Synthesizer

Ein Synthesizer ist ein elektronisches oder elektronisch gesteuertes Gerät zur Synthese von Schwingungen.

Laborgerät in der Elektrotechnik

In der Elektrotechnik beschreibt ein Synthesizer eine elektronische Vorrichtung zur Synthese monophoner, hochreiner Schwingungen, wie etwa einer Sinus-, Dreieck- und Rechteckschwingung oder der Erzeugung von Nadelimpulsen. Derartige Geräte, auch als Waveform Generator bekannt, dienen der Überprüfung elektronischer Schaltungen, oft von Verstärkern. Da es sich um Laborgeräte handelt, besitzen diese meist ein extrem niedriges Rauschen und einen an der Grenze der Messbarkeit liegenden Klirrfaktor.

Solche Generatoren, die heute fast ausschließlich mit digitalen Bauelementen realisiert werden, bezeichnet man auch als digitale Oszillatoren.

Elektronisches Musikinstrument

Am häufigsten wird als Synthesizer ein Musikinstrument bezeichnet, das auf elektronischem Wege synthetische Klänge zum Einsatz in der Musik oder seltener bei Effekten erzeugen kann. Synthesizer erzeugen dabei die Klänge durch direktes Erzeugen und Verändern von elektrischen Schwingungen (analoger Synthesizer) oder durch mathematische Operationen diskreter Werte (digitaler Synthesizer). Es kommen verschiedene Synthesearten, auch in gemischter Form, zum Einsatz. Gebräuchlich sind zur Klangerzeugung die additive, subtraktive, bzw. FM, sowie das Physical Modelling und die Phasenmodulation. Analoge Synthesizer sind oft als Modularsystem aufgebaut. Die einzelnen Komponenten ( Generatoren, Filter, Modulatoren) sind in einem Rack montiert und werden nach Bedarf durch Klinkensteckerkabel miteinander verbunden.

Grundlagen

Synthesizer verwenden verschiedene Syntheseprinzipen zur Klangerzeugung, wobei diese analog oder digital abgebildet werden. Folgende Grundprinzipien sind bekannt:

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Geschichte

Erste Entwicklungen

Erste Entwicklungen für synthetische Klangerzeugung fanden in den 1930er Jahren statt. Einige Entwicklungen wie das Aetherophon oder das Trautonium erweckten zwar eine gewisse Aufmerksamkeit, setzten sich aber – oft wegen ihrer für Musiker ungewohnten Spielweise – nicht großflächig durch.

1950 produziert RCA experimentelle Geräte zum Erzeugen von Sprache und Musik. Der Mark II Music Synthesizer (1958) konnte nur nach vorheriger kompletter Programmierung ein Stück wiedergeben und musste für das nächste neu programmiert werden. Gesteuert wurde er über Lochstreifen.

1958 entwickelte Daphne Oram beim BBC Radiophonic Workshop einen neuartigen Synthesizer der die sog. "Oramics"-Technik verwendetet. Gesteuert wurde der Synthesizer 35mm Film. Er wurde einige Jahre bei der BBC verwendet. Hugh Le Caine, John Hanert, Raymond Scott, Percy Grainger (mit Burnett Cross), und andere bauten in den späten 1940er und 1950er verschiedene elektronische Musikinstrumente.

Ab den 1960er war die Entwicklung der Elektronik soweit vorangeschritten, dass Klänge und Töne in Echtzeit erzeugt werden konnten, doch waren diese Geräte aufgrund ihrer Größe auf den Studiobetrieb beschränkt. Ferner waren diese Geräte meisten modular aufgebaut, so dass die einzelnen Komponenten miteinander von Hand verkabelt werden mussten. Viele dieser ersten Geräte waren experimentelle Einzelstücke. Donald Buchla, Hugh Le Caine, Raymond Scott und Paul Ketoff waren die Pioniere in den 1960ern, wobei nur Buchla ein kommerzielles Gerät anbot.

