Synthesizer

Synthesizer, von englisch to synthesize »synthetisch zusammensetzen«, Gruppe elektronischer Musikinstrumente (Elektrophone), die ihrerseits außerdem nach analog arbeitenden und nach digital arbeitenden Geräten unterschieden werden können; digitale Synthesizer können Hardware- oder Software-Synthesizer sein, während analog arbeitende Instrumente immer auf Hardware beruhen. Synthesizer können, müssen aber nicht über eine Tastatur verfügen. Synthesizer im heutigen Verständnis gibt es etwa seit Mitte der 1960er-Jahre, seitdem nehmen sie in der Rock- und Popmusik eine zentrale Stellung ein.

Idee der Klangsynthese

Die Idee des Synthesizers beruht auf der Überlegung, einen Klang anhand von Tonhöhe, Tondauer und Obertonspektrum zu definieren. Diesen Parametern werden entsprechende Baugruppen zugewiesen: Oszillatoren (Tonhöhe) stellen den Ton zur Verfügung, Filter (Obertonspektrum) dienen der Formung des Obertonspektrums, Verstärker der Regulierung der Tondauer. Für die Formung des Klanges sind außerdem diverse Hilfsmodule erforderlich, von denen das wichtigste der Hüllkurvengenerator ist, der vor allem der Festlegung von Oberton- und Lautstärkeverlauf dient und daher direkt auf Filter und Verstärker wirken kann.

Klangsynthese

Es sind verschiedene Prinzipien der Klangsynthese denkbar: Grundsätzlich wird zwischen additiver und subtraktiver Synthese unterscheiden. Bei der additiven Synthese wird ein Klang aus mehreren Sinus-Schwingungen verschiedener Frequenz zusammengesetzt; nach diesem Prinzip arbeitet etwa die Hammond-Orgel, doch gibt es inzwischen auch Synthesizer, die nach diesem Prinzip arbeiten können. Als Synthesizer wurden seit Mitte der 1960er-Jahre – mit der Markteinführung der Synthesizer Robert A. Moogs subtraktiv arbeitende Instrumente bezeichnet, bei denen ein Oszillator einen Ton mit allen Obertönen – also geradzahligen und ungeradzahligen – zur Verfügung stellt. Aus diesem Klang wird mittels eines oder mehreren Filtern das gewünschte Obertonspektrum gewonnen. Oszillatoren in subtraktiv arbeitenden Synthesizern stellen in der Regel also wenigstens Sägezahn-, Rechteck- und Sinusschwingung zur Verfügung.

Die FM-Technik stellt ein Klangsynthese-Verfahren dar, das auf Frequenzmodulation beruht: Im einfachsten Fall genügen dazu zwei Oszillatoren, die sich gegenseitig steuern; die Ausgangsspannung eines jeden Oszillators kann also als Tonfrequenzspannung wie als Steuerspannung betrachtet werden. Da die Frequenzen der beiden Oszillatoren dicht beieinander liegen, entstehen Schwebungen, die Klänge ermöglichen, die mit der herkömmliche subtraktiven Synthese nicht erreicht werde können. Die Grundlagen für die niederfrequente FM-Synthese ersann der amerikanische Komponist John Chowning Ende der 1960er-Jahre und formulierte sie 1973 aus. 1975 lizenzierte Yamaha das Patent und brachte 1983 den DX7-Synthesizer auf den Markt. Bei diesem Synthesizer können sechs Oszillatoren – hier Operatoren genannt – nach verschiedenen Algorithmen miteinander verschaltet werden. Die FM-Synthese ermöglicht die besonders überzeugende Generierung von metallischen und perkussiven Klängen.

Prinzipiell ist FM-Synthese mit analogen Oszillatoren möglich. Da musikalisch brauchbare Ergebnisse aber erst mit einer größeren Anzahl von Oszillatoren möglich sind, gleichzeitig mehrstimmiges Spiel eben diese Anzahl von Oszillatoren pro Stimme erfordert, sind FM-Synthesizer in der Regel digital ausgelegt; der jeweilige Klang, von der digitalen Tonerzeugung berechnet, wird mittels eines D/A-Wandlers hörbar gemacht.

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts kamen Syntheseformen auf, bei denen im ROM fest abgelegte Samples authentischer Instrumente mit den Tönen von herkömmlichen Oszillatoren verbunden wurden; üblicherweise wurde die kritische Einschwingphase eines Tones vom Sample übernommen – manchmal also nur Bruchteile von Sekunden lang -, der eigentliche Ton dann aber von einem Oszillator erzeugt. Auf diese Weise ließen sich besonders traditionelle Blasinstrumente überzeugend synthetisieren.

