenes tonales Signal ergibt. Resonanzfähige Filter sind für einen Großteil der berühmten Sounds analoger Synthesizer verantwortlich, so zum Beispiel das berühmte Ladder-Filter von Moog.

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Filterstufe eines subtraktiven Synthesizers

Hüllkurvengeneratoren

Die Hüllkurvengeneratoren (Envelope Generators) sorgen für eine Veränderung über die Zeit und wirken per Steuerspannung auf verschiedene andere Baugruppen des subtraktiven Synthesizers wie die Tonhöhe des Oszillators, die Cutoff-Frequenz des Filters oder sie beeinflussen den Lautstärkeverlauf des Signals.

Hüllkurven bestehen aus verschiedenen Parametern, die den zeitlichen Verlauf definieren. Ein einfaches Hüllkurvenmodell ist die ADSR-Hüllkurve. Für die Steuerung des Lautstärkeverlaufs sieht diese folgendermaßen aus:

A steht für Attack und meint die Zeit, die das Signal benötigt, um nach dem Tastenanschlag seine maximale Lautstärke zu erreichen.

D steht für Decay und meint die Zeit, die das Signal benötigt, um auf den Sustain-Level (S) abzusinken. Das Sustain-Level ist die Lautstärke, auf der das Signal nun verbleibt, bis die Taste losgelassen wird. Nach dem Loslassen der Taste beginnt die Release-Zeit, die bestimmt, wie lange der Ton nach dem Loslassen der Taste zum Verklingen benötigt.

Möchte man zum Beispiel einen Sound generieren, der beim Tastenanschlag sehr perkussiv klingt, dann aber bei gehaltener Taste weiterklingt und nach dem Loslassen der Taste langsam ausklingt, müsste man eine kurze Attack-Zeit wählen und eine kurze Decay-Zeit. Sustain stellt man auf die gewünschte Lautstärke nach dem Tastenanschlag und Release auf die gewünschte Ausklingzeit nach dem Loslassen der Taste.

Es gibt verschiedene Erweiterungen dieses Hüllkurvenmodells, um es noch flexibler zu machen. Fast alle Synthesizer implementieren allerdings eine Form der ADSR-Hüllkurve.

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Die Amp-Hüllkurve regelt den Lautstärkeverlauf vom Zeitpunkt des Tastenanschlags bis zum Loslassen der Taste und darüber hinaus
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Die Filter-Hüllkurve wirkt auf die Cutoff-Frequenz des Filters und funktioniert ähnlich wie die Amp-Hüllkurve

Verstärker

Der Verstärker bringt den Sound auf seine endgültige Lautstärke. Er lässt sich durch eine Hüllkurve steuern, um den Lautstärkeverlauf des Signals nach dem Tastenanschlag zu beeinflussen (Amp-Hüllkurve, siehe oben).

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Der Verstärker bringt das Signal auf seinen endgültigen Pegel und kann von der Amp-Hüllkurve gesteuert werden

Modulation per LFO

Eine wichtige Baugruppe für die Gestaltung lebendiger Sounds ist der LFO. LFO steht für Low Frequency Oszillator. Hier handelt es sich auch um einen Oszillator, der aber in der Regel außerhalb des Hörbereichs schwingt und mit seiner Schwingung andere Parameter wie zum Beispiel die Lautstärke, die Tonhöhe oder die Cutoff-Frequenz des Filters modulieren kann. Dazu bietet er wie ein normaler Oszillator verschiedene Wellenformen an. Der LFO kann sofort nach dem Tastenanschlag einsetzen oder verzögert (Delay). So könnte man zum Beispiel mit einem leicht verzögerten LFO das Vibrato einer Flöte, das in der Regel ebenfalls erst nach kurzer Zeit einsetzt, imitieren. Aber auch Tremolo-Effekte sind möglich, wenn der LFO die Lautstärke moduliert. Der LFO kann bei jedem Tastenanschlag neu gestartet werden oder frei laufen (Sync).

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LFO (Low Frequency Oscillator) zur Modulation verschiedener Parameter wie Tonhöhe, Lautstärke oder Filtereckfrequenz

Signalfluss eines subtraktiven Synthesizers

Der Signalfluss eines subtraktiven Synthesizers sieht in der Regel folgendermaßen aus:

  1. Der Oszillator erzeugt eine Wellenform, die Tonhöhe kann zum Beispiel von der Pitch-Hüllkurve moduliert werden.
  2. das Signal passiert das Filter, dessen Cutoff-Frequenz von der Filter-Hüllkurve moduliert werden kann.
  3. das Signal passiert den Verstärker, der von der Amp-Hüllkurve moduliert wird.

Der LFO liegt nicht direkt im Signalweg, sondern steuert stattdessen die anderen Baugruppen. Er kann ein- und ausgeschaltet werden.

Bei modularen und semi-modularen Synthesizern lassen sich alle Baugruppen in beliebiger Reihenfolge miteinander per Patch-Kabel verschalten. Bei allen anderen Synthesizern ist die oben beschriebene Reihenfolge vom Hersteller festgelegt und kann vom Nutzer nicht verändert werden.

Fazit

Subtraktive Synthesizer besitzen einen recht einfachen Aufbau, der schnell zu durchschauen ist. Viele berühmte Synthesizer sind modulare Synthesizer und selbst komplexeste Systeme besitzen oft die beschriebenen Baugruppen und lassen sich auf diese zurückführen. Subtraktive Synthesizer wie der Roland Juno 106 sind auch deshalb so beliebt, weil die Klangerzeugung leicht zu durchschauen ist und der Keyboarder schnell zu guten Ergebnissen kommt. Doch es muss nicht immer Hardware sein: Auch Software Synthesizer, die mit subtraktiver Synthese arbeiten, liefern tolle klangliche Ergebnisse und gliedern sich gut in die moderne Produktionsumgebung mit DAW im Mittelpunkt ein. Das Erlernen des Sound Designs mit Synthesizern gehört zum kleinen Einmaleins jedes professionellen Keyboarders oder Musikproduzenten und zumindest die subtraktive Synthese sollte beherrscht werden. In einem weiteren Teil widmen wir uns den praktischen Aspekten der subtraktiven Synthese und erstellen einige Brot & Butter Sounds. 

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