Diplomarbeit „Synthesizer DIY“ –

Diplomarbeit

„Synthesizer DIY“ – Analoge Synthesizer selbst gemacht

Ausgeführt zum Zweck der Erlangung des akademischen Grades Dipl.-Ing. für technisch-wissenschaftliche Berufe

am Fachhochschul-Masterstudiengang Digitale Medientechnologien St. Pölten Vertiefungsrichtung Audiodesign

von:

Alexander Gruber Dm111510 Jürgen Kohlhauser Dm111517 Alexander Reichhuber Dm111535

Erstbegutachter/in und Betreuer/in: DI Hannes Raffaseder

Zweitbegutachter/in: Dr. Christian Fabian

Wien, 15.8.2013

Ehrenwörtliche Erklärung

Ich versichere, dass

- ich diese Diplomarbeit selbständig verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und mich auch sonst keiner unerlaubten Hilfe bedient habe.

- ich dieses Diplomarbeitsthema bisher weder im Inland noch im Ausland einem Begutachter/einer Begutachterin zur Beurteilung oder in irgendeiner Form als Prüfungsarbeit vorgelegt habe.

Diese Arbeit stimmt mit der vom Begutachter bzw. der Begutachterin beurteilten Arbeit überein.

...... Ort, Datum Unterschrift

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit haben sich die Autoren mit analogen Synthesizern beschäftigt und damit auseinandergesetzt, ob und mit welchen Aufwand es machbar ist, professionelle, analoge Klangerzeuger im Selbstbau zu realisieren.

Hierbei wird zuerst betrachtet, in welche grundlegenden Kategorien analoge Synthesizer unterteilt werden können.

Von den ersten Versuchen Elektrizität musikalisch nutzbar zu machen, über direkte Vorgänger und Synthesizer-Raritäten, bis zu dem Musikinstrument Synthesizer, war es ein langer Weg. Die wichtigsten Meilensteine werden in dieser Arbeit näher betrachtet.

Grundlegendes Wissen über analoge Klangerzeugung und -verarbeitung ist ebenso wichtig wie Grundlagen der Elektronik. Die verschiedenen Syntheseverfahren und Möglichkeiten der Klangformung, sowie deren Steuermöglichkeiten sind wichtiger Teil dieser Arbeit.

Die Funktion der verschiedensten, benötigten elektronischen Bauteile wird, aufgrund der Wichtigkeit, in einem eigenen Kapitel behandelt. Des Weiteren werden die einzelnen Module, aus denen ein Synthesizer bestehen kann, besprochen.

Um die entwickelten Geräte auch in einem musikalischen Kontext nutzbar zu machen, wird nicht nur auf den musikwissenschaftlichen Hintergrund, sowie auf Aspekte der auditiven Wahrnehmung eingegangen. Auch Design- und Usability-Prinzipien werden beleuchtet, sowie wichtige Tipps zum Realisieren von ersten Prototypen gegeben.

Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Modifikation von bereits bestehenden Klangerzeugern, dem sogenannten Hardware-Hacking.

Die Dokumentation soll einerseits Aufschluss darüber geben, wie simpel manche Audio-Schaltungen sein können, sowie andererseits zum Selbstbau animieren.

Einige Interviews mit professionellen Klangmodul-Herstellern runden diese Arbeit ab.

Abstract

First we take a look on the different categories of synthesizers out there and how they differ from one another. The types of the modules built in a synthesizer are manifold, this is why we take a look at the most common ones.

It has been a long process of development from the first tries to make usage of electricism in a musical way, to direct forerunners and finally to the instrument that we call the synthesizer. The most important steps are outlined in this paper.

Basic knowledge about working with and the creation of analogue sound is provided in this paper, as well as there is a guide on the significance of electronic parts and how these components work. The different types of synthesis and the versatile capabilities of shaping a sound are also part of this work.

A short tour in musicology and important rules of usability and design are provided within this work, in order to make usage of the self built gear in a musical fashioned way.

Relevant hints and tips on how to prepare for your first diy-audio-project and on how to modificate (hack) prebuilt sound gear can be found in this paper.

Also a big part of this work is the documentation. It provides you with the information of all the diy-sound-gear that were built during this research and how these work. This chapter is very useful for beginners in diy-audio, as it features pretty simple but powerful schematics as well as imformation on how and why this circuits works.

Finally there are some interviews to provide you with professional insights in the synthesizer- and diy-soundgear-scene.

Inhaltsverzeichnis

Ehrenwörtliche Erklärung 2

Zusammenfassung (Gruber / Kohlhauser) 3

Abstract (Gruber) 4

1 Einleitung (Kohlhauser) 11 1.1 Zielsetzung 12 1.2 Was ist ein Synthesizer? (Reichhuber) 12 1.3 Was ist DIY? 13

2 Geschichtliche Entwicklung von Synthesizer (Gruber) 15 2.1 Synthesizer – Wer hat’s erfunden? 15 2.1.1 Dynamophon (Tellharmonium) 15 2.1.2 Theremin 16 2.1.3 Spherophon 16 2.1.4 Trautonium 17 2.1.5 Hammond Orgel 18 2.1.6 RCA Mark II Sound Synthesizer 18 2.1.7 Moog spannungsgesteuerter Synthesizer 19 2.2 Synthesizer die Musikgeschichte schrieben 20 2.2.1 Moog 20 2.2.2 Korg 22 2.2.3 Roland 24

3 Aufbau eines analogen Synthesizers (Kohlhauser) 27 3.1 Grundlagen elektronischer Klangerzeugung 27 3.1.1 Grundelemente der analogen Klangentstehung 27 3.1.2 Wichtige Verfahren elektronischer Klangerzeugung 29 3.2 Grundlegende Bauformen von Synthesizern (Gruber) 33 3.2.1 Nicht modularer Synthesizer (normalized) 33 3.2.2 Voll modularer Synthesizer 34 3.2.3 Semi-modulare oder hybride Bauweise 34 3.3 Klangerzeugung/Oszillatoren (Kohlhauser) 35 3.3.1 Wellenformen 35 3.3.2 Verwendung der Oszillatoren 39 3.3.3 Technische Realisierung 40 3.4 Klangverarbeitung/ Filter 40

3.4.1 Charakteristika 40 3.4.2 Filtertypen 41 3.4.3 Flankensteilheit 42 3.4.4 Technische Realisierbarkeit 43 3.4.5 Resonanz 44 3.4.6 Einsatz von Filtern in der subtraktiven Synthese 45 3.5 Klangverarbeitung/Verstärker 45 3.6 Klangansteuerungsmöglichkeiten 46 3.6.1 Spannung und Spannungsquellen 46 3.6.2 Echtzeitsteuerung 48 3.6.3 MIDI 49 3.6.4 Hüllkurven 51 3.6.5 Funktion einer Hüllkurve 51 3.6.6 Einsatz von Hüllkurven 52 3.6.7 LFO 54 3.6.8 Keyboard 56 3.6.9 Steuerung der Tonhöhe 56 3.6.10 Sequenzer 59 3.7 Modulationsarten und Möglichkeiten 61 3.7.1 Grundlegendes 61 3.7.2 Audiomodulationen 61 3.7.3 Dynamische Modulationen 64 3.7.4 Rhythmische Modulation 66 3.8 Effekte 67 3.8.1 Ein Synthesizer als Effektgerät 67 3.8.2 Grundlagen und Beispiele der Effekte in Synthesizern 68 3.8.3 Effekt-Typen 68 3.9 Analog- und Digitaltechnik 70 3.10 Beispiele der elektronischen Klangerzeugung 77 3.10.1 Flächenklänge 77 3.10.2 Bassklänge 78 3.10.3 Elektronische Perkussion 79 3.10.4 Natur- und Alltagsgeräusche 79

4 Elektr. Grundlagen analoger Synthesizer (Reichhuber) 81 4.1 Bauteile 81 4.1.1 Elektrischer Widerstand 81

4.1.2 Kondensator 82 4.1.3 Spule 84 4.1.4 Dioden 85 4.1.5 Transistoren 87 4.1.6 Integrierte Schaltungen 89 4.2 Oszillator 89 4.2.1 Definition 89 4.2.2 Einsatz im Synthesizer 90 4.2.3 Arten und Grundschaltungen von Oszillatoren 90 4.3 Filter 95 4.3.1 Definition 95 4.3.2 Einsatz im Synthesizer 96 4.3.3 Arten und Grundschaltungen von Filtern 96 4.4 Verstärker 99 4.4.1 Definition 99 4.4.2 Einsatz im Synthesizer 99 4.4.3 Arten und Grundschaltungen von Verstärkern 99

5 Musikalische Grundlagen und Aspekte der auditiven Wahrnehmung 102 5.1 Arten von Schall 102 5.2 Wahrnehmung akustischer Signale 104 5.2.1 Lautstärke 105 5.2.2 Tonhöhe 106 5.2.3 Klangfarbe 107 5.3 Grundlegendes der Musiktheorie 110 5.3.1 Zeitliche Gestaltung 110 5.3.2 Harmonik 112

6 Design und Usability (Gruber) 116 6.1 User Interface 116 6.2 Usability 117 6.3 Erfahrungsgeleitetes Handeln 117 6.4 Typische Bedienelemente von Synths und ihre Usability 118 6.4.1 Tasten (monostabil) 118 6.4.2 Druckknopf (bistabil) 119 6.4.3 Wippenschalter (bistabil) 119 6.4.4 Kippschalter oder Kipphebel (bistabil oder drei stabile Zustände) 120 6.4.5 Drehknopf (kontinuierlich) 121

6.4.6 Drehknopf oder Drehschalter (diskret) 122 6.4.7 Rändelrad (kontinuierlich oder diskret) 123 6.4.8 Schieber (kontinuierlich) 124 6.4.9 Schiebeschalter (diskret) 125 6.5 Design 126 6.5.1 Affordance 126 6.5.2 Ästhetik 127 6.5.3 Mapping 128 6.5.4 Form folgt Funktion 129 6.5.5 Farbe 130 6.5.6 Gestaltgesetze der Wahrnehmung 131 6.5.7 Piktogramme 133 6.5.8 Hicks Gesetz 134

7 Do-It-Yourself (Reichhuber) 136 7.1 DIY – Kultur und Gemeinschaft 136 7.2 Effekte und Auswirkungen von DIY 137 7.3 Synthesizer-DIY 139 7.3.1 Forschung 140 7.3.2 Prototyping 140 7.3.3 Installation 142 7.3.4 Testen 142 7.3.5 Anwendung 142 7.3.6 Vorbereitung für erstes Synthesizer-DIY-Projekt (Gruber) 143 7.3.7 Essentielle, nützliche Werkzeuge beim Arbeiten an DIY-Projekten 144 7.4 Hardware-Hacking 148