Mit Samples arbeitet auch die Wavetable-Synthese, die nur auf digitalem Wege möglich ist. Dabei wird von dem Klang, der erzeugt werden soll – das kann beispielsweise der Klang eine authentische Musikinstrumentes sein – eine Art Fingerabdruck genommen; dazu wird ein einziger Ton – meistens das c’ – als Referenzton digitalisiert. Eine Vielzahl der auf diese Art gewonnenen Wellenformen wird in einer virtuellen Tabelle gesammelt – dabei wird lediglich eine einzige Periode gespeichert -, die dann als Pool der generierbaren Klänge dient. Die verschiedene Wellen können also auf verschiedene Weise miteinander kombiniert werden. Die Klänge wiederum können auf üblichem Wege, etwa durch Filter, weiter verändert werden. Ein Nachteil des Verfahrens ist darin zu sehen, dass aus dem Referenzton alle anderen Tonhöhen berechnet werden. Je mehr also die Frequenz des gespielten Tones vom Referenzton abweicht, desto unnatürlicher klingt das Resultat. Der Grudn ist vor allem darin zu sehen, dass etwa bei authentischen Instrumenten die Formanten sich über den Tonumfang des Instrumentes verändern. Ist aber nur ein Formantspektrum vorhanden, so wird dieses auf jeden Ton angewendet und lässt damit den Ton in der Tiefe wie in der Höhe anders als erwartet und deshalb unnatürlich klingen. Abhilfe schafft die Bereitstellung mehrerer Referenztöne, beispielsweise eines Referenztones für jede Oktave. Konsequent zu Ende gedacht, ergibt sich die Notwendigkeit, für jeden Ton einen Referenzton zur Verfügung zu stellen – damit wäre das Instrument allerdings kein echter Synthesizer mehr, sondern ein Sample-Player.

Die Einfachheit des von dem Deutschen Wolfgang Palm entwickelten Verfahrens, der geringe Bedarf an Speicherplatz wie Rechenleistung, prädestinierte das Wavetable-Verfahren besonders für Soundkarten, doch sind auch avancierte nach diesem Verfahren arbeitende Synthesizer – etwa der Firmen PPG und Waldorf – gebaut worden. Wavetable-Synthesizer können besonders gut flächig wirkende Klänge, so genannte Pads erzeugen.

Einige Ähnlichkeit mit der Wavetable-Synthese hat die so genannte Granularsynthese. Auch bei diesem Verfahren kommen – beliebige – Samples zu Einsatz. Diese Samples werden in sehr kurze Abschnitte , so genannte Grains, zerlegt und gespeichert. Mittels geeigneter Programme können diese Sample-Bruchstücke nun wieder zusammengesetzt werden, der Klang also resynthetisiert werden. Dabei können die Grains auch mehrfach verwendet werden, so dass Veränderungen bezüglich Tondauer und Tönhöhe leicht möglich sind. Aber auch Manipulation von Ein- und Ausschwingvorgängen werden durch dieses Verfahren erlaubt, wie auch die mehr oder weniger willkürliche Kombination der Grains musikalisch brauchbare Klänge ergeben kann. Die Granularsynthese kommt nicht in Hardwaregeräten zum Einsatz, sondern – aufgrund der erforderlichen Rechenleistung – vornehmlich in Software-Synthesizern.

Das jüngste Verfahren ist das so genannte Virtual Modeling. Dabei werden die Parameter eines Klanges in allen Einzelheiten analysiert und diese Werte als Grundlage für ein Programm genutzt, das dann diesen Klang neu berechnet. Auf diese Weise ist ein Zugriff auf jeden Parameter des zwar künstlichen, aber nach einem authentischen Vorbild erzeugten Klanges möglich. Mit dem Virtual-Modeling-Verfahren können beliebige Klänge sehr authentisch synthetisiert werden; mittlerweile kann selbst der äußerst problematisch zu erzeugende Klang eines Klaviers nachempfunden werden.

