Synthesizer

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Ein Synthesizer ^* ist ein elektronisches oder elektronisch gesteuertes Gerät zur Synthese von Schwingungen bzw. zur künstlichen Klangerzeugung.

Am häufigsten wird als Synthesizer ein Tasteninstrument bezeichnet, das auf elektronischem Wege Klänge erzeugen kann. Synthesizer erzeugen die Klänge durch direktes Erzeugen und Verändern von elektrischen Schwingungen (analoger Synthesizer) oder durch mathematische Operationen diskreter Werte (digitaler Synthesizer). Es kommen verschiedene Synthesearten, auch in gemischter Form, zum Einsatz. Gebräuchlich sind zur Klangerzeugung die additive, subtraktive, bzw. FM-Synthese, sowie das Physical Modelling und die Phasenmodulation. Analoge Synthesizer der 1970er Jahre sind oft als Modularsystem aufgebaut. Die einzelnen Komponenten (Generatoren, Filter, Modulatoren) sind in einem Rack montiert und werden nach Bedarf durch Klinkensteckerkabel miteinander verbunden.

Abgrenzung

In der Elektrotechnik beschreibt ein Synthesizer eine elektronische Vorrichtung zur Synthese monophoner, hochreiner Schwingungen, wie etwa einer Sinus-, Dreieck- und Rechteckschwingung oder der Erzeugung von Nadelimpulsen. Entsprechende Geräte, auch als Funktionsgenerator bekannt, dienen der Überprüfung elektronischer Schaltungen, oft von Verstärkern. Da es sich um Laborgeräte handelt, besitzen diese meist ein extrem niedriges Rauschen und einen an der Grenze der Messbarkeit liegenden Klirrfaktor.

Solche Generatoren, die heute fast ausschließlich mit digitalen Bauelementen realisiert werden, bezeichnet man auch als digitale Oszillatoren.

Grundlagen

Synthesizer verwenden verschiedene Syntheseprinzipen zur Klangerzeugung, wobei diese analog oder digital abgebildet werden. Folgende Grundprinzipien sind bekannt:

Geschichte

Erste Entwicklungen

Erste Entwicklungen für synthetische Klangerzeugung fanden in den 1930er Jahren statt. Einige Entwicklungen wie das Theremin, auch Aetherophon genannt, oder das Trautonium erweckten zwar eine gewisse Aufmerksamkeit, setzten sich aber – oft wegen ihrer für Musiker ungewohnten Spielweise – nicht großflächig durch.

1950 produzierte RCA experimentelle Geräte zum Erzeugen von Sprache und Musik. Der Mark II Music Synthesizer (1958) konnte nur nach vorheriger kompletter Programmierung ein Stück wiedergeben und musste für das nächste neu programmiert werden. Gesteuert wurde er über Lochstreifen.

1958 entwickelte Daphne Oram beim BBC Radiophonic Workshop einen neuartigen Synthesizer, der die sog. „Oramics“-Technik verwendete. Gesteuert wurde der Synthesizer über 35mm-Film. Er wurde einige Jahre bei der BBC verwendet. Hugh Le Caine, John Hanert, Raymond Scott, Percy Grainger (mit Burnett Cross), und andere bauten in den späten 1940ern und 1950ern verschiedene elektronische Musikinstrumente.

Ab den 1960ern war die Entwicklung der Elektronik soweit vorangeschritten, dass Klänge und Töne in Echtzeit erzeugt werden konnten, doch waren diese Geräte aufgrund ihrer Größe auf den Studiobetrieb beschränkt. Diese Geräte waren meistens modular aufgebaut und die einzelnen Komponenten konnten manuell miteinander verkabelt werden. Viele dieser ersten Geräte waren experimentelle Einzelstücke. Donald Buchla, Hugh Le Caine, Raymond Scott und Paul Ketoff waren die Pioniere in den 1960ern, wobei nur Buchla ein kommerzielles Gerät anbot.

Erste kommerzielle Synthesizer (analog monophon)

Den ersten spiel- und konfigurierbaren Synthesizer stellte Robert Moog her und präsentierte ihn 1964 auf der „Audio Engineering Society convention“. Dauerte es zunächst Stunden, den Synthesizer zu konfigurieren, und war er mehr eine Spielerei, war bis 1968 die Technik soweit fortgeschritten, dass sie ernsthaft verwendet werden konnte. Bereits während der Entwicklung konnte er den Musiker Walter Carlos (später Wendy Carlos) für das Instrument begeistern (modularer Synthesizer, zu hören in der Filmmusik zu Uhrwerk Orange), dessen praktische Erfahrungen mit elektronischer Musik in die Weiterentwicklung einflossen. Der neue Klang, wie auf dem sehr erfolgreichen Album „Switched-On Bach“ von Walter Carlos 1968 verwendet, war sensationell. In den späten 1960ern erschienen nun eine Vielzahl von Aufnahmen, die den neuen Moog-Synthesizer-Sound verwendeten. Zur Berühmtheit wurde das Stück Popcorn, das zum weltweiten Tophit wurde und als erstes komplett mit dem Moog-Synthesizer erstellt wurde.

