Cyborgs Synthesizerwissen
Kompakt
Teil 1: Einführung und Grundlagen der Akustik

 CYBORG SYNTHESIS  ©     (AUSGABE 1982-2002)
Die kommerzielle Nutzung der vorliegenden Texte, auch auszugsweise, bedarf
der ausdrücklichen Zustimmung des Autors. Ich berufe mich auf das Urheberrecht.
   (Gerichtsstand Dillingen/Donau)
Erklärende Klangbeispiele, zusätzliche und bessere Abbildungen, Patches, Querverweise,
historisches u.v.a. gibt es aus Platzgründen nur auf der Kurs-CD!

Ooch - nicht schon wieder lernen !
         Was ist der Grund weshalb man sich als Synthesizeranwender unbedingt näher mit der technischen Seite dieses Instrumentes befassen sollte? Hört man nicht von vielen : "Dieses nüchterne Wissen tötet nur das musikalische Feeling !" Schöner Spruch - aber dumm !
          Dahinter steckt meist nur die Rechtfertigung für das Unvermögen mit der Elektronik eines Synthesizers zielgerichtet umzugehen. Jedem Laien wird es nach relativ kurzer Zeit möglich sein, einem der kleineren Standardsynthesizer 
irgendwelche Klänge zu entlocken. Nun ist das aber auch mit jedem anderen Instrument möglich, nur mit dem Unterschied. das nahezu jeder kritische Hörer ungefähr einen Maßstab für die Möglichkeiten von Klavier, Violine usw. hat und so relativ leicht Könner und Scharlatan unterscheiden kann. Für die synthetisch erzeugten Klänge sind diese Maßstäbe noch immer nicht so  stark ausgeprägt. So kommt es dann auch, daß man noch immer viele Hörer mit uralten  Synthy-Gags  in  Erstaunen versetzen  kann. Doch  gerade die gewollte Auswahl von K1ängen und Geräuschen ist ein wesentlicher Bestandteil des künstlerischen Schaffens. Ohne das notwendige elektroakustische Grundwissen und einiges an Übung wird der Synthesist unter der Technik nur leiden weil sie ständig seiner Kontrolle entgleiten, sein musikalisches Konzept jederzeit zerstören kann.
          Dem Leser und Praktiker möchte ich deshalb die Möglichkeit geben, sich durch Studium dieser Texte ein Grundwissen anzueignen, das ihn befähigen sollte den Synthesizer als Instrument zur Klangsynthese zu beherrschen wie es auch von Synthesisten aus aller Welt bekannt ist. Das Wichtigste sollte uns stets der Ausdruck der Musik sein und bei unserem auserwählten Hauptinstrument gehört nun mal im wesentlichen der Klang desselben dazu. Ich werde versuchen die Erklärungen so einfach  wie  möglich zu  gestalten. Manchmal leidet vielleicht der Stil meiner ohnehin holprigen 'Schreibe' darunter - aber ich bin überzeugt, daß man es so beim Lernen leichter hat. Nebenbei lege ich auch keinen Wert auf eine Erwähnung im Literarischen Zirkel mit Herrn Reich-Ranicki (!!)

Viel Erfolg und Spaß beim Experimentieren wünscht Euch
                                                        Lutz von CYBORG - SYNTHESIS