8 Dokumentation (Reichhuber) 151 8.1 Atari Punk Console / APC Photosynth 151 8.1.1 Funktionsbeschreibung 151 8.1.2 Bauteile und Schaltplan 152 8.1.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche 153 8.1.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen 154 8.2 8-Step-Sequencer 155 8.2.1 Funktionsbeschreibung 155 8.2.2 Bauteile und Schaltplan 155 8.2.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche 156 8.2.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen 157

8.3 Yellow Fellow 158 8.3.1 Funktionsbeschreibung 158 8.3.2 Bauteile und Schaltplan 159 8.3.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche 160 8.3.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen 161 8.4 One-Octave-Oscillator 162 8.4.1 Funktionsbeschreibung 162 8.4.2 Bauteile und Schaltplan 163 8.4.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche 164 8.4.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen 165 8.5 HP/LP-Filter 165 8.5.1 Funktionsbeschreibung 165 8.5.2 Bauteile und Schaltplan 166 8.5.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche 167 8.5.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen 168 8.6 Noise Toaster (Gruber) 168 8.6.1 Die Module 168 8.6.2 White noise generator 169 8.6.3 Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 170 8.6.4 Resonanzfähiger Spannungsgesteuerter Tiefpass-Filter (VCF) 170 8.6.5 Spannungsgesteuerter Verstärker (VCA) 171 8.6.6 Niederfrequenzoszillator (LFO) 171 8.6.7 Attack- Release Hüllkurvengenerator (AREG) 171 8.6.8 1 Watt Verstärker 172 8.6.9 Schaltpläne und Funktionstests 172 8.6.10 Betriebsspannungsquelle 174 8.6.11 Spannungsgesteuerter Verstärker 176 8.6.12 AR Hüllkurvengenerator 176 8.6.13 Niederfrequenzoszillator (LFO) 177 8.6.14 Voltage-Controlled Oscillator 178 8.6.15 Rauschgenerator 181 8.6.16 Audio Verstärker 182 8.7 Bleep Drum 184 8.8 s’kastl (Kohlhauser) 187 8.8.1 Aufbau 188 8.8.2 Design 195

8.9 Shruti 196 8.9.1 Einleitung 196 8.9.2 Shruti Filter Boards 198 8.9.3 Spezifikationen 199 8.9.4 Aufbau 199 8.9.5 Erweiterungen 203 8.9.6 Einsatz 204

9 Interviews (Reichhuber) 205

10 Schlussworte (Gruber) 207 10.1 Conclusio 207

11 Anhang 210 11.1 Literaturverzeichnis 210 11.2 Internetquellen 212 11.3 Abbildungsverzeichnis 213 11.4 Tabellenverzeichnis 218 11.5 Interviews 219 11.5.1 Interview Dieter Döpfer 219 11.5.2 Interview Ray Wilson 222 11.5.3 Interview Olivier Gillet 226 11.6 Inhaltsübersicht der Begleit-CD-ROM 232 11.7 Wissenschaftliches Paper 233

1 Einleitung

Beginnend haben sich die Autoren mit Grundlegendem und der Geschichte von Synthesizern beschäftigt und deren theoretische Ansätze durchleuchtet. Von der Entstehung bis zur heutigen Zeit ist eine enorme Entwicklung festzustellen die das Sounddesign verschiedenster Musikstile stark geprägt haben.

Was ist ein Synthesizer und wozu werden diese eingesetzt? Was kann ich alles damit machen und vor allem, wie einfach ist es einen eigenen Synthesizer zu bauen? Welches Wissen ist dafür notwendig und welche Kenntnisse sind dabei unbedingt einzuhalten? Hierfür hat sich in den letzten Jahren eine Art „Hype“ entwickelt. Sogenannte „Do it yourself“ – Communities haben sich reichlich mit der Thematik Synthesizer-DIY beschäftigt, um eigene Klangerzeuger zu entwickeln und als Open-Source Projekte anzubieten. Der Begriff DIY wird hierbei näher betrachtet und erklärt. Einige DIY Anbieter davon werden näher beleuchtet und vorgestellt. Interviews und Vergleiche runden die innovativen Soundprojekte ab.

Wichtige Bestandteile um einen Klangerzeuger selbst zu bauen sind vor allem Grundkenntnisse über Elektronik und natürlich auch das Verstehen der theoretischen Prozesse von Synthesizern. Des Weiteren werden am Rande auch DIY-Audioeffekte erwähnt welche bei der Klanggestaltung den Charakter von Synthesizern ausmachen können. Es gilt eine modulare Bauweise von einer kompakten Version zu unterscheiden. Beide Bauweisen werden in dieser Arbeit genauer betrachtet.

Ziel dieser Arbeit ist es einen eigenen Synthesizer mit einfachen elektronischen Mitteln zu bauen. Durch Prototyping werden die meisten Prozesse ausgeübt, erforscht und entwickelt. Mit Zusammenarbeit mehrerer „DIY“ Partner weltweit, werden Projekte vorgestellt, dokumentiert und beleuchtet, die auf die Vielzahl der Möglichkeiten hinweisen, analoge, elektronische Klanggeräte selbst zu entwickeln und in weiterer Folge zu bauen.

1.1 Zielsetzung

In dieser Diplomarbeit haben sich die Verfasser damit beschäftigt, wie ein analoger Klang eigentlich entsteht und wie man einen Klangerzeuger selbst entwickeln und bauen kann. Durch die Einführung in die Welt der Synthesizer der frühen Anfänge, soll von der Komplexität professioneller Modularsysteme, bis hin zur „Einfachheit“ diverser Pocket- Synthesizer der gegenwärtigen Zeit, elektronische Klangerzeugung erklärt und beleuchtet werden. Welche Hürden und Probleme kommen auf einen zu? Die Frage die in dieser Forschungsarbeit geklärt werden soll, ist ob und mit welchem Aufwand es möglich ist, professionell klingende analoge Klangerzeuger mit einfachen Mitteln im Selbstbau zu realisieren. Der Bezug zur DIY-Kultur im Bereich der Klanggestaltung wird ebenfalls näher beleuchtet. Dem Leser soll hiermit Grundlegendes zu diesem Thema vermittelt werden und auch dazu animiert werden, eigene „Mini-Synths“ selbst zu bauen. Im Grunde genommen soll gezeigt werden, wie mit wenigen technischen Mitteln, grundlegenden Elektronikkenntnissen, einem kleinen Budget und etwas Begeisterung recht gute Ergebnisse im Kontext von DIY Klangerzeugung entstehen können.

1.2 Was ist ein Synthesizer?

Zunächst soll definiert werden, was das Wort „Synthesizer“ ausdrückt bzw. bedeutet.

Das Wort „Synthese“ leitet sich aus dem Griechischen ab und bedeutet „Zusammensetzung“. Die Synthese ist eine Verbindung bzw. Verknüpfung einzelner Bestandteile zu einem übergeordneten Ganzen und kommt in verschiedensten Kontexten vor. Als Beispiele seien hier abstrakte Synthesen in Geisteswissenschaften, chemische Synthesen zur Herstellung von Stoffen oder die Photosynthese bei Pflanzen genannt.

Eine weitere Syntheseform ist die elektronische Klangsynthese, was die Erzeugung von Klängen und Geräuschen auf elektronischem Wege bezeichnet. Je nach Typ des Verfahrens unterscheidet man verschiedene Arten der Klangsynthese, diese können auf analogen elektronischen Schaltungen beruhen, oder durch digitale Verarbeitung mittels Computern bzw. Prozessoren verwirklicht werden. Ein Gerät zur Ausführung der Klangsynthese wird Synthesizer genannt. (vgl. Adam et al. 1984, S. 3706f; Raffaseder 2002, S. 223ff)

Im Lexikon findet sich folgende Definition:

„Synthesizer [ßünteßaiser; engl. ßinthißaisa; gr. -engl.], elektron. Musikinstrument, das aus einer Kombination aufeinander abgestimmter elektron. Bauelemente und Geräte (Module) besteht, mit der sich auf rein elektron. Wege Töne und Klänge, Tongemische und Geräusche jegl. Art erzeugen und [halbautomat.] zu musikal. Abläufen oder synthet.-sprachl. Abfolgen zusammenfügen bzw. Verändern lassen.“ (Adam et al. 1984, S. 3707)

Ein Synthesizer ist also ein Musikinstrument, das seinen Klang durch das Zusammenspiel von verschiedenen Komponenten erzeugt und über diverse Parameter variierbar ist. Diese klangbestimmenden Parameter betreffen beispielsweise Tonhöhe des generierten Klangs, die Klangfarbe oder den zeitlichen Verlauf der Amplitude und sind in Echtzeit kontrollier- und modulierbar. Ein Synthesizer kommt sowohl zur Nachahmung von natürlichen Klängen bzw. akustischen Instrumenten, als auch zur Produktion von neuartigen Klängen, die nicht auf natürliche Weise erzeugt werden können, zum Einsatz. (vgl. Raffaseder 2002, S. 223)

1.3 Was ist DIY?

Die Abkürzung „DIY“ steht für die englischsprachige Phrase „do it yourself“, welche zu Deutsch „mach es selbst“ bedeutet. In der englischen Sprache bezeichnet DIY zum einen die Wirtschaftsbranche der Heimwerker-Märkte, des weiteren steht das Kürzel auch für eine Art von Kultur bzw. Einstellung, bei der das Erschaffen von Werken bzw. Durchführen von Tätigkeiten aus eigener Kraft im Vordergrund steht.

Dieser DIY-Gedanke äußert sich auf unterschiedlichste Art und Weise, und beruht auf der Motivation von Menschen, ihren eigenen Ideen und ihrer Kreativität freien Lauf zu lassen und in die Tat umzusetzen.

DIY kann im Allgemeinen als das selbst Durchführen von Tätigkeiten zum Erreichen eines bestimmten Ziels oder zur Befriedigung individueller Bedürfnisse bezeichnet werden. Dies geschieht oftmals durch Personen ohne spezielle Ausbildung und meist ohne Profitgedanken, wobei finanzielle Aspekte teilweise eine Rolle spielen können. In vielen

Fällen steht Spaß an der Herausforderung und Enthusiasmus für ein bestimmtes Themen- bzw. Anwendungsfeld im Vordergrund.

Somit können sowohl Reparaturen im Haushalt, wie auch handwerkliche und künstlerische Tätigkeiten jeglicher Art dem DIY zugeordnet werden. In technischer Hinsicht kann unter DIY das selbst Herstellen, neu Entwickeln und Modifizieren von technischen Geräten verstanden werden, das sich ebenso auf ein breites Feld von Anwendungen ausdehnen lässt.