Erste kommerzielle Synthesizer (analog monophon)

Den ersten spiel- und konfigurierbaren Synthesizer stellte Robert Moog her und präsentierte ihn 1964 auf der "Audio Engineering Society convention". Dauerte es zunächst Stunden den Synthesizer zu konfigurieren und war er mehr eine Spielerei, war bis 1968 die Technik soweit fortgeschritten, dass sie ernsthaft verwendet werden konnte. Bereits während der Entwicklung konnte er den Musiker Walter Carlos (später Wendy Carlos) für das Instrument begeistern (zu hören in der Filmmusik zu A Clockwork Orange), dessen praktische Erfahrungen mit elektronischer Musik in die Weiterentwicklung einflossen. Der neue Klang, wie auf dem sehr erfolgreichen Album "Switched-On Bach" von Walter Carlos 1968 verwendet, war sensationell. In den späten 1960ern erschienen nun eine Vielzahl von Aufnahmen, die den neuen Moog Synthesizer Sound verwendeten.

Moog setze zugleich auch die Standards, die das Verknüpfen verschiedener Synthesizer erlaubte, wie z.B. eine Schnittstelle zur externen Ansteuerung über eine logarithmische 1-Volt/Oktave Tonhöhensteuerung. Die Ansteuerung der Synthesizer erfolgte normalerweise über eine normale Klaviatur oder über einen Sequenzer, bei dem man Tonhöhenfolgen zeitlich programmieren konnte und der über die genannte Schnittstelle den Synthesizer ansteuerte.

Da das Moog Modular System jedoch für den Bühnen- und Live-Einsatz zu groß und zu umständlich zu bedienen war, integrierte Moog die wichtigsten Komponenten seines Synthesizers in ein kompaktes Gehäuse, das den Namen Minimoog erhielt und 1970 auf den Markt kam. Der Minimoog wurde in den Folgejahren ein von vielen Musikern verwendetes und weit verbreitetes Musikinstrument. Im Laufe der 1970er Jahre kamen verschiedene weitere Unternehmen mit Synthesizern auf den Markt u.a. ARP Instruments, Inc. (von Alan Robert Pearlman), Oberheim (von Tom Oberheim) und Sequential Circuits. Alle Synthesizer hatten jedoch zwei entscheidende Nachteile: zum einen waren sie nur monophon spielbar und zweitens waren sie nicht zu programmieren. Man konnte also keine Einstellungen speichern.

Dennoch spezialisierten sich Gruppen und Musiker wie Kraftwerk, Jean Michel Jarre, Tangerine Dream, Ed Starink, Klaus Schulze oder Vangelis auf elektronische Musik und Synthesizer.

Elektrische Orgeln

Alle Orgeln (auch akustische) basieren auf dem Prinzip der additiven Synthese, indem mehrere Sinusklänge zusammgemischt einen komplexen Klang ergeben. In der originalen Hammond Orgel von 1935 wurden die Sinusschwingungen über wellengetriebene Zahnräder erzeugt, die Schwingungen in Tonabnehmer induzierten. Für jede harmonische Schwingung gab es ein Rad. Später wurden die Schwingung durch elektronische Schaltungen erzeugt. Die von elektronischen Orgeln erzeugten Klänge waren weit weniger modulierbar als die der Synthesizer, hatten aber den Vorteil polyphon spielbar zu sein.

Mikroprozessor gesteuerte polyphone analoge Synthesizer

Die meisten der ersten Synthesizer waren monophon. Nur wenige waren in der Lage, zwei Töne zur gleichen Zeit zu erzeugen, weder Moog Sonic Six, der ARP Odyssey, noch der EML 101. Echte Polyphonie war zur damaligen Zeit nur über das Prinzip der elektrischen Orgel zu realisieren. Der ARP Omni, der Moog Polymoog und der Opus 3 verbanden daher beide Elemente. Erst 1976 kamen die ersten echten polyphonen Synthesizer auf den Markt, wie etwa der Yamaha CS-80 und der Oberheim Four-Voice. Diese ersten Synthesizer waren aber komplex und teuer. Der erste erschwingliche polyphone und zudem Mikroprozessor-gesteuerte und damit programmierbare Synthesizer war 1977 der Prophet-5 von Sequential Circuits. Zum ersten Mal konnten Musiker ihre Einstellungen speichern und per Knopfdruck wieder abrufen. Daneben war er kompakt und leicht.