Bauformen – Hardware und Software

Synthesizer, modular

Teilansicht eines modular aufgebauten Synthesizers (Fotolia)

Als Bob Moog Mitte der 1960er-Jahre seinen ersten Synthesizer vorstellte, wurde über das in mehreren kofferähnlichen Behältnissen untergebrachte Gerät noch gelächelt, es handele sich wohl um eine Tafel für Telefonvermittlung. Tatsächlich hatte Moog seine Instrumente für den Einsatz im Tonstudio vorgesehen und es daher in unabhängige Module unterteilt: Jedem musikalischen Parameter war ein Modul zugeteilt: Der Ton wurde von einem Voltage Controlled Oscillator erzeugt, dessen Obertonspektrum von einem Voltage Controlled Filter (VCF) verändert, die veränderte Tonspannung wiederum einem Voltage Controlled Amplifier übergeben, danach erfolgte die eigentliche Verstärkung zur Hörbarmachung des Tones. Wollte man einen Klang erzeugen, mussten die einzelnen Module mittels so genannter Patch-Kabel miteinander verbunden werden. Der Nachteil der ohnehin zeitraubenden Tätigkeit des Kabel-Steckens lag vor allem darin, dass einmal gefundene Einstellungen mühsam auf Papier protokolliert werden mussten, ein fehleranfälliges Verfahren. Da die Synthesizer von Anfang an das Interesse von Rockmusikern auf sich zogen, ging die Entwicklung des Gerätes schnell in mehrere Richtungen, die alle zum Ziel hatten, das Instrument musikalisch pragmatisch nutzen zu können: Es wurde mit einer Tastatur versehen, eine überschaubare Anzahl von Modulen wurde mit der Tastatur in ein Gehäuse montiert, die Module wurden fest miteinander verbunden. Mit der Tastatur wurde der Synthesizer auf die temperierte Stimmung festgelegt, obwohl das nicht zwingend notwendig war. Als weitere Eingabegeräte, Controller genannt, kamen der Ribbon-Controller – eine Art groß dimensionierter Schiebewiderstand -, der Drum Controller, mit dem ein Synthesizer von einer Trommel aus getriggert werden konnte, und schließlich der Gitarrensynthesizer, der als Eingabemöglichkeit eine speziell ausgerüstete Gitarre vorsah, in Frage.

Weitere Entwicklungen betrafen die Möglichkeit des Speicherns von Klängen (Memorymoog) und Mehrstimmigkeit des zunächst nur einstimmig spielbaren Instrumentes (Polymoog). Zwar gab es weiterhin modulare Systeme, doch boten die meisten Hersteller analog zum Minimoog abgeschlossene Geräte an. Allerdings traten auch Firmen auf den Plan, die so genannte Expander herstellten, mit denen die kompakten Geräte erweitert werden konnten. Diese Expander hatten keine eigene Tastatur, sondern wurden mit einem mit einer Tastatur versehenen Synthesizer verbunden.

Mit der Einführung von MIDI 1982 konnte diese Möglichkeit noch ausgeweitet werden: Synthesizer werden seitdem häufig in Tastatur-Versionen und als so genannte Sound Module, Rack Synthesizer oder Expander angeboten, die durchweg keine eigene Tastatur haben, sondern mittels eines Master Keyboards gespielt werden.

Mit der im Laufe der Jahre gestiegenen Rechenleistung von Kleincomputern wurde es im Laufe der 1990er-Jahre möglich, so genannte Software Synthesizer zu programmieren. Die Entwicklung auf diesem Gebiet verlief in zwei Richtungen: Einerseits wurden Software-Versionen bekannter Synthesizer – wie etwa die Moog-Modelle – nachprogrammiert, meist mit einer fotorealistisch dem Vorbild nachempfundenen Oberfläche. Selbst monophone Vorbilder konnten auf diese Weise zu polyphonen Instrumenten gemacht werden.

Eine andere Entwicklung ergab neue Synthesizer, geradezu ganze Synthesizer-Sammlungen, die mitunter nur auf eine einzige Aufgabe zugeschnitten waren und beispielsweise besonders gut tiefe Töne erzeugen konnten. In diese Richtung ging auch die Entwicklung von Baukastensystemen, mit deren Hilfe sich ein Musiker selbst einen Synthesizer mit speziellen Möglichkeiten zusammenstellen kann.