Synthesizer-DIY bezieht diese Merkmale auf die elektronische Klangerzeugung. Darunter fällt etwa das Anfertigen von elektronischen Schaltungen zur Klangerzeugung oder auch das Modifizieren bzw. Zweckentfremden von industriell gefertigten elektronischen Geräten. Dabei gibt es für Anwender mit unterschiedlichstem Erfahrungs- und Ausbildungsniveau vielfältige Möglichkeiten, ihre Kreativität zu entfalten und interessante Klang- und Geräuschvariationen zu kreieren.

2 Geschichtliche Entwicklung von Synthesizer

Was mit gartenhausgroßen Schränken gefüllt mit Elektronik begann und schon in den frühen achtziger Jahren als ausgereift galt, ist bis in die heutige Zeit nicht totzukriegen, sondern erfreut sich, ganz im Gegenteil, zum wiederholten mal großer Beliebtheit. Grund genug einen Blick an die Anfänge der elektronischen Musikerzeugung zu werfen, die schließlich zu der Erfindung des Synthesizers, wie wir ihn heutzutage kennen und schätzen, führten.

2.1 Synthesizer – Wer hat’s erfunden?

Es mag vielleicht verwundern, aber die Ursprünge des uns heute bekannten Instruments des Analogen Synthesizers liegen schon ziemlich weit zurück. Bereits am Anfang des vorigen Jahrhunderts wurde versucht, Elektrizität musikalisch nutzbar zu machen und damit neuartige Musikinstrumente zu erfinden, die Elektrizität zur Klangerzeugung nutzten.

2.1.1 Dynamophon (Tellharmonium)

Als erstes elektro-mechanisches Musikinstrument wird gemeinhin das 1897 von dem US- Amerikaner Thadeus Cahill erfundene Tellharmonium oder auch Dynamophon genannt. Es arbeitet nach dem Zahnradgenerator-Prinzip, das bedeutet die Anzahl der Zähne eines Zahnrades bestimmten die Tonhöhe. Die Ausmaße des Instruments waren enorm und das Gewicht betrug ca. 200 Tonnen. Trotzdem wurde es zu Vorführungen an viele Orte der USA transportiert, obwohl der Transport gut und gerne 30 Güterwaggons in Anspruch nahm. Übertragen wurde die Musik über das Telefonnetz da es noch keine Lautsprecher gab. Abbildung 01 zeigt das Tellharmonium. Dies wurde wegen seiner Komplexität meist von zwei Musikern gespielt. (vgl. Schmitz 2004, S. 11)

Abb. 01: Das Tellharmonium

2.1.2 Theremin

In den 1920-er Jahren wurde ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Erfindung des analogen Synthesizers gelegt, das Thermin oder auch Ethereophon wurde erfunden. Der russische Erfinder Leon Theremin entwickelte ein Instrument, das im Inneren mit zwei Oszillatoren arbeitete und aus dem zwei Antennen ragten. Die Oszillatoren spielten Klänge in einem Bereich von 300 kHz, weshalb diese durch eine Tiefpass Filterung erst hörbar gemacht werden mussten. Je näher man seine Hand an eine der beiden Antennen hielt, um so höher wurde der Ton und je weiter weg, umso tiefer wurde der Ton. Die zweite Antenne war zu einem Bogen geformt und diente der Steuerung der Lautstärke, die Funktionsweise ähnelte jener der ersten Antenne. Das Theremin wurde im Laufe der Zeit in vielen Musikproduktionen eingesetzt, als berühmtes Beispiel sei hier der Einsatz in dem Stück Good Vibrations von den Beach Boys genannt. (vgl. Schmitz 2004, S. 12)

Abb. 02: Moog´s Theremin

2.1.3 Spherophon

Das Spherophon wurde 1926 von dem Deutschen Jörg Mager erfunden und war grundsätzlich dem Theremin sehr ähnlich. Anders als beim Theremin wurde hier aber ein verstellbarer Kondensator verbaut der zur Änderung der Tonhöhe diente. In einer späteren Überarbeitung hatte man sogar eine Klaviatur zum Spielen des Instruments. (vgl. Schmitz 2004, S. 13)

Abb. 03: Jörg Mager an seinem Sphärophon

2.1.4 Trautonium

1930 war das Jahr in dem der Deutsche Friedrich Trautwein an der Musikhochschule Berlin in der Rundfunkversuchsstelle, sein Musikinstrument vorstellte. Er war bei der Musikakademie Berlin, Telefunken und AEG tätig, dadurch hatte er die Möglichkeit, sein Instrument industriell fertigen zu lassen. Damit war das Trautonium das erste, wenn auch nur in sehr geringer Stückzahl, industriell gefertigte elektronische Musikinstrument und Telefunken dessen Hersteller. Gespielt wurde es mit einem Stahlseil das über einer Metallplatte gespannt war, anstelle einer Klaviatur, durch den veränderten Widerstand, der sich ergab wenn man das Seil in Richtung Platte drückte, wurde die Tonhöhe beeinflusst. (vgl. Schmitz 2004, S. 14)

Abb. 04: Das Volkstrautonium von Telefunken

2.1.5 Hammond Orgel

Im Chicago der 1930 er Jahre gab es nicht nur Gangster, nein auch ein eifriger Erfinder Namens Laurens Hammond hat in dieser Stadt Geschichte geschrieben. Er erfand eine Orgel die auf dem antiquierten Prinzip des Dynamophon von Cahill basierte. Natürlich war die Hammond Orgel in seinen Ausmaßen und Gewicht nicht mehr mit der von Cahill geschaffenen überdimensionalen Maschine zu vergleichen. Der einer Kirchenorgel ähnliche Klang ist in unzähligen Musikproduktionen bis in die heutige Zeit verewigt, und hat vor allem den Sound des Genres Jazz geprägt. Die Hammond Orgel wird in weiterentwickelter Form bis heute produziert. (vgl. Schmitz 2004, S. 16)

Abb. 05: Die Hammond Orgel in Originalausstattung mit integrierten Lautsprechern

2.1.6 RCA Mark II Sound Synthesizer

Ein weiterer Vorläufer des Instrumentes, welches wir heutzutage unter einem analogen Synthesizer verstehen, war der 1955 von der Radio Corporation America vorgestellte RCA Electronic Music Synthesizer. Seine Erfinder F. Olson und Herbert Belar haben eine Maschine entwickelt, die Eingabeseitig durch ein Telex-Keyboard mit musikalischen Ideen gefüttert wurde. Ausgabeseitig diente das durchlöcherte Papier als Steuerbefehl zur Anregung von 12 Sinusoszillatoren, die fix auf die 12 Teiltöne einer Oktave eingestellt waren. Mit einem Schalter konnte man durch 8 verschiedene Oktaven schalten. Der RCA Mark II hatte so enorme Ausmaße, dass es ein ganzes "Musikzimmer" brauchte um ihn unterzubringen. (vgl. Schmitz 2004, S. 17)

Abb. 06: Der RCA Mark II

2.1.7 Moog spannungsgesteuerter Synthesizer

Der erste Synthesizer wie wir ihn heute kennen wurde 1964 von dem Amerikaner Robert Arthur Moog auf einer Tagung der AES vorgestellt. Sein früherer Wegbegleiter Don Buchla hatte zwar schon wenige Zeit zuvor seinen Synthesizer vorgestellt, doch nur der Synthesizer von Moog hatte den Steuerspannungsstandard 1Volt per Oktave, der bis zur heutigen Zeit gültig ist und von vielen Geräten verwendet wird. (vgl. Schmitz 2004, S. 18)

Abb. 07: Moog Modular von Wendy Carlos

2.2 Synthesizer die Musikgeschichte schrieben

2.2.1 Moog

Wie bereits im Kapitel über die Entwicklung des Synthesizers beschrieben, ist es die Firma Moog, aber vor allem der Gründer dieser Firma, Robert Arthur Moog, der den ersten 1V/Oktave durch Steuerspannung kontrollierbaren Synthesizer entwickelt hat. Aber Moog setzte nicht nur damals Standards, sondern Synthesizer dieser Marke gelten bis in die heutige Zeit für viele Musiker als das Nonplusultra. Grund genug die Anfänge sowie den Werdegang dieses Unternehmens und von Robert A. Moog näher zu beleuchten.

Bereits im zarten Alter von 19 Jahren gründete Bob Moog mit Unterstützung seines Vater, die Firma R. A. Moog Co. Die Firma diente vor allem dem Zweck die Theremins, die er bereits seit seinem fünfzehnten Lebensjahr als Hobby in seiner Freizeit baute, zu verkaufen. Er bot damals sowohl fertig zusammengebaute Instrumente, als auch Selbstbausätze an.

Zu dieser Zeit studierte er an der Cornell Universität Technische Physik. Bob´s Freund Walter Sear überredete ihn im Winter 1963 dazu, an einer Tagung der New York State School of Music Association teilzunehmen. Dort traf er den Musiker und Techniker Herb Deutsch. Dieser war sofort von Bob´s Ausführungen begeistert. Herb Deutsch war Teil der experimentellen Musikszene in New York und lud Bob zu einer seiner Klang-Performances ein. Dieser war von der Andersartigkeit und starken Wirkung der Performance beeindruckt und somit sofort begeistert, als ihm Herb von seinen Wünschen erzählte, ein transportables elektronisches Musikstudio zu entwickeln.

Zu jener Zeit wurden Transistoren billiger und sie waren leichter erhältlich, als in den Jahren davor. Bob entdeckte, dass er die Transistoren dazu verwenden konnte, die Tonhöhe eines Oszillators zu verändern, indem er die Spannung veränderte. Mit diesem Wissen entwickelte er das Konzept, nachdem beinahe jeder analoge Synthesizer bis in die heutige Zeit arbeitet. Es war die Geburtsstunde des Standards von 1 V/Oktave. Bereits 1964 stellte er sein nach diesem Standard arbeitendes Instrument, den ersten Moog Modular, bei einer Tagung der Audio Editing Society (AES) vor. Die Begeisterung für sein Instrument war riesig und er erhielt sofort Aufträge von namhaften Künstlern wie beispielsweise John Cage, die alle eines seiner damals noch nur als Spezialanfertigung erhältlichen Geräte erwerben wollten.