MIDI

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Roland JX3P - Erster Synthesizer mit MIDI

Eine kleine Revolution in der Entwicklung der Synthesizer war die Entwicklung von MIDI einer einfachen digitalen seriellen Standardschnittstelle für Synthesizer. Entwickelt wurde sie von den Firmen Roland und Sequential Cirquits und 1983 vorgestellt. Sie hat sich in kürzester Zeit als Standard-Industrieschnittstelle etabliert. Bis heute ist sie in fast unveränderter Form in jedem Synthesizer zu finden und erlaubt es einfach verschiedenste elektronische Geräte miteinander zu verbinden. Ende der 1980er erfolgte mit General MIDI (GM) eine Erweiterung des Standards um die Klangbelegung. Damit war z.B. ein Oboenklang immer auf dem gleichen Programmplatz zu finden. Es erlaubte so einfach komplette Musikstücken mit der richtigen Klangbelegung über GM-konforme Wiedergabegeräte abzuspielen.

Digitale Klangerzeugung Revolution I: FM-Synthese

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Yamaha DX7

Eine wirkliche Revolution war das Aufkommen von Synthesizern mit digitaler Klangerzeugung, zunächst per FM-Synthese. Die FM-Synthese wurde in den 1970er entwickelt. Kurz gesagt erzeugen bei der FM-Synthese digitale Oszillatoren (sog. Operatoren) Sinusschwingungen. Komplexe mathematische Verschaltungen der einzelnen Sinusschwingungen ergeben komplexe Wellenformen. Ein Alleinstellungsmerkmal der FM-Synthese zur damals gebräuchlichen subtraktiven Synthese war die Möglichkeit, besonders obertonreiche und perkussive Klänge zu erzeugen.

Das Patent der FM-Synthese wurde vom japanischen Synthesizerhersteller Yamaha lizenziert. Die ersten Synthesizer, der GS-1 und GS-2 waren schwere und teure Geräte und fanden keine weite Verbreitung. 1983 erschien dann mit dem DX7 der Synthesizer, der den gesamten Markt revolutionieren sollte. Er hatte die Größe und das Gewicht des Prophet-5 und war im Preis für die Masse erschwinglich. Er war DER Synthesizer der 1980er Jahre und man findet kaum eine Pop-Musikaufnahme aus dieser Zeit, worauf kein DX7 zu hören ist. Nach dem Auslaufen des Patentschutzes fand die FM-Synthese weite Verbreitung, wie z.B. in einfachen 4-Operatoren Synthesizer auf PC Soundkarten.

Das Aufkommen des DX7 bedeutete nach relativ kurzer Zeit, dass viele subtraktive analoge Synthesizer altmodisch waren, was das Aus vieler renomierter Firmen wie etwa Moog bedeutete.

Digitale Klangerzeugung Revolution II: Sampling

Eine zweite Revolution, die sich schon 1979 mit dem ersten Fairlight CMI ankündigte war das Sampling. Beim Sampling werden natürliche Klänge digitalisiert. Diese digitalen Wellenformen bilden dann die Grundlage der Klangerzeugung. Mit dem Sampler war etwas möglich, was bisher nur dem altmodischen Mellotron vorbehalten blieb, die "genaue" Wiedergabe natürlicher Instrumente.

Die ersten Systeme, wie das Fairlight CMI, der Emulator I von E-MU oder später auch das Synclavier von New England Digital waren extrem teure Geräte, die nur den "Großen" der Branche vorbehalten waren. Außerdem waren die technischen Möglichkeiten der Wiedergabe aufgrund geringer Auflösung und Speicherkapazität zunächst begrenzt. Peter Gabriel und Kate Bush veröffentlichten 1982 die ersten Aufnahmen auf denen "gesamplte" Klänge zu hören sind. 1985 kam mit dem Mirage von Ensoniq der erste für die breite Masse erschwingliche Sampler auf den Markt. Sampling prägte schon bald das Klangbild der Popmusik der 1980er.

