Klangsynthese

Klangsynthese, zusammengesetzt aus Klang und altgriechisch synthese von syntithenai für »zusammensetzen«, Bezeichnung für die technische Methode, mittels meist elektronischer Geräte hörbare Klänge zu erzeugen.

Grundsätzlich werden die additive und subtraktiven Klangsynthese unterschieden. In jüngerer Zeit sind weitere Formen der Klangsynthese hinzugetreten, deren Grundlage entweder vorbereitete Samples sind oder aber mathematischen Modelle, nach denen Klänge errechnet werden. Wesentlich für die Idee der Klangsynthese ist die Erkenntnis, dass ein Klang als aus Teiltönen (Partialtönen) zusammengesetztes Phänomen betrachtet werden kann, also aus einem Grundton und mehr oder weniger hörbaren Obertönen besteht. Das Fouriersche Theorem – entdeckt von dem französischen Mathematiker Jean Baptist Fourier (* 1768, † 1830) – besagt auf dieser Erkenntnis fußend, dass umgekehrt auch jeder Klang aus einzelnen Sinusschwingungen verschiedener Lautstärke (Amplitude) zusammengesetzt werden kann. Erst im 20. Jahrhundert indes war es möglich, diese Theorie mit technischen Mitteln in die Tat umzusetzen.
So stellt schon die Tonerzeugung einer elektro-mechanischen Hammond-Orgel eine einfache additive Klangsynthese dar. Der Tonradgenerator der Orgel, der Sinusschwingungen in neun Fußlagen erzeugen kann, ermöglicht über so genannte Drawbars (Zugriegel) das Mischen der Lautstärkeverhältnisse der einzelnen Sinustöne. Das Gemisch erscheint dem Hörer als ein einziger Klang. Zwar ist es nicht möglich kompliziertere Klänge auf diese Weise zu erzeugen, da die Zahl der Fußlagen eben doch zu gering ist. Mit modular aufgebauten Synthesizer, die erstmals in den 1960er-Jahren vorgestellt wurden, ist eine additive Synthese zwar ebenso möglich, doch wäre für die Erzeugung komplizierter Klänge eine Vielzahl von Oszillatoren (VCO) notwendig; selbst avancierte Geräte dieser Bauart stellen meist kaum mehr als sechs Oszillatoren zur Verfügung, wenn ihre Zahl prinzipiell auch nicht begrenzt ist.
Daher beruht die Klangerzeugung der modularen Synthesizer auf der so genannten subtraktiven Synthese, bei er ein oder mehrere Oszillatoren Einen Klang zur Verfügung stellen, der sämtliche (Sägezahn) oder wenigstens einen Teil (Rechteck) der Obertöne enthält. Mit Hilfe von spannungsgesteuerten Filtern und Verstärkern könne aus dem Obertonspektrum bestimmte Anteile herausgefiltert und verstärkt oder abgeschwächt werden. Grundsätzlich können die Filter so eingestellt werden, dass ihre Eckfrequenz analog der Tonhöhe folgt, oder aber einem festen Frequenzbereich zugeordnet ist. Auf diese Weise ist auch eine einfach Formant-Bildung möglich. Als Filter kommen, mitunter auch in Kombination, Tief-, Hoch- und Bandpassfilter zum Einsatz. Auch können die Filter durch eine von einem ADSR-Generator erzeugten Hüllkurve gesteuert werden. Die Wirksamkeit dieser Hüllkurve ist ebenso regelbar wie die Güte des Filters, der bei entsprechender Auslegung auch in Eigenresonanz geraten kann und damit selbst zum Tonerzeuger wird. Im Prinzip handelt es sich bei dieser Synthese also um eine besonders leistungsfähige Klangregelung. Nicht selten findet sich in Modulsynthesizern auch ein parametrischer Equalizer. Mehrstimmiges Tonerzeugung ist Synthesizern dieser Bauart indes nur unter großem Aufwand möglich.