Moog setzte zugleich auch die Standards, die das Verknüpfen verschiedener Synthesizer erlaubte, wie z. B. eine Schnittstelle zur externen Ansteuerung über eine logarithmische 1-Volt/Oktave-Tonhöhensteuerung. Die Ansteuerung der Synthesizer erfolgte normalerweise über eine normale Klaviatur oder über einen Sequenzer, bei dem man Tonhöhenfolgen zeitlich programmieren konnte und der über die genannte Schnittstelle den Synthesizer ansteuerte.

Da das Moog Modular System jedoch für den Bühnen- und Live-Einsatz zu groß und zu umständlich zu bedienen war, integrierte Moog die wichtigsten Komponenten seines Synthesizers in ein kompaktes Gehäuse, das den Namen Minimoog erhielt und 1970 auf den Markt kam. Der Minimoog wurde in den Folgejahren ein von vielen Musikern verwendetes und weit verbreitetes Musikinstrument. Im Laufe der 1970er Jahre kamen verschiedene weitere Unternehmen mit Synthesizern auf den Markt u. a. ARP Instruments (von Alan Robert Pearlman), Oberheim (von Tom Oberheim) und Sequential Circuits. Alle Synthesizer hatten jedoch zwei entscheidende Nachteile: zum einen waren sie nur monophon spielbar, zum anderen waren sie nicht dauerhaft zu programmieren. Man konnte also keine Einstellungen speichern.

Dennoch spezialisierten sich Gruppen und Musiker wie Kraftwerk, Jean-Michel Jarre, Tangerine Dream, Ed Starink, Klaus Schulze oder Vangelis auf elektronische Musik und Synthesizer.

Elektrische Orgeln

Alle Orgeln (auch akustische) basieren auf dem Prinzip der additiven Synthese, indem mehrere Sinusklänge zusammengemischt einen komplexen Klang ergeben. In der originalen Hammond Orgel von 1935 wurden die Sinusschwingungen über wellengetriebene Zahnräder erzeugt, die Schwingungen in Tonabnehmer induzierten. Für jede harmonische Schwingung gab es ein Rad. Später wurden die Schwingung durch elektronische Schaltungen erzeugt. Die von elektronischen Orgeln erzeugten Klänge waren weit weniger modulierbar als die der Synthesizer, hatten aber den Vorteil polyphon spielbar zu sein.

Mikroprozessorgesteuerte polyphone analoge Synthesizer

Die meisten der ersten Synthesizer waren monophon. Nur wenige waren in der Lage, zwei Töne zur gleichen Zeit zu erzeugen, wie der Moog Sonic Six, der ARP Odyssey, und der EML 101. Echte Polyphonie war zur damaligen Zeit nur über das Prinzip der elektrischen Orgel (Oktavteiler-Prinzip) zu realisieren. Der ARP Omni, der Moog Polymoog und der Opus 3 verbanden daher beide Elemente.

Erst 1976 kamen die ersten echten polyphonen Synthesizer auf den Markt, wie etwa der Yamaha CS-80 und der Oberheim Four-Voice. Diese ersten Synthesizer waren aber komplex und teuer. Der erste erschwingliche polyphone und zudem mikroprozessorgesteuerte und damit programmierbare Synthesizer war 1978 der Prophet-5 von Sequential Circuits. Zum ersten Mal konnten Musiker ihre Einstellungen speichern und per Knopfdruck wieder abrufen. Daneben war er - verglichen mit den Modulsystemen - kompakt und leicht.

MIDI

Eine kleine Revolution in der Entwicklung der Synthesizer war die Entwicklung von MIDI, einer einfachen digitalen seriellen Standardschnittstelle für Synthesizer. Entwickelt wurde sie von den Firmen Roland und Sequential Circuits und 1983 vorgestellt. Sie hat sich in kürzester Zeit als Standard-Industrieschnittstelle etabliert. Bis heute ist sie in fast unveränderter Form in jedem Synthesizer zu finden und erlaubt es verschiedenste elektronische Geräte auf einfache Art und Weise miteinander zu verbinden. 1991 erfolgte mit General MIDI (GM) eine Erweiterung des Standards um die Klangbelegung. Damit ist z. B. ein Oboenklang immer auf dem gleichen Programmplatz zu finden. Es erlaubt so komplette Musikstücke mit der richtigen Klangbelegung über GM-konforme Wiedergabegeräte abzuspielen.