Der Synthesizer in Rock und Pop

Es ist keine Frage, dass der Synthesizer allein aufgrund des Einflusses von Rock- und Popmusikern zu dem wurde, was er heute ist. Der von Moog gebaute Synthesizer war ein offenes System, das in jedweder Art elektronischer Musik einsetzbar war. Die Forderungen der Rockmusiker – vor allem derjenigen, die zum Progressive Rock gezählt werden – gingen aber in eine andere Richtung. Sie benötigten ein Instrument mit einer Tastatur und sie benötigten ein Instrument, das orchestrale Klänge erzeugen konnte. Die ersten Synthesizer konnten diese Forderungen nicht erfüllen. Zwar ließen sie sich über eine Tastatur spielen, aber nur monophon. Dieser Umstand verhinderte auch, dass das Instrument »irgendwie« mit dem Klang eines Orchesters in Verbindung gebracht werden konnte. Das Dilemma lässt sich an zwei Aufnahmen der Band Emerson, Lake & Palmer ablesen: »Pictures at an Exhibition« (1971) ist eine Konzertaufnahmen und demonstriert, dass der Synthesizer auf der Bühne lediglich imposante und damals unerhörte Klänge lieferte, aber keine harmonische Basis bilden konnte. Die im gleiche Jahr veröffentlichte LP »Tarkus« dagegen zeigt alle Möglichkeiten des Instrumentes, doch mussten dafür zahlreiche Tonbandspuren bespielt werden. So war einige Jahre lang unentschieden, ob der Synthesizer nur eine Art besonders leistungsstarke »Sound Orgel« bleiben würde oder aber tatsächlich das revolutionäre Instrument sein konnte, als das er angekündigt worden war. Wie so oft erfüllte die Zeit alle Anforderungen an das Instrument – es ist nun polyphon, es kann authentische Klänge jedweder Art nachahmen und es kann jeden Klang speichern. Von der ursprünglichen Idee des Synthesizers als Klangbaukasten ist nicht mehr viel übrig geblieben, wenn auch die meisten Synthesizer mehr oder weniger schwierig programmiert werden können.

Musiker und Firmen

Seit Mitte der 1960er-Jahre haben sich viele Musiker mit dem Synthesizer auseinandergesetzt und zum Teil erheblichen Einfluss darauf genommen, wie er in den Kontext einer Rockband eingefügt werden kann. Zu diesen Musikern gehören Keith Emerson, Rick Wakeman, Steve Winwood, Richard Barbieri, Rick Wright, Gary Numan (Tubeway Army), Geoff Downes, Thomas Dolby, Brian Eno, Klaus Schulze und die Bands The Yellow Magic Orchestra, Orchestral Manœuvres in the Dark, The Human League, Tangerine Dream, Ultravox, Depeche Mode, Kraftwerk. Wesentlichen Anteil an der Popularisierung des Instrumentes hatte Walter Carlos – später Wendy Carlos – mit seiner LP »Switched on Bach« (1968) – Rockmusik lehnte er allerdings ab.

Wenn auch Bob Moog die Schlüsselfigur in der Entwicklung eines für musikalische Zwecke brauchbaren Synthesizers war, so war er nicht der erste, der einen Synthesizer baute. Bereits 1954 hatte Harry Olsen für die amerikanische RCA einen Synthesizer gebaut, ein imposantes Gerät, das über zwei Tastaturen verfügte und mittels Lochstreifen programmiert werden konnte. Etwa zeitgleich mit Moog hatte Don Buchla (* 1937) auf Anregung der Komponisten Morton Subotnick und Ramon Sender einen modular aufgebauten Synthesizer konstruiert, den er ab 1966 in Serie herstellte und unter dem Namen Buchla Series 100 verkaufte; Buchlas Instrumente erreichten allerdings nie den Bekanntheitsgrad der Moog-Geräte.

Als sicher war, dass der Synthesizer als Musikinstrument überleben würde, wandten sich viele Hersteller der Produktion von Synthesizern zu. Einer der ersten war Tom Oberheim, der Expander für die Moog-Synthesizer baute, bald aber auch eigene Instrumente vorstellte. Ein weiterer Hersteller, der in Konkurrenz zu Moog trat, war ARP. Diverse japanischen Firmen, darunter Roland, Yamaha, Korg und Kawai stellten eigene Synthesizer vor und investierten viel Energie und Geld in die Konstruktion neuartiger Instrumente. In jüngerer Zeit kamen Firmen wie Doepfer, Clavia, Jomox, Alesis und Waldorf hinzu, Software-Synthesizer wurden etwa von den Firmen Arturia und Native Instruments vorgestellt.

Literatur

Bacon,Tony: Rock Hardware – The Instruments, Equipment and Technology of Rock; 1981
Doerschuk, Bob (Hg.): Rock Keyboard; New York 1985
Rusckowski, André: Elektronische Klänge und musikalische Entdeckungen
Becker, Matthias: Synthesizer von gestern; Augsburg 1990

Weblinks

www.buchla.com (Offizielle Website der Firma Buchla & Associates)
www.bobmoog.com (Ofizielle Website von Robert A. Moog)
www.moogfoundation.com (Offizielle Website der Bob Moog Stiftung)
www.moogmusik.com (Offizielle Website des amerikanischen Synthesizer-Herstellers Moog Music)
www.vintagesynth.com (Website mit detaillierten Informationen zu diversen Synthesizern)