Eine seiner wichtigsten Spezialanfertigungen erzeugte Bob für den Musiker Wendy Carlos. Er beauftragte Moog ein Keyboard zu entwickeln, welches es ermöglichte, die Spannung von

einer bestimmten Taste der Klaviatur, zur Spannung der als nächstes angeschlagenen Taste gleiten zu lassen. Somit war der Pitch-Glide-Effekt erfunden. Der Musiker dankte es dem Erfinder 1968, als er das Album "Switched on Bach" herausbrachte. Auf diesem Album wurden bekannte Stücke von Bach mit einem Moog Modular Synthesizer gespielt. Das Album hielt sich im Frühling 1969 für über 17 Wochen an der Spitze der Billboard Pop Music Charts und war das erste klassische Album, das mit über 500.000 verkauften Kopien Platin Status erreichte. Dadurch gilt es zum heutigen Tag als der Durchbruch des Musikinstruments Synthesizer. Davor wurden Synthesizer meist als experimentelles Geräuschspielzeug missinterpretiert. vgl. http://www.moogmusic.com/legacy/history-page- turned-tunes, zuletzt besucht 8. 8. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 2, Unterverzeichnis moogmusic.com bei).

Neben John Cage und Wendy Carlos reihten sich bereits, in den Anfangsjahren des Unternehmens, weitere namhafte Musiker in die Riege der Synthesizer Benutzer ein. So sind die Klänge des Moog in Liedern von „The Monkees“, „The Byrds“, „The Beatles“ oder auch „The Doors“ zu hören. Praktisch transportabel oder leicht spielbar waren die ersten Modular- Systeme jedoch noch nicht, daher wurden von den meisten Bands, die planten, Synthesizer in ihrer Musik zu verwenden, extra sogenannte Synthesizer - Programmierer angeheuert.

Aber Moog hatte noch lange nicht genug von Innovationen und so setzte er 1971 mit der Entwicklung des Minimoog erneut Maßstäbe. Der Minimoog ist ein analoger, nicht- modularer, monophoner Synthesizer mit integrierter Klaviatur über dreieinhalb Oktaven. Vor allem wegen seiner nicht-modularen Bauweise und, damit einhergehend, der Einschränkung der Möglichkeiten, gilt er als der erste Synthesizer, der von Musikern ohne große Probleme bedient werden konnte. Entwickelt wurde er von Bob Moog und seinem Mitarbeiter Bill Hemsath. Die Technik im Inneren des Gerätes basierte auf der des Modular-Systems, am Bedienpaneel konnte man jedoch nicht mehr die einzelnen Module, mittels Patchkabeln, untereinander verbinden. Die Verbindungen waren im Inneren des Synthesizers in der Reihenfolge VCO ->VCF -> VCA umgesetzt. Dies wurde abermals zu einem Standard, den beinahe alle nachfolgenden Synthesizer, die auf der subtraktiven Klangsynthese basieren, bis heute implementieren.

Der Minimoog wird vor allem für seinen reichhaltigen, warmen Analogsound geschätzt, welcher zu großen Teilen auf dem 24 db/Oktave Transistor Tiefpass Filter basiert. Weiters verfügt der Minimoog über drei Oszillatoren, die gegeneinander verstimmt werden und bei denen jeweils 6 verschiedene Wellenformen eingestellt werden können. Einer der Oszillatoren kann als LFO betrieben werden, um verschiedene Quellen zu modulieren. Der

Minimoog ist das Vorbild der meisten nach ihm entstandenen Synthesizer und hat sich einen fixen Platz in der Geschichte der Synthesizer gesichert. vgl. http://www.vintagesynth.com/moog/moog.php, zuletzt besucht 5. 8. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 2, Unterverzeichnis vintagesynth.com bei).

Abb. 08: Minimoog

2.2.2 Korg

Korg zählt zu den Premium-Marken, wenn es um elektronische Musikinstrumente geht. Gegründet wurde das Unternehmen von dem Japaner Tsutomu Katoh. Katoh war Besitzer eines Nachtclubs, dort trat der damals bekannte Akkordeon Spieler Tadashi Osanai regelmäßig auf. Osanai war Absolvent der japanischen Tokyo Universität und kannte sich daher mit Elektronik gut aus. Eines Tages trat Katoh an den Musiker heran und berichtete ihm von der Idee, eine Rhythm Machine zu entwickeln. Der Musiker war sofort begeistert und überzeugte den Nachtclubbesitzer, ihn als Chefentwickler für dieses Projekt anzuheuern und bei der Entwicklung finanziell zu unterstützen.

1962 mietete Katoh ein Fabriksgelände, dieses lag neben der Eisenbahnstrecke Keio und so entstand der erste Name des Unternehmens Keio Electronic Laboratories, welcher später zum Namen Korg umgeformt wurde. K stand für Keio und ORG leitete sich von Organ ab.

Das erste Produkt der Firma Korg war die DoncaMatic DA-20 Rhythm Machine. Diese verhalf ob seiner revolutionären Technologie dem Unternehmen KORG zu seinem Durchbruch. Das Unternehmen produzierte von da an viele Drum Machines, von denen wohl die Mini-Pop (MP) und die KORG Rhythm Serien (KR) am Erfolgreichsten waren.

Korg präsentiert sich zwar als sehr innovativ, die erfolgreichsten Produkte des Unternehmens waren jedoch meist Geräte, die nach dem Vorbild anderer Hersteller entwickelt wurden und zu einem niedrigeren Preis angeboten werden konnten. So geschehen ist dies beispielsweise mit dem MS-20, der dem Konzept des ARP 2600 sehr ähnlich war, diesen jedoch mit niedrigerem Preis ausstach. Ein weiteres Beispiel für diese Unternehmensstrategie ist der Polysix aus dem Jahr 1981. Dieser nahm sich den Prophet-5 von Sequential Circuits zum Vorbild, konnte jedoch um weniger als die Hälfte des Preises angeboten werden und erfreute sich nicht zuletzt dadurch großer Beliebtheit. vgl. http://www.korg.com/Corporate, zuletzt besucht 3. 8. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 2, Unterverzeichnis korg.com bei).

Einer der größten Erfolge des Unternehmens stellte der große Bruder des MS-10, der MS-20 dar. Der MS-20 ist ein monophoner Synthesizer, für Lead- und Bass-Klänge mit integrierter Klaviatur über drei Oktaven. Er gehört zur Kategorie der hybriden Synthesizer, da er zwar intern fest verdrahtet ist, dieser Signalfluss jedoch, durch patchen am Frontpaneel verändert werden kann. Das MS im Namen steht für Monophonic Synthesizer und genau das war er auch. Dieser Synthesizer besteht aus zwei spannungsgesteuerten, analogen Oszillatoren, zwei resonanzfähigen, spannungsgesteuerten Filtern, zwei spannungsgeregelten Verstärkern, einem Rauschgenerator, einem Sample and Hold Modul und einem frei zuweisbaren Modulationsrad sowie vielen Drehpotentiometern zur Parametereinstellung. vgl. http://www.vintagesynth.com/korg/ms20.php, zuletzt besucht 4. 8. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 2, Unterverzeichnis vintagesynth.com bei).

Obwohl er, ähnlich wie bei Rolands TB 303, anfänglich nicht oft verkauft wurde, da sein Sound nicht an den eines Minimoog, sowie seine Möglichkeiten nicht an den des ARP 2600 heranreichten, wurde er weitläufig, vor allem wegen seines niedrigen Verkaufspreises, als „poor mans moog“ bezeichnet. Wegen der für seine Zeit tollen Möglichkeiten, zu einem gleichzeitig erschwinglichen Preis, wurde er zu einem der meistverwendeten Synthesizer in der Musikszene. Durch den zahlreichen Einsatz in Popproduktionen und von elektronischen Musikern erreichte sein Sound schließlich Kultstatus. Dem riesigen Erfolg des Synthesizers und der nicht nachlassende Nachfrage an gebrauchten MS-20 Geräten, sowie der neuerliche Boom von analoger Hardware, ist es zu verdanken, dass sich Korg 2013 dazu entschlossen hat eine Neuauflage dieses Produkts zu produzieren. Laut Angaben des Herstellers sind alle Schaltungen mit dem Modell das 1978 vorgestellt wurde ident. Das Gehäuse wurde jedoch verkleinert und es wurde ein MIDI sowie ein USB Anschluss hinzugefügt. Die neue Version des MS-20 nennt sich MS-20 mini. vgl.

http://www.hollowsun.com/vintage/ms20/, zuletzt besucht 5. 8. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 2, Unterverzeichnis hollowsun.com bei).

Abb. 09: Korg MS-20

2.2.3 Roland

Roland ist einer jener Hersteller von elektronischen Musikinstrumenten, deren Name wohl auf ewig in die Bücher der Musikgeschichte eingehen wird. Einer der Hauptgründe dafür ist neben anderen prominenten Vertretern aus dem Produktkatalog von Roland, aber vor allem der TB303 Bass Line Synthesizer.

Das japanische Unternehmen Roland wurde 1972 von Ikutaro Kakehashi gegründet. Besagter Mann hatte zuvor schon mehrere Unternehmen geleitet, die sich mit der Produktion von elektronischen Musikinstrumenten beschäftigten, darunter Ace Electronic Industries sowie Hammond Japan. Auch Roland hatte sich, so wie viele andere Elektronik Pioniere dieser Zeit, ganz der Musik verschrieben.

Die ersten Produkte, die den Namen Roland trugen, waren die TR 33, TR 55 und TR 77 Rhythm Boxes. Weiters muss hier auch der Jupiter 8 Synthesizer von Roland Erwähnung finden, der großen Anteil am Erfolg des Unternehmens hat. Der Jupiter 8 war Rolands erster professioneller analoger Synthesizer und einer der ersten polyphonen Geräte, die großen Anklang unter Musikern fand.

1982 war es soweit, der Mitarbeiter und spätere Unternehmensführer Tadao Kikumoto entwickelte einen monophonen Synthesizer mit nur einem Oszillator mit eingebautem

Sequenzer. Eigentlich war das Gerät als Begleitinstrument für Gitarren- oder Keyboardspieler gedacht, die es sich nicht leisten konnten, einen Bassisten zu engagieren. Das Gerät hieß Roland TB 303 Bass Line, das TB im Namen steht für „transistorized bass“ und war in seiner ursprünglich angedachten Verwendungsform - so kann man getrost sagen - ein Flop.

Nichtsdestotrotz war es dieses Gerät, das den Grundstein für einen ganzen Musikstil legte. Dass der Synthesizer als Begleitinstrument nicht die gewünschte Anerkennung erhielt, lag vor allem an seinem nicht natürlich genug klingendem Sound. Ein weiterer Grund war, dass die komplexe Programmiersteuerung anfangs für Musiker zu schwer zu verstehen war. Aber genau diese Unnatürlichkeit und der eigenwillige Klangcharakter waren es, die dem Instrument ein wenig später, zu einem stilprägenden Element von z.B. Techno-Basslines machten und ihn somit zu einem der legendärsten Synthesizer der Musikgeschichte werden ließ.