Digitale Klangerzeugung - Revolution I: FM-Synthese

Eine wirkliche Revolution war das Aufkommen von Synthesizern mit digitaler Klangerzeugung, zunächst per FM-Synthese. Die FM-Synthese wurde in den 70ern entwickelt. Kurz gesagt erzeugen bei der FM-Synthese digitale Oszillatoren (sog. Operatoren) Sinusschwingungen. Komplexe mathematische Verschaltungen der einzelnen Sinusschwingungen ergeben komplexe Wellenformen. Ein Alleinstellungsmerkmal der FM-Synthese zur damals gebräuchlichen subtraktiven Synthese war die Möglichkeit, besonders obertonreiche und perkussive Klänge zu erzeugen.

Das Patent der FM-Synthese wurde vom japanischen Synthesizerhersteller Yamaha lizenziert. Die ersten Synthesizer, der GS-1 und GS-2 waren schwere und teure Geräte und fanden keine weite Verbreitung. 1983 erschien dann mit dem DX7 der Synthesizer, der den gesamten Markt revolutionieren sollte. Er hatte die Größe und das Gewicht des Prophet-5 und war im Preis für die Masse erschwinglich. Er war DER Synthesizer der 80er Jahre und man findet kaum eine Pop-Musikaufnahme aus dieser Zeit, worauf kein DX7 zu hören ist. Nach dem Auslaufen des Patentschutzes fand die FM-Synthese weite Verbreitung, wie z. B. in einfachen 4-Operatoren-Synthesizern auf PC Soundkarten.

Das Aufkommen des DX7 bedeutete nach relativ kurzer Zeit, dass viele subtraktive analoge Synthesizer altmodisch waren, was das Aus vieler renommierter Firmen wie etwa Moog bedeutete.

Digitale Klangerzeugung - Revolution II: Sampling

Eine zweite Revolution, die sich schon 1979 mit dem ersten Fairlight CMI ankündigte war das Sampling. Beim Sampling werden natürliche Klänge digitalisiert. Diese digitalen Wellenformen bilden dann die Grundlage der Klangerzeugung. Mit dem Sampler war etwas möglich, was bisher nur dem altmodischen Mellotron vorbehalten blieb, die „genaue“ Wiedergabe natürlicher Instrumente.

Die ersten Systeme, wie das Fairlight CMI, der Emulator I von E-MU oder später auch das Synclavier von New England Digital waren extrem teure Geräte, die nur den "Großen" der Branche vorbehalten waren. Außerdem waren die technischen Möglichkeiten der Wiedergabe aufgrund geringer Auflösung und Speicherkapazität zunächst begrenzt. Peter Gabriel und Kate Bush veröffentlichten 1982 die ersten Aufnahmen auf denen „gesampelte“ Klänge zu hören sind. 1985 kam mit dem Mirage von Ensoniq der erste für die breite Masse erschwingliche Sampler auf den Markt. Sampling prägte schon bald das Klangbild der Popmusik der 1980er.

Synthesizer und mehr

1987 brachte Roland mit dem D-50 einen Synthesizer auf den Markt, der besonders aufgrund seines integrierten Effektgerätes und der Attacksamples sehr populär wurde. 1988 trieb KORG mit der M1 die Integration auf die Spitze. Die M1 repräsentierte einen neuen Typus von Synthesizer, die „Workstation“. Hier waren zum ersten Mal ein Synthesizer, Effektgerät, Drumcomputer und Sequencer in einem Gerät integriert. Dies erlaubte das Erstellen kompletter Lieder in einem Gerät, ohne externe Hardware zu verwenden. Die Korg M1 ist nach dem Yamaha DX7 der meistverkaufte Synthesizer.

