Synthesizer und Sounddesign #2 - Filter

Was ist ein Filter bei einem Synthesizer und wie funktioniert es? Welche Filtertypen gibt es und wie klingen sie? Welche Einstellmöglichkeiten bieten Filter, und was kann man damit machen? Um diese Fragen geht es in der zweiten Folge des Workshops Synthesizer und Sounddesign.

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Willkommen zur zweiten Folge unseres Workshops Synthesizer und Sounddesign! Nachdem es in der ersten Folge um die Oszillatoren ging, die die Grundschwingungsformen erzeugen und damit die Basis eines Synthesizersounds bilden, widmen wir uns diesmal dem zweiten wichtigen, klangformenden Element eines subtraktiven Synthesizers, dem Filter.
Diese Abteilung ist so wichtig, dass ihre Regler bei manchen Synthesizern optisch hervorgehoben sind, zum Beispiel durch größere Knöpfe oder Markierungen auf dem Bedienfeld. Doch was passiert eigentlich in einem Filter, wie stellt man es richtig ein und welche Sounddesign-Tricks kann man damit anstellen? In dieser Folge werden wir uns damit beschäftigen.

Quick Facts: Filter im Synthesizer

Was macht der Filter in einem Synthesizer?
Ein Filter ist eine elektronische Schaltung, die bestimmte Frequenzen aus einem Signal entfernt, also herausfiltert. Welche Frequenzen das sind, hängt von der Art der Filterschaltung (Filtertyp), von der Einstellung der Cutoff-Frequenz und von der Flankensteilheit des Filters ab. Ein Filter kann analog aufgebaut sein, also aus einzelnen auf der Platine verlöteten, analogen Bauteilen bestehen, oder digital von einem DSP (Digitaler Signalprozessor) berechnet werden (virtuell-analog). Bei der Bedienung ergeben sich dadurch in der Regel keine Unterschiede.
Das Filter bildet bei einem Synthesizer, der nach dem Prinzip der subtraktiven Synthese arbeitet, ein wichtiges Element zum Formen des Klangs. Die Oszillatoren stellen die Grundschwingungsformen bereit, die dann durch das Filter ihre endgültige Obertonstruktur verliehen bekommen. Dadurch kann der Synthesizer viel mehr verschiedene Klänge erzeugen, als mit den reinen Schwingungsformen möglich wären. Das Filter dient somit zum Formen der Klangfarbe und der Charakteristik des Klangs im zeitlichen Verlauf.

Der Sequential Prophet-6 bietet separate Hochpass- und Tiefpassfilter

Welche Arten von Filtern gibt es bei Synthesizern?

Man findet bei Synthesizern verschiedene Arten von Filtern, die sich dadurch unterscheiden, welche Frequenzen sie aus dem Signal entfernen. Mit Abstand am weitesten verbreitet und am wichtigsten für typische Synthesizersounds ist das Tiefpassfilter (Low Pass, LPF). Aber auch einige andere Filtertypen sind üblich. Die Filtertypen, denen man bei Synthesizern üblicherweise begegnet, sind:
Tiefpassfilter (Low Pass, LPF): Das Filter entfernt Frequenzen oberhalb einer einstellbaren Cutoff-Frequenz (Grenzfrequenz) und lässt darunterliegende Frequenzen ungehindert passieren. Dieser Typ ist bei Synthesizern mit großem Abstand der wichtigste. Wenn der Typ nicht näher bezeichnet ist, handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um ein Tiefpassfilter.
Hochpassfilter (High Pass, HPF): Gegenteil des Tiefpassfilters. Das Filter entfernt Frequenzen unterhalb der Cutoff-Frequenz, während höhere Frequenzen hindurch gelassen werden.
Bandpassfilter (Band Pass, BPF): Das Filter lässt nur Frequenzen innerhalb eines relativ schmalen Bereichs hindurch; darüber und darunterliegende Frequenzen werden herausgefiltert. Bei einem Bandpassfilter bestimmt die Cutoff-Frequenz den Mittelpunkt dieses Frequenzbereichs. Oft, aber nicht immer, ist die Bandbreite einstellbar. Bandpassfilter findet man nicht nur bei Synthesizern, sondern zum Beispiel auch in Wah-Wah-Effektpedalen.
Bandsperrenfilter (Notch, Band Reject): Dieser Filtertyp ist bei Synthesizern eher selten. Der Oberheim SEM und von ihm abgeleitete Synths wie der Sequential OB-6 gehören zu den wenigen populären Analogsynthesizern, die über ein Notch-Filter verfügen. Im Gegensatz zum Bandpassfilter filtert es einen schmalen Frequenzbereich heraus und lässt Frequenzen darüber und darunter passieren.
Viele moderne Synthesizer verfügen über Multimode-Filter, die sich zwischen verschiedenen Typen umschalten lassen. Seltener sind auch sogenannte Morph-Filter anzutreffen, bei denen man stufenlos zwischen verschiedenen Typen überblenden kann. In den folgenden Videos seht ihr in der Frequenzanalyse, wie sich die Filtertypen Tiefpass, Hochpass und Bandpass auf ein Signal auswirken. Zum Einsatz kommt in diesen Beispielen die Novation Bass Station II.