1984 stellte Roland die Produktion des ca. USD 400,-- kostenden Gerätes, aufgrund der geringen Nachfrage wieder ein und der TB 303 wurde zu sehr geringen Preisen in verschiedenen second hand Musikgeschäften angeboten. Der geringe Preis war es, der einige junge Enthusiasten dazu animierte, sich genauer mit dem TB 303 auseinander zu setzen. Es dauerte nicht lange, bis einige von ihnen das außergewöhnliche Potential, vor allem für neuartige Musikstile, das dem Gerät inne wohnt, erkannten und mit dem eigenwilligen Sound zu experimentieren begannen. Dies war die Geburtsstunde von dem Musikstil Acid Techno. Es entwickelte sich ein neuer Work-Flow, dieser war es, eine kurze Sequenz zu programmieren und dann mit den 12 zur Verfügung stehenden Drehpotentiometern den Sound möglichst expressiv live zu gestalten. Ebenso großen Anteil an dem Erfolg des Synthesizers hatte und hat bis in die heutige Zeit auch das resonanzfähige, 3-polige Tiefpass Filter. Der Filter hatte große Ähnlichkeit mit dem berühmten Moog Transistor-Leiter-Filter, unterscheidet sich aber zu Moogs 4-poligen Filter, und den resultierenden 24dB/Oktave, bei Roland waren es jedoch nur 18dB/Oktave. Um nicht mit dem Patentrecht von Moog´s Filter zu kollidieren, tauschte Roland die Transistoren im Design von Moog durch Dioden aus. vgl. http://www.rolandus.com/blog/2013/03/28/tb- 303-acid-flashback/; http://www.traxx24.com/how-did-the-roland-tb-303-change-dance- music-and-influence-current-music-technology, zuletzt besucht 5. 8. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 2, Unterverzeichnis traxx24.com und rolandus.com bei).

Abb. 10: Links unten: TB-303, rechts: Drumatix, darüber: TR-808

3 Aufbau eines analogen Synthesizers

3.1 Grundlagen elektronischer Klangerzeugung

Im Allgemeinen geht es bei der Erzeugung elektronischer Klänge darum, durch die erzeugten Klangsynthesen komplexe Klangereignisse zu realisieren. Ein wichtiger Teilaspekt von elektronischen Klangerzeugern ist es, eine Reproduzierbarkeit von akustischen Instrumenten aus Gründen der Wirtschaftlichkeit schaffen zu können und mindestens genau so wichtig und ausschlaggebend ist die Herstellung von „neuen“ Klängen, die nicht mit herkömmlichen Instrumenten erzeugt werden können, zu schaffen. (vgl. Raffaseder 2002, S. 223)

Bei natürlichen Klangereignissen, zum Beispiel mit akustischen Instrumenten, kann man leicht nachvollziehen wie die Ursache eines Klanges entstanden ist. Entweder wird eine Saite gezupft, in ein Rohr geblasen oder auf eine Trommel geschlagen. Bei Entstehung des elektronischen Klanges ist die Ursache und Wirkung des Klanges nicht mehr ganz so leicht nachvollziehbar wie es bei den akustischen Instrumenten der Fall ist. Beim Synthesizer dagegen ist ein Wissen, welches zur Zusammensetzung von Klängen ausschlaggebend ist, entscheidend, um die Imitation und das Gestalten von neuen Klängen optimal gewährleisten zu können. (vgl. Schmitz 2004, S. 29)

Um erfolgreich mit elektronischer Synthese umgehen zu können, muss die Anzahl der wichtigsten Parameter bewusst kontrollierbar sein, um die klangentscheidenden Parameter des Klangs bestimmen und beeinflussen zu können. Das Ergebnis sollte möglichst vielseitig veränderbar sein, jedoch ist es auch wichtig eine gewisse Übersichtlichkeit zu bewahren. Außerdem ist es von Vorteil, wenn der Benutzer die Parameteränderungen und deren Auswirkungen auf den Klang vorhersehen kann, um im Klangentstehungsprozess effektiver zum kreativen Teil der Klanggestaltung zu gelangen. (vgl. Raffaseder 2002, S. 223)

3.1.1 Grundelemente der analogen Klangentstehung

Um ein analoges Klangbild entstehen zu lassen sind drei signalführende Bausteine nötig. Diese Komponenten sind maßgeblich daran beteiligt, das Signal zu erzeugen und zur Weiterverarbeitung freizugeben.

Ein analoger Synthesizer kommt nun zu seinem Klangergebnis, indem diese drei Module zusammenwirken. Ein oder mehrere Oszillatoren erzeugen eine Wellen mit bestimmter Form, dann wird das Klangsignal in das Filter miteinbezogen, mit dessen Unterstützung Obertöne aus der Wellenform entfernt werden können, um hiermit die Klangfarbe zu gestalten. Des weiteren wird zuletzt ein Verstärkermodul hinzugeschaltet um die Lautstärke zu steuern. Die typische Arbeitsweise vom Filter und Verstärker geben dem klassischen Synthesizer aufgrund des Verhaltens ihren Namen. Ein ursprüngliches, erzeugtes Signal von einem Oszillator, wird in das Filter geschickt, wobei hier etwas vom Ursprungsklang weggenommen wird, genauer gesagt wird vom Filter und Verstärker die Wellenform so verändert, dass stets etwas weggenommen, also subtrahiert wird, um das Ergebnis des Klangs zu erhalten. Rein technisch gesehen wird diese Form zur Klangentstehung und Klanggestaltung, als subtraktive Synthese bezeichnet. (vgl. Schmitz 2004, S. 30)

Diese einfache Grundstruktur der elektronischen Klangerzeugung lässt jedoch vermuten, dass das Klangergebnis eher etwas leblos, starr und statisch ist. Hierzu werden diese Grundelemente von außen gesteuert, um etwas Lebendiges in den Klang einfließen zu lassen. Die Bezeichnung von CO, CF und CA bekommt daher ihre Benennung, da das C für Control steht. In der Analogtechnik werden durch Spannungsänderungen, im englischen als „Control Voltage“ bezeichnet, diese oder andere Module angesteuert. Eine Ansteuerung kann mit verschiedenen Elementen erfolgen, welche in den nächsten Kapiteln näher erläutert werden. Die Abbildung 11 soll einen kurzen Überblick der entscheidenden Module eines subtraktiven, analogen Synthesizers zeigen. (vgl. Raffaseder 2002, S. 227)

Abb. 11: Module, subtraktiver Klangerzeugung

3.1.2 Wichtige Verfahren elektronischer Klangerzeugung

Um die wichtigsten, grundlegenden Syntheseformen näherzubringen, wird hier kurz auf die gängigsten Verfahren der elektronischen Klangerzeugung eingegangen.

3.1.2.1 Additive Synthese

Eine der ältesten Klangsyntheseverfahren wurde bereits um 1950 praktisch angewendet. Bei der sogenannten additiven Klangsynthese wird eine Anzahl von harmonischen Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen additiv überlagert, um den gewünschten Klang zu erzeugen. Die entscheidenden, theoretischen Erkenntnisse der Fourier-Analyse wurden hiermit praktisch realisiert. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist der direkte Zugriff auf jede im Klang vorkommende Frequenzkomponente. Daraus ergibt sich eine große Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten. Auch der Zugriff und Einfluss auf die zeitabhängigen Amplituden der Teiltöne ist unabhängig voneinander. Interessante, dynamische Veränderungen der Klangfarbe lassen sich hiermit gut erzielen. Eine intuitive, kreative Klanggestaltung wird aber bei zunehmender Anzahl der Teilschwingungen immer schwieriger, da die Anzahl der klangbestimmenden Parameter schnell unüberschaubar werden können und dadurch kann es zu Grenzen kommen, um komplexere Klänge zu kreieren. (vgl. Raffaseder 2002, S. 234)

3.1.2.2 Subtraktive Synthese

Wie bereits im vorigen Kapitel erwähnt handelt es sich bei der subtraktiven Syntheseform darum, etwas von den drei Hauptmodulen zu subtrahieren um auf die gewünschte Wellenform zu kommen. Realisiert wird die subtraktive Synthese quasi vom typischen VCO- VCF-VCA Modell als Klangerzeuger und Klanggestalter und zur Steuerung werden LFO, eine Hüllkurve und ein Keyboard eingesetzt. Der grundlegende Aufbau eines subtraktiven Synthesizers kann also damit identifiziert werden. Die Anzahl der Oszillatoren, Filter, LFOs und Hüllkurven kann natürlich noch erweitert werden. Ein besonderer Vorteil der subtraktiven Synthese ist, dass mit wenigen Parametern anschauliche Ergebnisse erzeugt werden können und verhältnismäßig einfach kann eine Klangprogrammierung damit gewährleistet werden. Die subtraktive Klangerzeugung hat dennoch, oder gerade deshalb, großen Wert für die elektronische Musik.

Die meisten analogen Synthesizer der großen Stunde, wie zum Beispiel die berühmten Moog-Synthesizer, sind auf dem Prinzip der subtraktiven Synthese aufgebaut. Mehrere Musikstile, wie etwa die Technobewegung ab den 90er-Jahren, haben maßgeblich zum Hype der „alten“ analogen Geräte beigetragen. (vgl. Raffaseder 2002, S. 234f)

3.1.2.3 Wavetable-Synthese

Eine Erweiterung des subtraktiven Klangprinzips bietet die Wavetable-Synthese. Hierbei werden zusätzlich zu den einfachen, statischen Grundwellen eine Vielzahl von weiteren Wellenformen hinzugefügt bzw. zur Verfügung gestellt. Meist werden 32 oder 64 Wellenformen zur Verfügung gestellt und in einem sogenannten Wavetable zusammengefasst. Innerhalb dieses Wavetables kann der Oszillator hin- und herspringen was zur Folge hat, dass der Verlauf der Wellenform zum veränderten Klang führt. Die Klangverläufe wirken dadurch sehr lebendig. Dies ist auch ein großer Vorteil dieser Syntheseform, da auf einfache Weise eine große Vielzahl an Klangvariationen erreicht werden können. (vgl. Raffaseder 2002, S. 235)

3.1.2.4 FM-Synthese

Eine Besonderheit von Syntheseformen ist die FM-Synthese. Hierzu wird die Frequenz eines Trägersignals durch ein Modulationssignal verändert. Das Modulationssignal liegt im hörbaren Bereich, im Gegensatz dazu wie es zum Beispiel bei einem LFO ist. Beeinflusst wird die Stärke der Modulation durch den genannten Modulationsindex. Durch die Frequenzmodulation entstehen im Signalspektrum eine neue, große Anzahl an Obertönen, welche aber auch von den Amplituden des Modulationsindex abhängig sind. Des Weiteren können noch zusätzliche Modulationsquellen weitere Frequenzen ansteuern. Hiermit lassen sich recht komplexe Spektren verwirklichen, die klanglich sehr hochwertig sind. Mit wenigen Bauteilen lässt sich eine große Vielfalt von Klangereignissen erzielen. Bei der FM-Synthese ist es jedoch von Nachteil, da sie einen verhältnismäßig großen Aufwand mit einer hohen Einarbeitungszeit für die Programmierung der Klänge erfordert. Die Frequenzmodulation findet ihren Einsatz auch in der Übertragungstechnik. Die Firma Yamaha nutzte ebenso dieses Syntheseverfahren für ihren allseits bekannten digitalen Synthesizer DX7, welcher maßgeblich die Musik der 80er beeinflusst hat. (vgl. Raffaseder 2002, S. 237)

