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Synthesizer und Sounddesign #1 – Oszillatoren

Bevor wir mit der Programmierung von Sounds beginnen, beschäftigen wir uns in den ersten drei Folgen des Crashkurses Synthesizer und Sounddesign mit den Grundlagen. Diese sind für das weitere Vorgehen von großer Bedeutung und bilden eine hilfreiche Basis für das anschließende Erstellen eigener Sounds. Bevor wir also mit dem eigentlichen Programmieren beginnen, werfen wir einen kurzen Blick auf die wichtigsten Bausteine eines Synthesizers. Heute geht es um die Keimzelle eines jeden Synthesizer-Sounds – den Oszillator.

Synthesizer und Sounddesign #1 - Oszillatoren.
Synthesizer und Sounddesign #1 – Oszillatoren. (Quelle: Shutterstock/Von Divisual Jo)

Als Herzstück eines Synthesizers ist der Oszillator für den eigentlichen Klang verantwortlich. Er bildet sozusagen die Stimme des Synthesizers, die durch zusätzliche klangformende Bausteine weiter geformt wird.

Inhalte
  1. Welche Aufgabe hat der Oszillator beim Synthesizer?
  2. Welche Arten von Oszillatoren bieten Synthesizer?
  3. Grundschwingungsformen bei Synthesizer-Oszillatoren
  4. Regler in der Oszillator-Sektion von Synthesizern
  5. Tonhöhenmodulation (Pitch Modulation)
  6. Pulsbreite und Pulsbreitenmodulation
  7. Oszillator im Synthesizer – Suboszillatoren
  8. Zum Schluss

Welche Aufgabe hat der Oszillator beim Synthesizer?

Bei fast allen Synthesizern bilden ein oder mehrere Oszillatoren die Grundlage der Klangerzeugung. Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung (oder ihre digitale Emulation), die eine elektrische Schwingung mit einer bestimmten Schwingungsform und einer einstellbaren Frequenz erzeugt. Diese Schwingungen bilden dann die Grundlage für den Klang eines Synthesizers. Die Schwingungen werden anschließend noch durch die anderen Bausteine des Synthesizers wie Filter und Hüllkurven auf verschiedene Weise geformt und verändert. Dadurch wird infolge eine Vielzahl von Klängen möglich. Ohne Oszillatoren funktioniert bei einem Synthesizer also nichts, und deshalb sind sie das Thema der ersten Folge dieses Workshops.

Synzthesizer & Oszillatoren: Oszillatoren des Minimoog Synthesizers
Oszillatorsektion des Moog Minimoog Model D mit drei VCOs. (Quelle: Bonedo)

Welche Arten von Oszillatoren bieten Synthesizer?

Je nach Art der Klangerzeugung sind in einem Synthesizer verschiedene Arten von Oszillatoren eingebaut. Es gibt allerdings noch weitere, aber diese fünf Typen sind die, die man in gängigen Synthesizern in der Praxis am häufigsten antrifft.