Der Sequential OB-6 stammt vom Oberheim SEM ab und besitzt daher ein Notch-Filter.

Cutoff und Resonance

Die beiden wichtigsten Parameter, die man bei den Filtern gängiger Synthesizer findet, heißen Cutoff und Resonance. Die Cutoff-Frequenz haben wir bereits angesprochen. Mit diesem Regler stellt man die Grenzfrequenz ein, über bzw. unter der – je nach Filtertyp – Frequenzen entfernt werden. Bei einem Tiefpassfilter werden Frequenzen über der Cutoff-Frequenz herausgefiltert, bei einem Hochpassfilter darunter.
Der zweite wichtige Regler liegt meistens direkt neben dem Cutoff. Für ihn hat sich die Bezeichnung Resonance inzwischen bei fast allen Synthesizer-Herstellern durchgesetzt. Bei einigen älteren Synthesizern findet man auch andere Namen wie Peak (Korg) oder Emphasis (Moog).
Dreht man den Regler Resonance auf, so wird der Frequenzbereich rund um die Cutoff-Frequenz betont und tritt im Klang stärker hervor. Das gibt dem Filter einen schärferen, prägnanteren Klang und Filterbewegungen werden deutlicher hörbar. Bei sehr weit aufgedrehter Resonanz wird der Klang des Filters oft als pfeifend und spitz wahrgenommen.
Im folgenden Video seht ihr in der Frequenzanalyse, wie sich die Filterresonanz auswirkt. Die erste Filterfahrt ist ohne Resonanz, die zweite mit einer moderaten Einstellung und die dritte mit stark aufgedrehtem Resonanz-Regler. Es ist deutlich zu sehen und zu hören, wie die Cutoff-Frequenz betont und der Klang schärfer wird.

Die Filter einiger Synthesizer beginnen bei sehr weit aufgedrehter Resonanz selbst zu schwingen (Eigenschwingung, Selbstoszillation) und produzieren einen Sinuston. Dazu gleich mehr.

Flankensteilheit

Ein Filter schneidet die Frequenzen ober- bzw. unterhalb der Cutoff-Frequenz nicht einfach abrupt ab, und das würde auch merkwürdig klingen. Stattdessen ergibt sich im Bereich des Cutoff eine sanfte Kurve, in der die Frequenzen immer schwächer werden, bis schließlich gar nichts mehr hindurch kommt. Den Verlauf dieser Kurve bezeichnet man als Flankensteilheit (Slope).
Bei einigen Synthesizern kann man für die Flankensteilheit zwischen verschiedenen Einstellungen wählen. Am häufigsten findet man Flankensteilheiten von 12 dB/Oktave und 24 dB/Oktave. Seltener werden auch 6 dB/Okt., 18 dB/Okt. und 36dB/Okt. angeboten.
Im folgenden Video seht ihr, wie sich unterschiedliche Flankensteilheiten des Moog Sub 37 auf den Verlauf der Filterkurve auswirken. Bei den vier Filterfahrten steht das Filter nacheinander auf 6 dB/Okt., 12 dB/Okt., 18 dB/Okt. und 24 dB/Okt. Es ist deutlich zu erkennen, wie die Kurve bei jedem Durchgang steiler verläuft.

Eine höhere Flankensteilheit führt zu einem schärferen und zupackenderen Klang des Filters. Für Leads, Bässe und blubbernde Sequenzen ist das meist genau das Richtige. Allerdings ist ein steileres Filter nicht unbedingt ein besseres. Gerade bei weichen Pads, Strings und einigen Basssounds kann ein Filter mit einem flacheren Verlauf sehr angenehm klingen. In der Praxis heißt es also wie immer: Am besten ausprobieren!