Aufbau des Kurses
         In diesem Kurs soll versucht werden, fundiertes Hintergrundwissen über die Technik und Anwendung analoger Synthesizer-Systeme zu vermitteln. Das bedeutet, daß ich weder auf digitale noch auf MIDI - Geräte eingehen werde - dazu wäre dann ein weiters Buch nötig, außerdem möchte ich ja gerade zur kreativen Arbeit mit Synthesizern anregen und Menschen aus dem Irrweg: Sounds kaufen - laden - benutzen herausführen.
        Ich werde diese Texte genauso systematisch aufbauen wie es bei unseren „Live-Kursen" üblich war. Begonnen wird daher mit der Erklärung der Synthesizer-Idee und etwas „Geschichte" Als nächstes gibt es dann einiges über die Grundlagen der Elektrotechnik und Akustik zu erfahren, dann folgen die Beschreibungen der einzelnen Baugruppen eines Synthesizers. Das Zusammenwirken der einzelnen Funktionsgruppen in einem System ergibt sich nach und nach fast von alleine. Meine Neigung zu modularen Systemen möge man mir nachsehen, in diesem Punkt bin ich einfach unbelehrbar. Die Frontplatten der Baugruppen, die weiter hinten im Buch zu sehen sein werden, habe ich  selbst entworfen damit möglichst viele Begriffe besser „begreifbar" werden. (ich wünschte mir nur, jemand würde mir solche Module zu bezahlbaren Preisen bauen können)
       Wichtige Stichworte sind im Stichwortverzeichnis nachzuschlagen, auch kann es hilfreich sein, auf die Querverweise auf andere Textstellen zu achten. Ansonsten möge der geneigte Leser mir meinen ungeübten Schreibstil nachsehen, sich jedoch glücklich schätzen dürfen, sich nicht obendrein auch noch mit meiner Handschrift - Kenner nennen das SAUKLAUE - auseinandersetzen zu müssen. (auch wieder so eine schöne, verstaubte Formulierung, die hier einfach stehen mußte, auch wenn ich mich mit dieser Warnung wiederhole)
 

Die Synthesizer - Idee
        Die Idee zum Synthesizer in der heutigen Form kam Mitte der 60ziger Jahre von den Herren Robert Moog und Buchla aus den USA. Das Hauptmerkmal der Instrumente ist die Trennung der einzelnen, zur Klangsynthese notwendigen elek-tronischen Baugruppen. Man spricht von einer „Modularisierung". Den Musikern soll damit die Möglichkeit gegeben werden, die Art und Anzahl der Module seinen Bedürfnissen entsprechend, beliebig zu kombinieren. Das tollste daran ist jedoch die Tatsache, daß man für die Bedienung dieser Synthesizer kein Elektronikstudium absolviert haben muß.
       Damit Funktionsabläufe bei der Klangsynthesen nicht nur manuell, sondern auch automatisch oder gar programmierbar  gesteuert werden können, ist es notwendig, alle elektrischen Vorgänge im Synthesizer zu vereinheitlichen. Aus Gründen der recht einfachen Handhabung bei der Konstruktion und Bedienung der Wunderkisten wählte man die elektrische Spannung als einheitliche Steuergröße aus. Die Spannungen mit denen es der Synthesist in seinem kargen Alltag zu tun hat sind selbstverständlich von ihrer Höhe her völlig ungefährlich, Isolierschuhe und Gummihandschuhe dürfen also getrost im Schrank bleiben. Andererseits muß bedacht werden, das diese nicht durch äußere Einflüsse wie Sender, Magnetfelder o.ä. gestört werden können -  doch dazu später mehr !
 

Ohne Analyse keine Synthese !
       Tagtäglich dringen Tausende der unterschiedlichsten Schallereignisse auf uns ein. Dieser Schall kann angenehm sein und Freude vermitteln oder aber unglaublich nerven und auf die Dauer körperlich und psychisch krank machen. Aber in einem Punkt haben sie etwas gemeinsam:  Schall wird durch ein Übertragungsmedium ,  meistens also durch die Luft vom Schallerzeuger zu unseren Ohren transportiert.  Also doch keine Ballerei im Weltraum !?
         Schall breitet sich wellenförmig, ähnlich wie Wellen auf dem Wasser aus. Er pflanzt sich in der Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 330 Metern in der Sekunde fort. Diese Schallgeschwindigkeit ist jedoch stark abhängig von der Beschaffenheit des Übertragungsmediums. Sie ist zum Beispiel im Wasser oder in Metallkörpern wesentlich höher, und sogar Lufttemperatur und Feuchte verändern die Schallgeschwindigkeit. Achtet einfach mal das nächste Mal beim Schwimmen in freien Gewässern darauf wie gut das Wasser den Schall von den Motoren der Sportboote leitet - man hört sie unter Wasser bereits, bevor sie über Wasser zu vernehmen sind. Überhaupt, die Anmerkung sei mir gestattet, schult es ungemein das Gehör wenn man sich angewöhnt, Klänge nicht nur oberflächlich wahrzunehmen, zu konsumieren, sondern sie bewußt zu hören und versucht, Schallereignisse in einzelne Phasen und Merkmale zu unterteilen. Das muß ja nicht gleich zur fixen Idee werden, es hilft aber wirklich enorm in unserem Vorhaben, Meister der Klangsynthese zu werden. Denn ohne Analyse - keine Synthese !  Bevor wir jedoch darangehen, unsere Fans mit dem ultimativen Wahnsinnssound zu beglücken, muß uns klar werden, was einen Klang überhaupt ausmacht.