Zu Beginn der 1980er-Jahre präsentierte die japanische Firma Yamaha ihre DX-Synthesizer vor, deren mehrstimmige Tonerzeugung auf der so genannten FM-Synthese beruht. Diese Form der Klangerzeugung war bereits Ende der 1960er-Jahre von dem Amerikaner John M. Chowning (* 1935) vorgestellt worden. Bei der FM-Synthese können mehrere gleichartige Sinuston-Oszillatoren, so genannte Operatoren, nach bestimmten Regeln, Algorithmen genannt, miteinander verschaltet werden. Jeder der Operatoren kann dabei als Audio-Oszillator oder als Steuerelement verwendet werden. Mehrere Operatoren mit unterschiedlich eingestellter Frequenz können dabei beispielsweise einen einzigen Audiooszillator steuern. Aufgrund der Tatsache, dass all diese Generatoren Frequenzen im Hörbereich erzeugen, kommt es zu Additionen, Auslöschungen und Differenzen. Die Tonerzeugung der FM-Synthese ähnelt damit in gewisser Hinsicht der eines Ringmodulators (Differenzmischer). Der Nachteil dieser Synthese ist, dass das Ergebnis schwer vorhersehbar und planbar ist. Die Synthesizer (u. a. Yamaha DX 7) dieser Bauart bieten eine Vielzahl von Klängen, die auf anderem Wege kaum zu erhalten sind. Die Domäne dieser Instrumente sind metallische Klänge.
Als im Laufe der 1980er-Jahren die Sample-Technik leichter verfügbar wurde, lag es nahe, diese Möglichkeit auf für Synthesizer zu nutzen. Eine neue Syntheseform war dazu nicht notwendig, denn die seinerzeit eingeführte multitimbrale Klangsynthese stellt die raffinierte Verbindung von Samples mit mittels subtraktiver Synthese erzeugter Klänge dar. Tatsächlich werden die Samples in aller Regle lediglich für die Einschwingvorgänge von Klängen verwendet, während der tragende Ton auf elektronischem Wege von Oszillatoren erzeugt wird. An dem Einschwingvorgang identifiziert der menschliche Hörapparat ein Instrument. Werden Samples von authentischen Instrumenten benutzt, so lassen sich eben diese Instrumente sehr überzeugend nachahmen. Der Vorteil der multitimbralen Synthese ist, dass für die Samples nur ein geringer Speicherbedarf anfällt. Als Ganzes stellt die multitimbrale, die unter vielen Namen vermarktet wurde, jedoch keine eigene Syntheseform dar.
Samples spielen auch bei der so genannte Granularsynthese eine zentrale Rolle. Das Sample ist dabei selbst nicht zu hören, sondern wird in kleine und kleinste Teile, Granulare genannt, zerschnitten. Die Granulare bilden das Grundmaterial für einen neuen Klang, der aus der freien Kombination der Granulare besteht. Die zugrunde liegenden Samples können dabei beliebiger Herkunft sein, müssen also nicht von Musikinstrumenten stammen.
Zwischen 1980 und 2000 eroberte die Digitaltechnik nicht nur die allgemeine Studiotechnik, sondern auch die der Klangerzeugung. Schon die DX-Synthesizer Yamahas arbeiteten teilweise digital, für die multitimbrale Synthese war ebenfalls die Digitaltechnik erforderlich, und die Granularsynthese ist überhaupt nur auf digitalem Wege möglich.
Die Sample-Technik erhielt seit Ende der 1990er-Jahre eine starke Konkurrenz in dem so genannten Physical Modeling, bei dem Klänge jeglicher Art – auch die von authentischen Musikinstrumenten – anhand von Modellen berechnet werden. Art und Verhalten eines mechanischen Klangerzeugers – etwa einer Saite – wie auch Art und Größe von Resonatoren sind dabei Größen, in die direkt eingegriffen werden kann. Die Möglichkeiten dieses an der Stanford-Universität in den USA und dem IRCAM-Institut in Paris entwickelten Syntheseverfahrens sind enorm und könnten die speicherintensive Sample-Technik zumindest in einigen Bereichen ersetzen.