  • VCO (Voltage Controlled Oscillator): Analoger, spannungsgesteuerter Oszillator. Eine spezielle elektronische Schaltung, die eine bestimmte Schwingungsform mit einstellbarer Frequenz erzeugt. Er kann aus einzelnen Bauelementen (diskret) oder aus einem integrierten Schaltkreis (IC / Chip) bestehen. Die Frequenz wird dabei durch eine Steuerspannung geregelt, die von der Tastatur und/oder einem oder mehreren anderen Bauteilen des Synthesizers vorgegeben wird.
  • DCO (Digitally Controlled Oscillator): Obwohl dieser Typ das Wort “digital” im Namen trägt, handelt es sich um einen analogen Oszillator. Der Unterschied zum VCO besteht darin, dass die Frequenz digital überwacht und gesteuert wird. Da VCOs vor allem in frühen Synthesizern nicht sehr stimmstabil waren, suchte man nach einer Möglichkeit, die Stimmprobleme in den Griff zu bekommen. Das Ergebnis war der DCO, der vor allem in analogen Synthesizern der frühen 1980er Jahre, wie z. B. der Roland Juno-Serie, zum Einsatz kam. Die Bedienung unterscheidet sich in der Regel nicht vom VCO.
  • Virtuell-analoger Oszillator: Ein digitaler Oszillator, der das Verhalten eines analogen Oszillators durch Physical Modeling nachbildet. Er bietet die gleichen Schwingungsformen und Einstellmöglichkeiten wie ein typischer analoger Oszillator, arbeitet aber nicht mit analogen elektronischen Bauteilen. Stattdessen kommt ein DSP (Digitaler Signalprozessor) zum Einsatz, der den Klang mit Hilfe von Algorithmen in Echtzeit berechnet. Die Bedienung unterscheidet sich in der Regel nicht von der eines analogen Oszillators.
  • Sampling-Oszillator: Sample-basierte Synthesizer und viele Workstations arbeiten mit Oszillatoren, die keine Grundschwingungsformen erzeugen, sondern zuvor aufgenommene und im Speicher des Synthesizers abgelegte Samples in einer vorgegebenen Tonhöhe abspielen. Auf diese Weise war es Ende der 1980er Jahre möglich, die Klänge akustischer Instrumente einigermaßen realistisch zu reproduzieren. Statt einer Grundschwingungsform wird bei einem Sampling-Oszillator das abzuspielende Sample aus dem Speicher des Synthesizers ausgewählt, transponiert und je nach angeschlagener Taste in unterschiedlichen Tonhöhen abgespielt.
  • Wavetable-Oszillator: Ein Wavetable-Oszillator arbeitet wie ein Sampling-Oszillator mit digital gespeicherten Wellenformen. Anders als beim Sampling handelt es sich dabei aber nicht um Aufnahmen akustischer Instrumente oder anderer Klänge, sondern um eine “Palette” verschiedener Schwingungen, die vom Oszillator auf unterschiedliche Weise durchlaufen und wiedergegeben werden (vorwärts, rückwärts, in einer Schleife, vor und zurück usw.). Dadurch ergeben sich interessante Klangfarben und -verläufe mit Obertonspektren, die analoge Oszillatoren nicht bieten können.

In diesem Workshop beschäftigen wir uns mit den Oszillatoren typischer analoger und virtuell-analoger Synthesizer, die nach dem Prinzip der subtraktiven Synthese arbeiten. 

Tipp: Mehr zur Funktionsweise der verschiedenen anderen Synthese- und Oszillatortypen erfährt man in unserem Workshop Top 5 Syntheseformen bei Synthesizern.

Synthesizer &  Oszillatoren: DCO des Roland Juno-60
Der DCO des Roland Juno-60 mit gleichzeitig anwählbaren Sägezahn- und Rechteckschwingungen sowie einem Suboszillator. (Quelle. Bonedo)

Grundschwingungsformen bei Synthesizer-Oszillatoren

Die Oszillatoren analoger Synthesizer erzeugen eine Reihe verschiedener Schwingungsformen, die oft als Wellenformen bezeichnet werden. Welche dieser Wellenformen bei einem bestimmten Synthesizer zur Verfügung stehen, ist von Instrument zu Instrument unterschiedlich. Insbesondere bei älteren Synthesizern ist die Auswahl oft eingeschränkt, während bei modernen analogen und virtuell-analogen Synthesizern meist alle Grundschwingungsformen (und ggf. Mischformen) vorhanden sind. Die vier wichtigsten Grundschwingungsformen, die bei Synthesizern am häufigsten vorkommen, sind:

  • Sägezahn (Sawtooth, Saw, Ramp)
  • Rechteck (Square, Pulse)
  • Dreieck (Triangle)
  • Sinus (Sine)
Vier Grundschwingungsformen Sägezahn, Rechteck, Dreieck und Sinus
Die vier Grundschwingungsformen Sägezahn, Rechteck, Dreieck und Sinus (quelle: Lasse Eilers)

Sägezahn, Rechteck, Dreieck und Sinus Schwingungsformen

Die Schwingungsformen unterscheiden sich in ihrem Obertonspektrum und damit in ihrer Klangfarbe. Ein Sägezahn hat viele Obertöne und klingt hell und scharf. (Bsp.. Trompete) Eine Rechteckschwingung hat ebenfalls viele Obertöne, aber im Idealfall nur die mit ungeraden Ordnungszahlen, also die erste, dritte, fünfte und so weiter. Dadurch ergibt sich ein anderer Klangcharakter, der oft als “hohl” empfunden wird (Bsp. Klarinette). Sägezahn- und Rechteckschwingungen eignen sich zudem wegen ihrer großen Anzahl von Obertönen und ihres breiten Frequenzspektrums sehr gut für eine weitere Bearbeitung durch ein Filter, mit dem man bestimmte Frequenzanteile aus dem Klang herausfiltert (subtraktive Synthese).