Synthesizer und mehr

1987 brachte Roland mit dem D-50 einen Synthesizer auf den Markt, der besonders aufgrund seines integrierten Effektgerätes und der Attacksamples sehr populär wurde. 1988 trieb KORG mit der M1 die Integration auf die Spitze. Die M1 repräsentierte einen neuen Typus von Synthesizer, die "Workstation". Hier waren zum ersten Mal ein Synthesizer, Effektgerät, Drumcomputer und Sequencer in einem Gerät integriert. Dies erlaubte das Erstellen kompletter Lieder in einem Gerät, ohne externe Hardware zu verwenden. Die Korg M1 ist nach dem Yamaha DX7 der meistverkaufte Synthesizer.

Physical Modelling Synthesizer

Anfang der 1990er Jahre kamen die ersten Synthesizer mit einer neuartigen Synthesemethode, dem Physical Modelling (PM) auf den Markt. Bei der PM-Synthese wird versucht anhand von mathematischen Beschreibungen eine "natürliche" physikalische Klangerzeugnung digital zu simulieren, d.h. man berechnet wie sich etwa Luftschwingungen in einem Saxophon verhalten oder eine Saite einer Gitarre schwingt. Das Prinzip war eigentlich nicht neu. Eine praktische Anwendung kam aber erst in Sicht nach Entwicklung des Karplus-Strong Algorithmus und dessen Verfeinerung, sowie der Verallgemeinerung des Algorithmus in eine "Digital waveguide synthesis" durch Julius O. Smith III et al.. Für eine Echtzeitberechnung waren natürlich auch leitungsfähige DSP-Prozessoren nötig, wie sie erst Ende der 1980er zur Verfügung standen.

Wie bei der FM-Synthese sicherte sich Yamaha die Rechte und entwickelte ab 1989 mit der Stanford University zusammen die Synthese. Der erste kommerzielle Synthesizer war 1994 der Yamaha VL-1. Interessanterweise versuchte man bald über diesen Ansatz die alten analogen Synthesizer mit all ihren klanglichen Unzulänglichkeiten digital wieder auferstehen zu lassen. Bekanntester Synthesizer hier ist der Clavia Nord Lead. Nach den digitalen Synthesizerklängen der 1980er kam es in den 1990er zu eine Renaissancer analoger Synthesizer oder deren Klänge, insbesondere durch das aufkommen der Techno-Musik. Vormals fast wertlose Synthesizer wie Rolands TB-303 stiegen dadurch wieder erheblich im Wert.

Der moderne Synthesizer

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Software-Nachbau eines analogen monophonen Synthesizer

Fast alle heutigen Synthesizer sind komplett digital aufgebaut. Sie verwenden meist spezielle DSP (Digital Signal Processor) Bausteine zur Klangerzeugung, wobei häufig verschiedene Syntheseformen wie FM-Synthese, Sampling, subtraktive Synthese usw. gleichzeitig eingesetzt werden.

Ein neuer Trend sind sogenannte native Software-Synthesizer. Aufgrund der Leistungsfähigkeit moderner PCs ist es möglich, eine digitale Klangerzeugung auf unspezialisierten PC-Prozessoren aufzusetzen. Mittlerweile gibt es für jede Syntheseform verschiedene Software-Synthesizer, die z.T. Nachbauten bekannter Hardware Synthesizer sind. Auch werden bekannte alte Instrumente wie etwa Fender Rhodes Pianos oder Hammond B3 Orgel simuliert.

Synthesizerhersteller

Liste bekannter Hersteller, die die Entwicklung maßgeblich prägten:

Weiteres

Siehe auch: Keyboard, Orgel, Vocoder, Sampler, Software-Synthesizer, Musikinstrument, Akustik, Schwingung