Entstanden ist diese Art der Synthese in den Anfängen der Siebziger auf der Stanford Universität durch Dr. John Chowning. Anfänglich konnte nur durch technische Operatoren

mit Sinuswellen gearbeitet werden. Die Sounds die hierbei kreiert wurden hatten zwar erzeugte harmonische Oberwellen, dennoch wurde durch die Modulation weiterer Oszillatoren das Ergebnis nur halbwegs zufriedenstellend. In weiterer Folge wurden mehrere Operatoren eingesetzt, um ein optimales Verfahren der Modulatoren und dem Trägersignal zu gewährleisten. Es ist aber auch möglich eine FM Synthese, wie wir es aus typischen FM- Synthesizern kennen, mit einem analogen Synthesizer zu emulieren. Dies kann einfach mit zwei Oszillatoren bewerkstelligt werden. Ein Oszillator dient als Modulator, der Andere als Trägersignal. Beim Antriggern beider Oszillatoren wird aus diesen beiden erzeugten Wellenformen eine neue Wellenform durch Steuerung der Tonhöhe erreicht. Der Ausgang des ersten Oszillators geht dann in den Modulationseingang des zweiten Oszillators. Dadurch wird die Tonhöhe des zweiten Oszillators verändert, wenn die Frequenz des ersten Oszillators verändert wird. So kann man eine FM-Synthese mit einem analogen Synthesizer emulieren. Diese Form der Modulation wird bei analogen Synthesizern als Cross-Modulation bezeichnet. In den nächsten Kapiteln wird darauf etwas genauer eingegangen. Des Weiteren wird diese Art von Emulation der FM-Synthese in den DIY-Projekten realisiert, welche in Kapitel 8 dokumentiert wurden. (vgl. Snoman 2009, S. 27)

Die folgende Abbildung zeigt die Möglichkeiten eine FM-Synthese mit mehreren Oszillatoren zu emulieren.

Abb. 12: Emulation von FM-Synthese mit Oszillatoren

3.1.2.5 Waveshaping-Synthese

Die Waveshaping-Synthese soll hier ebenso kurz genannt werden. Technisch gesehen, werden nichtlineare Verzerrungen gezielt genutzt, wobei als Ergebnis aus einer einfachen

Schwingung, ein obertonreiches Signal erzeugt wird. Die Waveshaping-Funktion bestimmt bei ihrer Wahl die Anzahl der zu erzeugenden Teiltöne. Hierbei können recht einfache, je nach Stärke der Amplitude, dynamische Klangänderungen erreicht werden. Der Nachteil des Verfahrens ist es jedoch, dass auf diese Weise nur Frequenzkomponenten geschaffen werden können, welche als ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz im Eingangssignal enthalten sind. (vgl. Raffaseder 2002, S. 237)

3.1.2.6 Granularsynthese

Eine weitere Form der Synthese ist die Granularsynthese. Ein beliebiges Schallsignal wird in sogenannte Grains, die nur wenige Millisekunden lang sind, zerlegt. Diese Schallpartikel können nun in beliebiger Reihenfolge wieder zusammengesetzt werden. Beim Abspielen müssen diese Grains überblendet werden, um nicht nur durch einfache Aneinanderreihung Störungen zu verursachen. Es lassen sich zwar enorm viele Effekte, wie rückwärtsspielen oder Scratchen damit erreichen, jedoch bleibt bei dieser Form der Synthese die Tonhöhe immer konstant. Die wichtigsten Parameter der Granularsynthese sind Startposition, Länge des Grains und die Wiedergabegeschwindigkeit. Bei sehr kurzen Grains lassen sich ähnliche Klänge erzielen, wie es bei der subtraktiven Synthese der Fall ist. Bei zu langen Grains jedoch wirkt der Sound schnell etwas leblos. Der Einsatz von Granularsynthese ist aber eher nichts für den konventionellen Synthesizer oder für das Nachahmen von akustischen Instrumenten. Aber um experimentelle, elektronische Klanggestaltung zu betreiben, bietet diese Form hervorragende Möglichkeiten. (vgl. Raffaseder 2002, S. 239)

In weiterer Folge sollte noch erwähnt werden, dass diese Form der Synthese gerne in Software-Synthesizern benutzt wird. Die Schwierigkeiten, welche bei analogen Synthesizern entstehen um dieses Verfahren nutzvoll einzusetzen, können auf digitalem Wege eher vereinfacht realisiert werden. Der Grund dafür ist Folgender. Um eine Tonfolge ohne hörbare Überschneidungen zu kreieren, werden ca. 200 - 1000 Grains genutzt, was unter anderem einer der Hauptgründe ist, warum dies mit analoger Hardware schwer zu realisieren ist. Das Anwendungsgebiet findet sich also hauptsächlich in Form von Software-Synthesizern. (vgl. Snoman 2009, S. 28f)

3.1.2.7 Physical-Modeling

Kurz wird hier noch das Physical Modeling erwähnt, welches ein recht junges Verfahren für elektronische Klanggestaltung, ist. Der Einsatz dieser Form wurde ab ca. Mitte der 90er-

Jahre für relativ teure Synthesizermodule kommerziell freigegeben. Der wesentliche Unterschied zu den anderen Syntheseformen ist es, dass es nicht um Beeinflussung des zeitlichen Verlaufs oder um die spektrale Zusammensetzung geht, sondern vielmehr steht das Nachbilden der klanglich bestimmenden Elemente und deren Entstehungsmechanismen im Vordergrund. Statt mit Oszillatoren, Filter und Hüllkurven hat man es hier eher mit Computersimulationen, zum Beispiel von Membranen, Saiten, etc. zu tun. Ein Nachahmen von verschiedensten Klangereignissen lässt sich mit diesem Verfahren verwirklichen. Ein großer Nachteil jedoch ist es, dass dieses Verfahren einen sehr hohen Rechenaufwand erfordert und somit von der Rechenleistung abhängig ist. Physical Modeling bietet einen weiteren sehr guten Einsatz, nämlich das Nachbilden von sogenannten virtuell-analogen Synthesizern. Eine große Vielzahl an virtuell-analogen Synthesizern befinden sich schon heutzutage auf normal, standardisierten Computern, was natürlich auch auf die Technik des Physical Modeling zurückzuführen ist. (vgl. Raffaseder 2002, S. 240f)

3.2 Grundlegende Bauformen von Synthesizern

Grundsätzlich kann man den Aufbau von Synthesizern in drei Varianten aufteilen. Die modulare Bauweise, die normalisierte bzw. nicht-modulare Bauweise und eine semi- modulare Bauweise als hybride Mischform beider Bauweisen. Als erstes wurde die modulare Bauweise erfunden, da diese jedoch zu kompliziert für die meisten Musiker anmutete, wurden danach nicht - modulare Synthesizer entwickelt. Als man dann schließlich die Möglichkeiten eines Modularsystems zu schätzen wusste und diese schmerzlich bei einem nicht - modularen Synthesizer vermisste, wurden sogenannte hybride Synthesizer entwickelt.

3.2.1 Nicht modularer Synthesizer (normalized)

Bei der nicht modularen Bauweise kann der Benutzer auf direkte Art und Weise, über Schalter und Potentiometer auf dem Bedienpaneel, Einfluss auf den Klang nehmen. Auf diese Weise lassen sich jedoch Module nur auf die Art verbinden, wie es der Designer des Synthesizer als nützlich betrachtet hat, da die Module intern bereits miteinander verbunden sind. Nur durch Betätigung eines Schalters ist es möglich eine andere Verbindung herzustellen, diese muss aber ebenfalls schon intern vom Hersteller möglich gemacht worden sein. Gegenüber einem voll modularen System ist man somit in den Möglichkeiten sehr begrenzt, aber auch mit dieser Art von Synthesizern ist es möglich, aufregende Klänge zu generieren. Gespielt wird ein Synthesizer dieser Bauform meist über eine integrierte

Klaviatur, oder eine andere sinnvolle Schnittstelle wie Beispielsweise einen Ribbon Controller. Besonders hervorzuheben ist, dass solche Synthesizer Bauweisen einem Musikinstrument im klassischen Sinne näher sind als ein modulares System, bei dem kein Klang ertönt solange man nicht eine Hand voll Patchkabel dazu benutzt, um die einzelnen Module sinnvoll miteinander zu verbinden. Der Vorteil nicht modularer Synthesizer liegt also vor allem darin, dass man schnell zu Ergebnissen kommt, dies geht jedoch auf Kosten der Flexibilität. Zwei der populärsten Synthesizer aller Zeiten sind nicht modulare Synthesizer, nämlich der Mini-Moog und der ARP Odyssey. (vgl. Wilson 2013, S. 37)

3.2.2 Voll modularer Synthesizer

Diese Bauweise wird normalerweise in Holzkisten oder Studioracks verbaut und besteht, wie der Name schon sagt, aus mehreren einzelnen Modulen. So gibt es Beispielsweise Für Oszillator, Filter und Verstärker jeweils eigene Module. Daneben gibt es viele weitere Module, wie zum Beispiel Effekteinheiten, Midi/CV Wandler und Andere. Diese einzelnen Module werden dann in ein passendes Rack gebaut, welches genügend Platz für die Komponenten bietet. Die Module müssen, um damit musizieren zu können, mittels Patchkabel sinnvoll miteinander verbunden werden. Natürlich braucht man auch ein Gerät mit dem man den Synthesizer anspielt, dies wird meistens über eine CV- oder aber auch über eine Midi- Klaviatur bewerkstelligt. Berühmte Vertreter der voll modularen Bauweise sind die modular Systeme von Doepfer (A100), Buchla und natürlich Moog. (vgl. Wilson 2013, S. 37)

3.2.3 Semi-modulare oder hybride Bauweise

Durch die Entwicklung der semi-modularen Synthesizer wollte man das Beste beider Bauweisen miteinander verbinden. Einerseits die schnelle Spielbarkeit eines nicht- modularen Systems, andererseits hatte man die Möglichkeit trotzdem mittels Patchkabel andere Verbindungen zwischen den Modulen herzustellen, als dies vom Hersteller vorgesehen war. Das Front Paneel sah dem eines nicht-modularen Synthesizers ähnlich, es waren jedoch zusätzlich Klinkenbuchsen in jedem Modul integriert, um dieses im Bedarfsfall mit anderen Modulen zu verbinden. Zu den bekanntesten Synthesizern dieser Bauweise zählt auf jeden Fall der ARP 2600, aber auch der Korg MS-10 und vor allem der MS-20 fallen in diese Kategorie der semi-modularen Bauweise von analogen Synthesizern. (vgl. Wilson 2013, S. 37f)

3.3 Klangerzeugung/Oszillatoren

Ein Oszillator verursacht Schwingungen die mehr oder weniger ein obertonreiches Signal erzeugen, die den Klangcharakter des erzeugten Klanges samt Grundton bestimmen. Aufbau und Funktionsweise eines Oszillators, ist meistens bestimmend für Verfahren, in der elektronischen Klangerzeugung. Oszillatoren sind also Teil der Bausteine eines Synthesizers, welche schlussendlich das Rohmaterial, die sogenannten Wellenformen, liefern.