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Sägezahnschwingung (Saw) Rechteckschwingung (Square)

Die Dreieckschwingung verfügt ebenfalls nur über ungerade Obertöne, die jedoch wesentlich schwächer ausgeprägt sind als beim Rechteck. Dadurch klingt die Dreieckschwingung deutlich dumpfer. Sie eignet sich besonders, um Klängen ein solides Fundament zu geben.

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Dreieckschwingung (Triangle)

Die Sinusschwingung ist nur bei wenigen analogen Synthesizern verfügbar. Sie hat theoretisch keine Obertöne. Daher ist sie für das Prinzip der subtraktiven Synthese, bei der Frequenzen mit einem Filter aus dem Spektrum entfernt werden, nicht gut geeignet. Für additive und FM-Synthesizer, die ihre Klänge durch Überlagerung verschiedener Schwingungen erzeugen, ist die Sinusschwingung dafür umso relevanter.

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Sinusschwingung (Sine)

Oszillator im Synthesizer – Schwingunsformen bestimmen den Grundklang

Bei den meisten analogen Synthesizern weichen die Schwingungsformen in der Praxis mehr oder weniger von den oben dargestellten Idealformen ab. Das liegt insbesondere an den jeweils verwendeten Schaltungsdesigns und Bauteilen. Diese Abweichungen sind allerdings kein Nachteil, sondern machen den Charakter eines Synthesizers aus. Es wäre ja auch langweilig, wenn alle Synthesizer gleich klingen würden! Im folgenden Video sind nacheinander die Sägezahnschwingungen des Moog Sub 37, Sequential Prophet-6 und der Novation Bass Station II auf einem Oszilloskop zu sehen. Man erkennt, dass die Schwingungen leicht unterschiedlich aussehen und auch leicht unterschiedlich klingen. Die Oszillatoren eines Synthesizers tragen also bereits entscheidend zum Gesamtklang bei.

Das nächste Video zeigt die Rechteckschwingungen des gleichen Synthesizers. Hier sind die optischen und klanglichen Unterschiede noch etwas größer als beim Sägezahn, vor allem der Prophet fällt etwas aus dem Rahmen:

Schwingungsformen überblenden

Einige Synthesizer bieten sogar die Möglichkeit, die Grundschwingungsformen nicht nur per Schalter auszuwählen, sondern mit einem Regler zwischen ihnen zu überblenden. Dadurch entstehen Mischformen, welche die klangliche Bandbreite noch einmal deutlich erweitern.

Synthesizer & Oszillatoren: drei Oszillatoren des Novation Peak
Die drei Oszillatoren des Novation Peak bieten umfangreiche Einstellmöglichkeiten. (Quelle: Bonedo)

Im folgenden Video sieht und hört man den Effekt, der entsteht, wenn die Schwingungsform des Moog Sub 37 Oszillators stufenlos von Dreieck über Sägezahn zu Rechteck und wieder zurück überblendet wird. Alle diese Zwischenstufen können jeweils die Grundlage für einen Klang bilden.

Regler in der Oszillator-Sektion von Synthesizern

Frequenz: Oktave, Tonhöhe und Feintuning

Das wichtigste, was man bei einem Oszillator neben der Schwingungsform einstellen kann, ist die Frequenz, denn sie bestimmt die Tonhöhe. Dabei gilt zumeist folgendes Prinzip: Auf dem Bedienfeld des Synthesizers wird mit einem oder mehreren Reglern die Grundstimmung des Oszillators (auch im Verhältnis zu den anderen Oszillatoren des Synthesizers) festgelegt. Beim Spielen wird diese dann über die Tastatur, MIDI und/oder durch andere Bausteine der Klangerzeugung moduliert, also dynamisch gesteuert und verändert. Welche Bedienelemente in der Oszillatorsektion zur Einstellung der Stimmung zur Verfügung stehen, ist von Instrument zu Instrument unterschiedlich. Die meisten Synthesizer bieten jedoch pro Oszillator eine Auswahl der folgenden Schalter und Regler, die allerdings nicht alle vorhanden sein müssen:

Oktave (Fußlage)

Bei vielen Synthesizern können die Oszillatoren mit einem sogenannten Fußlagenschalter in Oktaven stimmen. Dass die Oktaven in dabei Fuß angegeben werden (16’, 8’, 4’, 2’ etc.), hat seinen Ursprung in der Länge der Orgelpfeifen (1 Fuß entspricht etwa 30 cm Länge): Die doppelte Länge ergibt also einen Ton, der eine Oktave tiefer ist. 4’ ist also eine Oktave höher als 8’, das wiederum eine Oktave höher als 16’ ist. Wenn dieser Schalter vorhanden ist, kann man die Oszillatoren des Synthesizers sehr einfach in Oktavabständen aufeinander abstimmen.