Der Moog Sub 37 bietet vier verschiedene Flankensteilheiten (Slopes) zur Auswahl

Envelope Depth

Die Cutoff-Frequenz des Filters trägt maßgeblich zur Klangfarbe eines Synthesizersounds bei. Mit dem Cutoff-Regler lässt sie sich jedoch nur statisch einstellen, wenn man nicht permanent am Regler drehen möchte. Für lebendige Sounds mit Bewegung ist es daher wichtig, die Cutoff-Frequenz im Zeitverlauf steuern zu können. Dazu verwendet man eine sogenannte Hüllkurve (engl. Envelope).
Dem Thema Envelopes werden wir uns in den nächsten Folgen dieses Workshops noch ausführlich widmen. Für heute braucht ihr euch nur zu merken: Eine Hüllkurve ermöglicht die automatische Steuerung von Dingen wie Tonhöhe, Lautstärke oder eben Filter-Cutoff im Zeitverlauf. Sie wird ausgelöst, wenn die Taste angeschlagen wird (oder ein MIDI-Notenbefehleintrifft) und durchläuft dann eine einstellbare Kurve, mit der man einen bestimmten Verlauf programmieren kann.
Weil die Cutoff-Frequenz des Filters eine so herausragende Rolle für den Klang spielt, besitzen viele Synthesizer eine eigene Hüllkurve dafür, die sogenannte Filterhüllkurve. Wie sie genau funktioniert, erfahrt ihr in der nächsten Folge.
In der Filtersektion findet man neben den Reglern für Cutoff und Resonance bei den meisten Synthesizern einen weiteren Knopf, mit dem eingestellt wird, wie stark sich die Filterhüllkurve auf die Cutoff-Frequenz auswirkt. Die Beschriftung dieses Reglers variiert von Hersteller zu Hersteller. Meistens ist der Regler mit Envelope Depth, Env Depth, Env Amount, EG Amount o. ä. bezeichnet. Je weiter man ihn aufdreht, desto stärker wirkt sich die Filterhüllkurve auf die Cutoff-Frequenz auf.
Im folgenden Klangbeispiel wird der Regler langsam aufgedreht. Zu Beginn ist der Sound statisch; die Hüllkurve hat keine Auswirkung. Später tritt bei jeder Note ein hörbarer Filterverlauf auf, der von der Hüllkurve gesteuert wird.

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Filter Envelope Depth

Bei vielen Synthesizern kann man den Regler Envelope Depth auch in die negative Richtung drehen. Das bewirkt, dass die Filterhüllkurve invertiert wird, also umgekehrt wirkt. Ein Hüllkurvenverlauf, der im positiven Bereich des Reglers weit oben beginnt und langsam absinkt, fängt im negativen Bereich weit unten an und steigt langsam an. Auch dazu ein kurzes Klangbeispiel. Zunächst wirkt sich die Hüllkurve positiv aus. Dann wird der Regler langsam auf ‚Null‘ gedreht (kein Hüllkurveneffekt) und schließlich in den negativen Bereich. Nun macht sich die Hüllkurve anders herum bemerkbar.

Audio Samples

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Filterhüllkurve positiv und negativ

Filtersektion des Behringer Pro-1 mit Envelope Amount und Keyboard Amount

Keytracking

Dieser Regler hat bei Synthesizern verschiedener Hersteller die unterschiedlichsten Bezeichnungen. Er kann als Key Follow, Key Track, Keyboard Track, KB Track, KB Amount, Keyboard oder einfach Key bezeichnet sein, und das sind bestimmt noch nicht alle.
Unabhängig von der Beschriftung ist seine Wirkung jedoch immer dieselbe. Das Keytracking bewirkt, dass die Cutoff-Frequenz des Filters von der Lage der gespielten Taste auf der Tastatur (bzw. von der Tonhöhe eingehender MIDI-Notenbefehle) beeinflusst wird. So kann man erreichen, dass tiefe Noten eine tiefere Cutoff-Frequenz bekommen als höhere Noten.
Seinen Ursprung hat das Keytracking – wie auch viele andere Funktionen eines Synthesizers – bei akustischen Instrumenten, die die Erfinder der ersten Synthesizer zu imitieren versuchten. Viele akustische Instrumente, allen voran Blasinstrumente, haben in den tieferen Lagen einen dumpferen Klang als bei hohen Tönen. Mit dem Keytracking kann man dieses Verhalten auf einem Synthesizer simulieren, was oftmals einen natürlicheren, organischeren Klang ergibt.
Oft ist das Keytracking stufenlos regelbar, bei einigen Synthesizern lässt es sich aber auch nur an- oder ausschalten.
Im nächsten Beispiel hört ihr eine Sequenz vom Moog Sub 37. Im ersten Durchlauf ist das Keytracking deaktiviert – die Cutoff-Frequenz ist bei allen Noten gleich. Im zweiten Durchlauf ist es stark aufgedreht. Nun erhalten die hohen Noten eine viel höhere Cutoff-Frequenz als die tiefen Noten und klingen entsprechend heller und schneidender.