3.3.1 Wellenformen

Elektronisch erzeugte Schwingungen lassen sich also mit Oszillatoren bewerkstelligen. Mittels analogen, elektronischen Schaltungen lassen sich Wellenformen erzeugen die schon am Anfang der Synthesizer-Entwicklungsphase Stand der Technik waren. Das wichtigste Charakteristikum eines Oszillators sind die Kurven- bzw. Wellenformen, welche anschließend erläutert werden. (vgl. Schmitz 2004, S. 37)

Eine der ergiebigsten Wellenform ist die sogenannte Sägezahnwelle (engl. Bezeichnung: Sawtooth oder Saw). Diese enthält die meisten Obertöne aller Synthesizer-Wellenformen für analoge Synthese. Aufgrund der subtraktiven Syntheseform, wird hier am meisten vom Klangbild weggenommen. Der Klangcharakter ist bei der Sägezahnwelle eher hart. Benutzt wird diese Wellenform dort wo der Sound „fett“ sein soll. Als Beispiel bei akustischen Instrumenten kann man hier Streicher nennen, die auch sägezahnförmige Wellen erzeugen. (vgl. Schmitz 2004, S. 38)

Abb. 13: Sägezahnwelle

Eine weitere Wellenform ist die Rechteckwelle (engl. Bezeichnung: Square). Der Name kommt daher, weil die Dauer der Impulse und die Dauer der Impulspause genau gleich lang sind. Über den kompletten Durchlauf wird die Wellenform des Rechteckes ein Verhältnis von

50:50 aufweisen, was schlussendlich die rechteckige Form ausmacht. (vgl. Schmitz 2004, S. 39)

Abb. 14: Rechteckwelle

Die sogenannte Pulswelle (engl. Bezeichnung: Pulse) ist ebenfalls eine Rechteckschwingung, jedoch ist das Verhältnis zwischen Impuls und Impulspause stufenlos einstellbar. Bei vielen Synthesizern lässt sich die Pulsbreite verändern. Dieser Vorgang wird als Pulsbreiten-Modulation (engl. Bezeichnung: Pulse Width Modulation) bezeichnet. Eine Modulation kann zum Beispiel durch einen LFO ausgelöst werden. Ein ausgeprägter Klang mit mehr oder weniger Schwebungen ist das Ergebnis, welches den Sound weicher und breiter klingen lässt. (vgl. Schmitz 2004, S. 39f)

Abb. 15: Pulswelle

Die Dreieckswelle (engl. Bezeichnung: Triangle) ist ähnlich einer gefilterten Rechteckschwingung. Der Klangcharakter ist eher als weich zu bezeichnen und erinnert an einen weichen Flötenklang. (vgl. Schmitz 2004, S. 40)

Abb. 16: Dreieckswelle

Die weichste aller gängigsten Synthesizer-Wellenformen ist von ihrem Klangcharakter aus die sogenannte Sinuswelle (engl. Bezeichnung: Sine). Genau wie bei einer Stimmgabel, besteht diese nur aus dem reinen Grundton ohne zusätzliche Obertöne. Grundsätzlich lässt sich durch die Summe aus Sinustönen verschiedener Frequenzen und Lautstärken, jede Wellenform zusammenstellen. Eine Sinuswelle wird daher zu recht oft als „Atom“ aller Klänge bezeichnet. Auch bei der Entstehung von Obertönen und harmonischen Schwingungen sind grundsätzlich Sinusschwingungen enthalten. Auch wenn der Sinuston oft auch als unergiebig wirkt, so wird der Einsatz besonders gerne bei tiefen Subbässen eingesetzt, wo zum Beispiel manche Techno- oder Drum and Bass -Tracks zum „körperlichen“ Erlebnis werden können. (vgl. Schmitz 2004, S. 41)

Abb. 17: Sinuswelle

Die nächste Grafik soll veranschaulichen, wie durch Addierung von mehreren Sinustönen, die verschiedenen Wellenformen erzeugt werden, welche in Synthesizern sehr oft eingesetzt werden.

Abb. 18: Zusammensetzung der Wellenformen

Im Gegensatz zu anderen Wellenform wird das Rauschen (engl. Bezeichnung: Noise) durch ein zufälliges wechselndes Signal erzeugt. Es hat keine bestimmte Tonhöhe, da das Mittel aller Frequenzen und Lautstärken enthalten ist. Das Klangergebnis erinnert am ehesten an einen Wasserfall oder ein Meeresrauschen. Erzeugt werden diese Klänge nicht von

normalen Oszillatoren, sondern von eigens dafür zuständigen Rauschgeneratoren (engl. Bezeichnung: Noise Generator). In den meisten Fällen kann dieser zwischen zwei Arten von Rauschen unterscheiden und diese erzeugen, nämlich das Weiße Rauschen und das Rosa Rauschen. Das Weiße Rauschen hat im Durchschnitt gleich viele Anteile aller Frequenzen und ist somit eher linear. Im Gegensatz dazu, werden beim Rosa Rauschen, welches aus dem Weißen Rauschen gewonnen wird, die tiefen Anteile angehoben. Der Klang wirkt daher insgesamt etwas dunkler. Rauschgeneratoren werden gerne für die Erzeugung von Donner, Wind und Meeresbrandung oder Ähnlichem verwendet, und sind oft auch willkommene Zutaten bei der Entwicklung von elektronischen Drumsounds. (vgl. Schmitz 2004, S. 42)

Abb. 19: Rauschen

3.3.2 Verwendung der Oszillatoren

Um mit den Oszillatoren eines Synthesizers gut umgehen zu können, sollte nun das Zusammenspiel der Wellenformen für einen flexibleren Sound in der Klanggestaltung eingesetzt werden. Der wichtigste Parameter eines Oszillatormoduls ist das Einstellen der Wellenform die der Oszillator erzeugen soll. Des Weiteren gibt es noch einen Parameter für die Einstellung der Frequenz, was demnach die Tonhöhe ergibt. Bei der Pulswelle wird ein weiterer Parameter für die Einstellung der Pulsweite zur Verfügung gestellt, welcher jedoch nur den Einfluss auf die Pulswelle nimmt. (vgl. Schmitz 2004, S. 43)

Da ein einzelner Oszillator klanglich ziemlich einsam sein kann, kann man durch die Kombination mehrerer Oszillatoren den Sound etwas „auffetten“. Prinzipiell ist diese Erweiterung der Oszillatoren ähnlich wie bei einer Gitarre mit zwölf Saiten zu sehen. Diese klingt nämlich auch voller als eine sechssaitige Gitarre. In manchen Fällen kann es bei der Kombination von Oszillatoren und deren Wellenformen zu einem eher schrägen Sound kommen, was ja auch unter Umständen gewollt sein kann. (vgl. Schmitz 2004, S. 42ff)

3.3.3 Technische Realisierung

In den meisten analogen Synthesizern ist die Grundschaltung, der spannungsgesteuerten Oszillatoren, sowie die Realisierung der diversen Wellenformen, prinzipiell gleich aufgebaut. Ein Kondensator wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit vom Strom aufgeladen, was zu einer Spannung zwischen den beiden Elektroden im Kondensator führt. Wird ein bestimmter Schwellwert überschritten, so wird ein elektronischer Schalter betätigt, der den Kondensator kurzschließen lässt und somit dadurch entleert. Die Spannung am Kondensator ist nun kleiner dem Schwellwert, dadurch wird der Schalter wieder geöffnet, und das Spiel kann wieder von vorne beginnen. Der Kondensator lädt sich langsam auf, per Kurzschluss wird er wieder entladen um sich danach wieder aufzuladen und so weiter. Die Grundwellen eines Oszillators lassen sich durch dieses Prinzip in einfacher Form erklären und realisieren. (vgl. Anwander 2011, S. 50f)

3.4 Klangverarbeitung/ Filter

Eines der ausschlaggebendsten Teile eines Synthesizers sind sogenannte Filter. Diese sind für die Gestaltung der Klangfarbe bzw. die spektrale Zusammensetzung stark mitverantwortlich. Ein typischer Synthesizer-Klang kann also mit einem Filter assoziiert werden. Viele verschiedene Filtertypen geben die Möglichkeit, getrennt oder kombiniert, die Klangänderungen zu gestalten und auf gewünschte Ergebnisse zu optimieren. (vgl. Anwander 2011, S. 57)

3.4.1 Charakteristika

Ein grundsätzliches Verhalten des Filters ist das Abschwächen bzw. das Verstärken verschiedenster Frequenzen im zeitlichen Verlauf. Wichtige Größen wie Kennfrequenz, im Englischen Cutoff-Frequency genannt und die sogenannte Resonanzfrequenz, sind Hauptbestandteile, die das Filter in Synthesizern charakteristisch beschreiben. Die Kennfrequenz, oder oft auch als Eck- oder Grenzfrequenz bezeichnet, ist dafür zuständig, bei welcher Frequenz ein Verstärkungs- oder Abschwächungsverhalten das Filter ändert. Wenn Filter im Synthesizer spannungsgesteuert werden, wie es bei einer typischen VCO- VCF-VCA Synthesizer-Struktur üblich ist, lässt sich durch die Spannung die Grenzfrequenz bestimmen. (vgl. Anwander 2011, S. 57)

3.4.2 Filtertypen

Je nach Bauform gibt es fünf grundsätzliche Filtertypen die unterschiedlich zum Einsatz kommen können. Die Unterschiede der Filtertypen machen sich im Frequenzbereich bemerkbar. Je nach Typ werden also dadurch verschiedene charakteristische Klänge verwirklicht.