Physical Modelling Synthesizer

Anfang der 1990er Jahre kamen die ersten Synthesizer mit einer neuartigen Synthesemethode, dem Physical Modelling (PM) auf den Markt. Bei der PM-Synthese wird versucht anhand von mathematischen Beschreibungen eine „natürliche“ physikalische Klangerzeugnung digital zu simulieren, d. h. man berechnet wie sich etwa Luftschwingungen in einem Saxophon verhalten oder eine Saite einer Gitarre schwingt. Das Prinzip war eigentlich nicht neu. Eine praktische Anwendung kam aber erst in Sicht nach Entwicklung des Karplus-Strong Algorithmus und dessen Verfeinerung, sowie der Verallgemeinerung des Algorithmus in eine digital waveguide synthesis durch Julius O. Smith III et al. Für eine Echtzeitberechnung waren leistungsfähige digitale Signalprozessoren (Abk. DSP: digital signal processing) nötig, wie sie erst Ende der 80er Jahre zur Verfügung standen.

Wie bei der FM-Synthese sicherte sich Yamaha die Rechte und entwickelte ab 1989 mit der Stanford University zusammen die Synthese. Der erste kommerzielle Synthesizer war 1994 der Yamaha VL-1. Interessanterweise versuchte man bald über diesen Ansatz die alten analogen Synthesizer mit all ihren klanglichen Unzulänglichkeiten als virtuell-analoge Synthesizer digital wieder auferstehen zu lassen. Bekannteste Synthesizer sind hier der Clavia Nord Lead, der Access Virus und die Synthesizer der Firma Waldorf Music. Nach den digitalen Synthesizerklängen der 1980er kam es in den 1990ern zu einer Renaissance analoger Synthesizer bzw. deren Klänge, insbesondere durch das Aufkommen der Techno-Musik. Vormals fast wertlose Synthesizer wie Rolands TB-303 stiegen dadurch wieder erheblich im Wert.

Der moderne Synthesizer

Fast alle heutigen Synthesizer sind komplett digital aufgebaut. Sie verwenden meist spezielle DSP (digital signal processor) Bausteine zur Klangerzeugung, wobei häufig verschiedene Syntheseformen wie FM-Synthese, Sampling, subtraktive Synthese usw. gleichzeitig eingesetzt werden.

In den letzten Jahren wurden einige sogenannte Hybridsynthesizer entwickelt, die DSPs mit analogen Bauteilen kombinieren, wobei sowohl ein zum Großteil digitaler Signalweg wie z. B. beim Waldorf Q+ (analoge Filter, ansonsten DSP-basiert) und ein vorwiegend analog aufgebauter Signalweg (DSI Evolver) möglich sind. Das Konzept der hybriden Synthesizer stammt aus den 1980er Jahren, Modelle wie der ESQ1 von Ensoniq kombinierten kurze Samples oder additiv erzeugte Wellenformen mit analogen Filtern.

Ein neuer Trend sind sogenannte native Software-Synthesizer. Aufgrund der Leistungsfähigkeit moderner PCs ist es möglich, eine digitale Klangerzeugung auf unspezialisierten PC-Prozessoren aufzusetzen. Mittlerweile gibt es für jede Syntheseform verschiedene Software-Synthesizer, die zum Teil Nachbauten bekannter Hardware Synthesizer sind. Auch werden bekannte alte Instrumente wie etwa Fender Rhodes Pianos oder Hammond B3 Orgel simuliert.

Gesprochene Wikipedia

Teil 1: Synthesizer:

Teil 2: Additive Synthese:

Teil 3: Subtraktive Synthese 1:

Teil 4: Subtraktive Synthese 2: (Filter)

Teil 5: Granularsynthese:

Teil 6: FM-Synthese:

Synthesizerhersteller

Im folgenden eine Liste bekannter Hersteller, die die Entwicklung von Synthesizern maßgeblich prägten:

Weiteres

Technisch mit dem Synthesizer verwandt ist der Vocoder zur Bearbeitung der menschlichen Stimme.

Literatur

Uwe G. Hoenig: Workshop Synthesizer. Klangerzeugung für Musiker. PPVMEDIEN, Bergkirchen 2005, 2. Auflage, ISBN 3-932275-27-6
Peter Forrest: "The A-Z of Analogue Synthesisers", Susurreal Publishing, England, ISBN 0-9524377-2-4. Detaillierte Darstellung aller bis 1998 jemals hergestellter analoger Synthesizer und Orgeln in zwei Bänden (Englisch)
Florian Anwander: Synthesizer. So funktioniert elektronische Klangerzeugung. PPVMEDIEN, Bergkirchen 2005, 3. aktualisierte Auflage, ISBN 3-937841-18-0
Thomas Alker: Reason in der Praxis. Der Schnelleinstieg ins virtuelle Musikstudio. PPVMEDIEN, Bergkirchen 2005, 5. aktualisierte Auflage, ISBN 3-937841-21-0

Weblinks

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