Frequenz (Frequency, Tune)

Mit diesem Regler kann man die Frequenz des Oszillators stufenlos einstellen. Bei manchen Synthesizern ist diese Funktion auf die beiden Regler Coarse Tune und Fine Tune aufgeteilt: Coarse Tune bestimmt die Stimmung in einem weiten Bereich und ist oft in Halbtonschritten gerastert. Fine Tune übernimmt dann die Feinstimmung in einem engen Frequenzbereich.

Nun könnte man sich fragen: Warum wird die Stimmung bzw. die Tonhöhe des Oszillators nicht einfach über die Tastatur des Synthesizers festgelegt und kann zusätzlich mit einem oder mehreren Reglern eingestellt werden? Dafür gibt es mehrere Gründe. Zum Beispiel ist es ein beliebtes Mittel im Sounddesign, mehrere Oszillatoren leicht gegeneinander zu verstimmen. Das ergibt einen fetteren, breiteren Klang als mit einem einzelnen Oszillator. Hier hört man einen Sound aus einer Rechteckschwingung des Sequential Prophet-6. Zuerst ist ein einzelner Oszillator zu hören. Dann kommt langsam ein zweiter Oszillator hinzu, der gegenüber dem ersten leicht verstimmt ist.

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Detune: Zwei gegeneinander verstimmte Oszillatoren

Oszillator im Synthesizer – Oszillatoren als Modulationsquelle

Ein weiterer Grund, Oszillatoren stufenlos zu verstimmen, liegt darin, dass Oszillatoren in vielen Synthesizern auch als Modulationsquellen verwendet werden können, die sich auf andere Elemente des Synthesizers auswirken. Dadurch werden Effekte wie FM (Frequenzmodulation) und Ringmodulation möglich. Auch bei der Oszillatorsynchronisation (Sync) ist es von Vorteil, wenn man die Oszillatoren unabhängig voneinander stimmen kann. Diese Themen werden wir in einem späteren Teil dieses Workshops behandeln.

Korg Minilogue Oszillatoren
Die Oszillatoren des Korg Minilogue mit den Modulationseinstellungen für VCO2. (Quelle: Bonedo)

Tonhöhenmodulation (Pitch Modulation)

Bei den meisten Synthesizern kann die Tonhöhe der Oszillatoren nicht nur über die Tastatur oder MIDI, sondern auch durch andere Komponenten des Synthesizers gesteuert bzw. moduliert werden. So kann man beispielsweise mit einer Hüllkurve fließende Tonhöhenverläufe erzeugen oder mit einem LFO ein Vibrato hinzufügen. Die Möglichkeiten sind von Synthesizer zu Synthesizer sehr unterschiedlich und wir werden uns dem Thema Modulation in späteren Teilen dieses Workshops ausführlich widmen. Für den Anfang ist es nur wichtig zu wissen: Wenn sich in der Oszillatorsektion ein oder mehrere Regler mit der Bezeichnung Mod, Env Depth, LFO Depth oder ähnlich beschriftet befinden, dienen diese dazu, solche Modulationen hinzuzufügen.

Unterschiedliche Konzepte bieten unterschiedliche Wege

Die Bedienschritte zum Hinzufügen von Modulationen sind bei Synthesizern sehr unterschiedlich. Einige Geräte haben die eben erwähnten Regler direkt in der Oszillatorsektion, also am Modulationsziel. Bei anderen Synthesizern muss die Modulation an der Modulationsquelle eingestellt werden, die entsprechenden Regler befinden sich dann bei der Hüllkurve oder beim LFO. Wieder andere Synthesizer bieten eine zentrale Modulationsmatrix, um Quellen und Ziele miteinander zu verbinden. Das Fehlen solcher Regler bei den Oszillatoren bedeutet also nicht zwangsläufig, dass keine Tonhöhenmodulation möglich ist – sie wird wahrscheinlich nur an anderer Stelle eingestellt. Wie Hüllkurven, LFOs und andere Modulationsquellen funktionieren und was man damit machen kann, ist Thema einer späteren Folge dieses Workshops.