Schwingungen
        Also: Schallschwingungen entstehen zum Beispiel durch schnelles hin- und herpendeln eines Körpers um eine Ruhelage. Dieses Pendeln hält solange an, bis die gesamte Bewegungsenergie des schwingenden Körpers aufgebraucht ist. Das klingt kompliziert , ist es aber nicht, wie ein Versuch zeigen kann: Nehmen wir eine möglichst große Stimmgabel für einen tiefen Ton und befestigen an einem ihrer Schenkel eine kleine Metallspitze (Büroklammer o.ä.). Wenn man nun diese Stimmgabel anschlägt und die Me-tallspitze zügig über eine rußgeschwärzte Glasplatte zieht, kratzt sie eine Spur in die

Abb. 1
Abb.2

Oberfläche. (Klappt auch ganz toll auf einem hochglanzpolierten Biedermeier -Schränkchen,). Die Abb.2 stellt einen Ausschnitt der beschriebenen Schwingung dar.
         Schauen wir uns diese Spur (Abb.2) genauer an: Sie zeigt einen, sich wiederholenden, regelmäßigen Schwingungsvorgang, der mit dem Ausklingen der Stimmgabel immer schwächer wird. Eine komplette Schwingung, also die Auslenkung der Stimmgabel vom Nullpunkt (Ruhelage)  zu der einen Seite, zurück und über den Nullpunkt hinaus zur anderen Seite und erneut zurück zum Nullpunkt, bezeichnet man als eine Periode. Dazu die Abb. 3
Abb 3
1 Periode = 1 Welle = 2 Halbwellen 
Begriffe wie Periode, Schwingung und Wellen sollten vorerst geklärt sein, höchste Zeit uns eine weitere wichtige Eigenschaft einer Schallschwingung anzusehen:  

Ein Baß, den man schmecken kann !?
       Nun, schmecken ist natürlich Unsinn, aber es gibt Schwingungen die man eher fühlen als hören kann. (Ein befreundeter Bassist war erst so richtig glücklich mit seinem „Sound" wenn den Leuten im Publikum richtig schlecht wurde - so wurden die Gedärme geschüttelt von seinem 400 Watt- Ampeg!)
       Als Schall können Menschen Schwingungen nur wahrnehmen, wenn sie die einzelnen Wellen in der Sekunde zwischen 16 und etwa 16000 mal wiederholen. Die Maßeinheit mit der die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, die Frequenz, angegeben wird ist die Einheit Hertz, benannt nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz.  Der Hörbereich des Menschen umfaßt im Durchschnitt etwa 16 bis 16000 Hertz und ist sowohl abhängig vom Alter (Kinder hören bis 20000 Hertz) wie auch von eventuellen Schäden durch zu laute Musik oder andere Umwelteinflüsse. Mein ernst gemeinter Rat: Wenn sich übermäßige Lautstärken nicht vermeiden lassen, tragt einen Gehörschutz - die gibt’s nicht nur als klobige „Kopfhörer" sondern auch als praktisch unsichtbare Dämpfer und werden von sehr vielen Profimusikern bei Bühnenacts benutzt. Das Gehör ist unser wichtigstes Werkzeug und nicht viele werden wohl die Fähigkeiten eines Beethoven haben, der, wie bekannt sein dürfte, trotz späterer Taubheit weiter komponierte.