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Keytracking aus/an

Da die Resonanz die Cutoff-Frequenz betont, wird der Keytracking-Effekt umso deutlicher, umso stärker die Resonanz aufgedreht ist. Hier hört ihr die gleiche Sequenz, diesmal aber mit ziemlich weit aufgedrehter Filterresonanz. Wieder ist das Keytracking zunächst deaktiviert und kommt dann hinzu.

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Keytracking mit Resonanz (aus/an)

Manche Synthesizer bieten auch die Möglichkeit, das Keytracking zu invertieren, sodass hohe Noten eine tiefere Cutoff-Frequenz bekommen als tiefe Noten. Da dies nicht dem ursprünglichen Sinn dieser Funktion entspricht, gibt es diese Option aber nur bei wenigen Synths.

Selbstoszillation

Je nach ihrer Bauart beginnen manche analogen Filterschaltungen bei hohen Resonanzwerten selbst zu schwingen und erzeugen eine Sinusschwingung mit der Cutoff-Frequenz. Dies bezeichnet man als Eigenschwingung oder Selbstoszillation. Wenn zugleich das Eingangssignal des Filters (also der/die Oszillator/en) auf ‚Null‘ herunter geregelt wird, bleibt nur diese Sinusschwingung übrig.
Im nächsten Beispiel hört ihr den Effekt beim Moog Sub 37. Zunächst ist ein Oszillator mit einer Sägezahnschwingung zu hören; der Filter-Cutoff ist etwa mittig eingestellt. Dann wird die Resonanz ganz aufgedreht und die vom Filter erzeugte Sinusschwingung wird neben dem Sägezahn deutlich hörbar. Schließlich drehe ich den Oszillator im Mixer ganz herunter und es bleibt nur die Sinusschwingung übrig, die vom Filter erzeugt wird und deren Frequenz der Cutoff-Frequenz des Filters entspricht. Sie lässt sich durch Drehen am Cutoff-Regler stimmen.

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Selbstoszillation

Diesen Effekt kann man sich musikalisch zu Nutze machen. Da die Oszillatoren vieler analoger Synthesizer keine Sinusschwingungen erzeugen können, kann man das Filter dafür verwenden.
Damit die Filter-Sinusschwingung musikalisch spielbar wird, muss man das Keytracking auf 100% aufdrehen. Ihr erinnert euch: Das Keytracking bewirkt, dass sich die Tastatur auf die Filterfrequenz auswirkt. Wenn das Filter des Synthesizers korrekt kalibriert ist, sollte sich die Sinusschwingung nun wie ein Oszillator über die Tastatur bzw. über MIDI spielen lassen. Andere Keytracking-Werte als 100% führen dazu, dass die auf der Tastatur gespielten Intervalle nicht korrekt wiedergegeben werden – eine gespielte Quinte ist nur bei 100% Keytracking auch wirklich als Quinte zu hören.
Der Sound im nächsten Beispiel besteht nur aus der Sinusschwingung des selbst oszillierenden Filters, es sind keine Oszillatoren zu hören. Das Keytracking steht auf 100%.

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Sound auf Basis des selbstoszillierenden Filters

Die Filter-Sinusschwingung lässt sich vielseitig einsetzen, zum Beispiel für perkussive Klänge wie Drumsounds oder als Verstärkung des Bassbereichs. Im weiteren Verlauf dieses Workshops werden wir einige Beispielsounds programmieren, bei denen die Selbstoszillation eingesetzt wird.

Zusammenfassung: Filter

Das Filter dient bei einem subtraktiven Synthesizer dazu, die von den Oszillatoren erzeugten Grundschwingungsformen zum endgültigen Klang zu formen. Es entfernt bestimmte Frequenzen aus dem Klang und beeinflusst damit die Obertonstruktur und somit die Klangfarbe des Sounds. Verschiedene Filtertypen wie Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfilter unterscheiden sich dadurch, ob Frequenzen oberhalb, unterhalb oder zu beiden Seiten der einstellbaren Cutoff-Frequenz herausgefiltert werden. Mit dem Regler Resonance lässt sich der Bereich rund um die Cutoff-Frequenz hervorheben.
Damit haben wir in den ersten beiden Folgen die Grundlagen geschafft: Oszillatoren und Filter. In der nächsten Folge wird es um Hüllkurven gehen, und dann können wir auch endlich damit beginnen, die ersten musikalisch sinnvollen Sounds selbst zu programmieren. Bis dahin: Viel Spaß beim Erforschen der Filtersektion deines Synthesizers!