Pulsbreite und Pulsbreitenmodulation

Viele Synthesizer bieten bei der Rechteckschwingung die Möglichkeit, das Verhältnis von positiven und negativen Abschnitten der Schwingungsform einzustellen und dadurch den Klang zu verändern. Der positive Teil der Schwingung wird breiter, während der negative Teil schmaler wird, oder andersherum. Das wird als Pulsbreite (Pulse Width / PW) bezeichnet. Manchmal ist diese Einstellung auch über einen mit Shape o.ä. beschrifteten Regler zu erreichen, der bei den anderen Schwingungsformen dann einen anderen Effekt hat.
Hier siehst du auf einem Oszilloskop, was passiert, wenn man die Rechteckschwingung des Sequential Prophet-6 durch Drehen am Regler Pulse Width verändert:

Die Pulsbreite lässt sich bei vielen Synthesizern auch von Modulationsquellen wie LFOs modulieren, sodass sie sich ständig verändert. Das wird als Pulsbreitenmodulation (Pulse Width Modulation / PWM) bezeichnet. Es bringt Bewegung in den Klang und sorgt für einen breiteren, schwebenden Klangcharakter. 
Das nächste Beispiel zeigt die Modulation der Pulsbreite beim Prophet-6 durch einen LFO. Die Modulation wird langsam hinzugefügt.

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Pulsbreitenmodulation per LFO

Pulsbreite oft einstellbar, oft nicht

Nicht alle Synthesizer bieten die Möglichkeit, die Pulsbreite manuell einzustellen. Manchmal gibt es nur die Möglichkeit der Modulation per LFO oder Hüllkurve. Bei manchen Synthesizern kann man die Pulsbreite auch gar nicht beeinflussen. Wo es möglich ist, sollte man aber unbedingt damit experimentieren, denn die klanglichen Möglichkeiten sind sehr vielfältig.

Synthesizer & Oszillatoren: Shape REgler
Die Oszillatoren des Sequential Prophet Rev2 mit “Shape Mod” für die Modulation der Pulsbreite und anderer Schwingungsformen. (Quelle: Bonedo)

Oszillator im Synthesizer – Suboszillatoren

Zusätzlich zu den eigentlichen Oszillatoren bieten viele Synthesizer auch einen oder mehrere sogenannte Suboszillatoren. Darunter versteht man einen Oszillator, der eine oder zwei Oktaven unterhalb eines Hauptoszillators erklingt. Die Tonhöhe des Suboszillators ist dabei fest an die des Hauptoszillators gekoppelt, man kann den Suboszillator also nicht separat verstimmen. Ein Suboszillator bietet meist auch nur wenige Einstellmöglichkeiten außer seiner Lautstärke und ggf. seiner Schwingungsform. Bei vielen Synthesizern kann der Suboszillator nur eine oder zwei Schwingungsformen erzeugen, meist Rechteck und/oder Dreieck.  Suboszillatoren dienen in der Regel dazu, Sounds ein solides Fundament zu geben. Sie eignen sich besonders für Bass-Sounds, können aber natürlich auch für andere Klänge eingesetzt werden.

Zum Schluss

Oszillatoren bilden das Ausgangsmaterial für den Klang eines Synthesizers. Sie erzeugen die Schwingungsformen, die dann im weiteren Verlauf des Signalwegs durch die anderen Elemente der Klangerzeugung wie Filter, Hüllkurven und LFOs zum endgültigen Klang geformt werden. Analoge und virtuell-analoge Oszillatoren bieten also eine Reihe grundlegender Schwingungsformen wie Sägezahn, Rechteck und Dreieck, während digitale Oszillatoren eine wesentlich größere Bandbreite an Schwingungsformen erzeugen können. Die Frequenz oder Tonhöhe eines Oszillators kann auf verschiedene Weise gesteuert werden: über die Tastatur, über MIDI und/oder über Modulationsquellen wie Hüllkurven und LFOs. Nach den Oszillatoren folgt im Signalweg eines subtraktiven Synthesizers in der Regel ein Filter – und das wird das Thema der nächsten Folge dieses Workshops sein.

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10.07.2021
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