Die Maßeinheit Hertz schreibt man abgekürzt Hz
Hertz       =  Hz    = 1            Hz / Schwingung  pro Sekunde
Kilohertz   =  kHz   = 1000         Hz
Megahertz   =  MHz   = 1000.000     Hz
Gigahertz   =  GHz   = 1000.000.000 Hz
 

Auswahl von Frequenzen im Hörbereich
(physikalische Stimmung)

tiefster Orgelton , „Subcontra - C"     16 Hz
Netzbrummen alter Radios               100 Hz
Normstimmton (Kammerton A)             440 Hz
Normpegel / Meßton                    1000 Hz
viergestrichenes „C"                  2048 Hz

 Aber damit keine Mißverständnisse aufkommen: Wir werden es beim Synthesizer nicht nur mit hörbaren Schwingungen zu tun bekommen, es ist wichtig dies nicht zu vergessen !
 

Laut oder leise, nur eine Frage des Musikgeschmacks ?
         Zugegeben, sogenannte volksdümmliche Musik zum Beispiel, ist für meinen Geschmack bereits dann zu laut, wenn man sie gerade vernehmen kann aber das zählt hier nicht. Hier geht es einzig und allein um die dritte Größe bei dem Stimmgabelexperiment.
         Man kann neben der periodisch wiederkehrenden Schwingung auch gut erkennen, daß die ersten Wellen  größer waren als die nachfolgenden. Sie haben eine, im Lauf der Zeit abnehmende Intensität. In unserem Fach spricht man von der Amplitude einer Schwingung um deren Stärke zu beschreiben. In der Akustik nennt man das ganz volkstümlich Lautstärke.
         Bei den Beschreibungen der Synthesizerbaugruppen reden wir jedoch immer über elektrische Schwingungen und Größen. Zu Schallwellen, zu einem Klang wird das alles erst wieder viel später durch die Umwandlung der elektrischen in mechanische Schwingungen z.B. durch einen Kopfhörer. Bei diesen elektrischen Schwingungen handelt es sich um solche, die um einen willkürlich (relativen) Nullpunkt schwingen. Als Ergänzung für alle, die es noch genauer wissen möchten: Die Abbildung 4 stellt die Empfindlichkeit des menschlichen Gehörs in Abhängigkeit zwischen Frequenz und Lautstärke dar. Keine Sorge, das ist keine notwendige Information, wie gesagt: Zu erkennen ist, daß das Gehör am empfindlichsten im Bereich um 3000 Hz ist (mittlere Sprachfrequenz). Die extrem hohen oder tiefen Töne werden deutlich schlechter wahrgenommen.

Frequenz! Amplitude! ... ? und wo bleibt der Klang ?
      Verschiedene Schwingungen können wir nun schon durch zwei Parameter (Größen) unterscheiden. Das sind bis jetzt die Frequenz und die Amplitude. Schön und gut - aber wenn nun ein Pianist, ein Gitarrist und ein Synthesist jeweils einen Ton identischer Tonhöhe und Lautstärke erzeugen, klingen die Ergebnisse dennoch völlig unterschiedlich, woran liegt das denn nun? Die Unterschiede einfach damit zu „erklären", daß verschiedene Instrumente natürlich auch einen unterschiedlichen Sound haben, ist mindestens dürftig, wenn nicht sogar einfältig.
       Die Physik-Cracks unter den Lesern werden schon schmunzeln. Ganz klar, sagen sie: Es liegt in der Form der Schwingungen denn nicht alle sehen so schön gleichmäßig geformt aus wie die bisher in den Abbildungen dargestellten. Alle Schwingungsformen (Wellenformen), egal wie chaotisch sie auch aussehen mögen, bestehen aus einer Mischung von diesen schönen glatten Wellen, den Sinuswellen. Jede dieser Einzelschwingungen kann eine andere Frequenz (Tonhöhe) und Amplitude (Intensität, Lautstärke) haben. Sie mischen sich durch Addition zu einer resultierenden Wellenform. Wichtig ist es nie zu vergessen:
FREQUENZ und AMPLITUDE sind unabhängige Größen
      Das heißt, bei einer beliebigen Schwingung kann die Wellenform, die Frequenz oder die Amplitude geändert werden, ohne daß sich dabei einer der anderen Parameter ändert. (Im Arbeitsbereich von Synthesizern sollte das jedenfalls so sein!) Doch bevor wir näheres über Elektroakustik erfahren, sollten zuvor drei wichtige, häufig leider falsch gebrauchte Begriffe erklärt werden: Jedes Schallereignis läßt sich in eine der drei folgenden Kategorien einordnen:

       Ein Tonhat zu jeder Zeit eine eindeutige Frequenz die man hören oder z.B. mit einem Frequenzzähler messen kann. Streng physikalisch gesehen ist eigentlich nur eine reine Sinusschwingung als Ton anzusehen weil alles andere ja bereits Mischungen sind (s.o.). In der Praxis der Klangsynthese ist es jedoch sinnvoll, auch andere, in der Frequenz eindeutig bestimmbare Schallereignisse als TON zu bezeichnen.

       Während ein Ton theoretisch über eine unendlich lange Zeit hinweg konstant sein kann, verändert sich bei einem Geräusch die Mischung der Sinuswellen, (meist auch deren Frequenz und Amplitude) rasend schnell und heftig über den ganzen Zeitraum des Schallereignisses. Als  Beispiele seien hier Donner, Schüsse, Wasserplätschern, Windrauschen usw. genannt. Bei keinem dieser Geräusche läßt sich eine eindeutige Frequenz erkennen.

       Ein Gemisch aus einem oder mehreren Tönen und Geräuschen wird Klang genannt wenn die Frequenzen der tragenden Töne noch klar zu definieren sind. Bei einem Schlagzeugklang sind zum Beispiel die Geräuschanteile extrem hoch, die Grundtöne sind jedoch noch so gut wahrnehmbar, daß man die Trommeln gut stimmen muß, damit es im Zusammenspiel gut klingt. Bei einer Flöte überwiegt deutlich der tonale Anteil - man muß genau hinhören um das Blasgeräusch, verursacht durch die strömende Luft, wahrzunehmen.

Klangräume
       Bei allen Schallereignissen muß man noch das akustische Umfeld beachten. Durch Brechung und Reflexion der Schallwellen in verschiedenen Räumen entstehen jeweils typische, akustische Phänomene wie z.B. Hall und Echo. Für eine perfekte Klangsynthese bedient man sich heute modernster Technik zur Raumsimulation. Aber auch elektromechanische Gerätschaften wie Federhall-Systeme und Bandechomaschinen  werden noch eingesetzt um eine möglichst große Spannweite der Klanggestaltung zu haben. Wie schwierig es ist, diese „Effekte" gezielt und gut dosiert einzusetzen und wie leicht es ist, eine hervorragende Komposition im Hallbrei zu ertränken, weiß jeder Tontechniker zu berichten, andererseits gibt es eine Vielzahl von Musikproduktionen, die Dank der Genialität der Tontechniker überhaupt erst eine Chance auf dem Musikmarkt haben:  Federhallsysteme, Hallplatten, Hallräume, Digitale Hallgeräte, Raumsimulatoren, Bandecho, Scheibenecho, Digitale Echogeräte, Exiter, Phaser, Flanger, Verzerrer, Entzerrer, Chorusgeräte, Harmonizer, Equalizer, Denoiser, Kompressoren, Limiter u.v.a.m.  All diese schönen elektronischen Zauberkästen werden nicht nur in modernen Studios eingesetzt um aus einer mehr oder weniger gelungenen Komposition dann doch noch ein „gigantisches Klangmärchen" machen. Besonders verbreitet ist diese „Tugend" bei den Anhängern des sogenannten NEW AGE.
   So, weiteres Gelaber hierzu fällt mit sofortiger Wirkung unter den Tisch, auch hierzu könnte man ein Buch schreiben.