Die wohl am Bekanntesten und am Meisten eingesetzten Typen in der Klanggestaltung von Synthesizer-Sounds sind das Hochpassfilter und das Tiefpassfilter. Das Hochpassfilter schwächt Anteile die im unteren Frequenzbereich sind ab, jedoch Anteile die über der Grenzfrequenz liegen werden unverändert durchgelassen. Der entsprechende Signalanteil wird geringer verstärkt und wird umso leiser, je weiter sich die Frequenz des Signals von der Grenzfrequenz des Filters zu den tieferen Frequenzen entfernt. Bei einem Tiefpassfilter ist das genau umgekehrt. Signale die unterhalb der Kennfrequenz liegen, werden gleichmäßig durchgelassen, und oberhalb der Kennfrequenz liegende Anteile werden mehr und mehr abgedämpft.

Kombiniert man beide Filtertypen ergibt sich dadurch das sogenannte Bandpassfilter. Die Kennfrequenz wird dabei unverändert durchgelassen, wobei Anteile unter- und oberhalb der Kennfrequenz mit zunehmendem Abstand abgedämpft und somit immer leiser werden. Ein Kerbfilter, oder auch typischerweise als Notch-Filter bekannt, arbeitet gegenteilig, da dieser sämtliche Frequenzen unverändert durchlässt, jedoch werden Teile die sehr eng um der Kennfrequenz liegen unterdrückt. (vgl. Anwander 2011, S. 57ff)

Abb. 20: Tiefpassfilter

Abb. 21: Hochpassfilter

Abb. 22: Bandpassfilter

Abb. 23: Kerbfilter

3.4.3 Flankensteilheit

Eine weitere, wichtige Eigenschaft von Filtern ist die sogenannte Flankensteilheit. Dieses Charakteristikum ist dafür verantwortlich wie schnell und wie genau die Absenkung außerhalb des Durchlassbereichs erfolgt. Je höher die Flankensteilheit ist, desto stärker werden Signale gedämpft. Angegeben wird die Flankensteilheit in dB pro Oktave, wobei hierbei auf drei unterschiedliche Charakteristiken hingewiesen wird. Die folgende Grafik soll dies veranschaulichen.

Abb. 24: Flankensteilheit von Filtern

Kurzfassend kann hier hinzugefügt werden, dass Filter mit 12dB/Okt weicher klingen aufgrund der gemächlicheren Abschwächung, als Filter mit 24dB/Okt, welche dem Klangverhalten mit einer stärkeren und schnelleren Abschwächung dienen. (vgl. Anwander 2011, S. 61)

3.4.4 Technische Realisierbarkeit

Audiosignale sind im Grunde genommen einfache Wechselströme. Basierend auf Filterschaltungen in analogen Synthesizern geschieht grundsätzlich im Prinzip Folgendes. Durch den Kondensator werden Wechselströme durchgeschickt, welche dann unterhalb einer bestimmten Frequenz immer schlechter übertragen werden. Bei einfachem Durchlassen der Signale am Kondensator erhält man einen Hochpassfilter. Schaltet man jedoch den Kondensator gegen Masse, werden dabei hohe Anteile des Frequenzbereichs zur Masse hin abgeleitet und somit werden nur tiefe Frequenzen im Signalweg durchgelassen, wodurch man einen Tiefpass erhält. Das am Einfachsten zu realisierende Filter ist mit einem Kondensator und einem Widerstand aufgebaut. Die Werte dieser Bauteile bestimmen die Kennfrequenz. Oft wird auch einfach von einem RC-Glied gesprochen, wobei R für Widerstand steht und C für den Kondensator. Diese Grundform kann in verschiedenen Formen und Varianten angewendet werden. Am Beispiel eines Moog-Filters werden hier einfach vier solcher RC-Glieder direkt aneinandergereiht und darauffolgend die Widerstandswerte geregelt. Eine weitere Funktionsvariante kommt bei einem sogenannten 12 dB State-Variable-Filter vor. Dieser hat den Vorteil durch analoge Rechentechnik, gleichzeitig Signale von Tiefpass, Hochpass, Bandpass und Bandsperre an getrennten Ausgängen abzufangen und weiterzuverarbeiten. Eine Aufteilung in verschiedene Filtertypen

macht es theoretisch möglich, die je nachdem unterschiedliche Flankensteilheit im Signal abzugreifen, um vor allem die Resonanzzurückführung schon ab zwei Stufen (12dB) vornehmen zu können. (vgl. Anwander 2011, S. 61f)

3.4.5 Resonanz

Oft ist es wünschenswert zusätzliche Filtereinstellungen regelbar zu haben. Dies lässt sich erreichen indem eine Rückkopplung im Filter erzeugt wird. Hierfür wird einfach das Eingangssignal dem invertiertem Ausgangssignal beigemischt. Das Ergebnis wird als Resonanz bezeichnet. Die Stärke der Rückkopplung hat demnach einen starken Einfluss auf das Charakteristikum des Filters. Bei zu erhöhter Resonanz kann jedoch ein ungewünschter Effekt entstehen. Wenn bei der Rückkopplung das Signal annähernd gleich laut oder sogar lauter als das originale Eingangssignal ist, kommt es zu einer Eigenschwingung des Filters was zur Folge einen Ton, genauer gesagt, einen schönen Sinus, erzeugt.

Bei Filtertypen mit großer Flankensteilheit entsteht oft der Eindruck, dass sich die Signalenergie bei zunehmender, geregelter Resonanz des Gesamtsignals leiser anhört. Dem kann entgegengewirkt werden, indem man dem Resonanz-Potentiometer eine zusätzliche Regelebene beifügt, um bei aufgedrehter Resonanz mehr Pegel am Filterausgang zu erhalten. Der gefühlsmäßige Lautstärkenunterschied wird hiermit ausgeglichen. Die folgende Grafik soll diesen Effekt veranschaulichen. (vgl. Anwander 2011, S. 63f)

Abb. 25: Resonanz

3.4.6 Einsatz von Filtern in der subtraktiven Synthese

Der Einsatz bei Standard-Synthesizern, als auch bei Modular-Systemen, wird vornehmlich das VCF zur klassischen, dynamischen subtraktiven Synthese angewendet. Durch das Filter werden hierbei bestimmte Klanganteile, die zum Beispiel von einem Oszillator zur Verfügung gestellt werden, subtrahiert. Das vom VCO gesendete Signal ist normalerweise je nach Syntheseform recht obertonreich. Das nachgeschaltete VCF verändert danach die Grundwellenform, indem bestimmte Anteile des Frequenzspektrums unterdrückt werden, wodurch sich der Klangcharakter ergibt. Bei einem Tiefpassfilter werden die Oberwellen des Tones beschnitten, demnach also obertonärmer und das Ergebnis klingt daher eher weich. Umgekehrt ist es bei einem Hochpassfilter, wo nach der Grenzfrequenz nach oben hin nur mehr die Obertöne übrigbleiben. Die folgende Grafik soll veranschaulichen, wie das Filter die Kurvenform eines Signals aus einem Oszillator dynamisch verändert. (vgl. Anwander 2011, S. 65)

Abb. 26: Kurvenverformung durch Einsatz von Filtern

3.5 Klangverarbeitung/Verstärker

Das letzte Glied einer typischen, subtraktiven Synthesizer-Signalkette ist der Verstärker. Signale die von einem Oszillator durch das Filter kommen, werden durch den, meist am Ende der Kette vorhandenen Verstärker, angeglichen. Seine Aufgabe ist es nur den optimal, gewünschten Pegel an den Ausgang des Synthesizers zu bringen. Ein Verstärker hat auch meistens nur einen Regler geschaltet, welcher schlussendlich für die Steuerung der Gesamtlautstärke verantwortlich ist. Eine klassische und typische Anwendung in Synthesizern bekommt der Verstärker, indem er von einer Spannung gesteuert werden kann.

Dieses Verstärkermodul wird dann als VCA bezeichnet. Durch die Steuerspannung (Voltage Control) kann der VCA durch verschiedene andere Module, welche ebenfalls Steuerspannung schicken können, angesteuert bzw. beeinflusst werden. (vgl. Schmitz 2005, S. 59)

3.6 Klangansteuerungsmöglichkeiten

Da durch das vorher beschriebene Dreibausteine-System der Klang schließlich recht statisch wirkt, gibt es unter anderem einige Möglichkeiten den Sound dynamisch zu bearbeiten und zu beeinflussen.

3.6.1 Spannung und Spannungsquellen

Im Grunde genommen gibt es nicht nur das VCO-VCF-VCA Klangerzeugermodel, sondern des weiteren können auch hier die Eigenschaften um den zeitlichen Verlauf eines Klanges zu bearbeiten, durch weitere Schaltungen ergänzt werden. Eine Schaltung kann sowohl die Rolle des Geregelten haben, als auch die Rolle des Regelnden übernehmen. Dies ist durch das Prinzip der Spannungssteuerung, welche immer im gleichen Format Informationen im System bringt, möglich.

Elektronische Musik beruht also immer auf dem gleichen Prinzip, nämlich, dass elektrischer Strom fließt. Man kann sogar auch anstatt einen Lautsprecher an einer Stereoanlage anzuschließen, eine Autoglühbirne anschließen. Anstatt Schallwellen bekommt man eben eine leuchtende Autoglühbirne. Dies soll nur heißen, dass im Grunde nur Strom und Spannungen für die elektronische Klangerzeugung verantwortlich sind. Ein Verstärker kann zum Beispiel überall eingesetzt werden wo etwas verstärkt oder abgeschwächt werden soll.

In analog gesteuerten Synthesizern werden also Spannungen benutzt. Auch das Audiosignal zwischen den einzelnen Modulen liegt im Grunde als Form der Spannung vor. Des Weiteren liegen auch die Regelungen der Audiosignale der Spannung zu Grunde. Der Unterschied zwischen Steuerung und Audiosignal in Bezug auf die Spannung ist gleich Null. Die Funktionsweise eines analogen Synthesizers ist daher so zu verstehen, dass eine jede Spannung zur Verwendung der Steuerung als auch für die Audiosignale verwendet werden kann. Es werden zwar Bezeichnungen wie Steuerspannung oder Signalspannung benutzt, doch wird dies nur aus Gründen der momentanen Rollenzuteilung gemacht. Dies sind quasi

nur Krücken und haben aber mit der technischen Realität wenig zu tun. Denn Spannung ist Spannung.

Im Folgenden werden Spannungen behandelt die immer als Steuerspannungen bezeichnet werden. Eine der wichtigsten Spannungsquellen in einem Synthesizer ist das Netzteil, welches die Bauteile mit Energie versorgt um arbeiten zu können. Mit einem sogenannten Potentiometer lässt sich grundsätzlich eine Steuerspannung in einem gewissen Bereich regeln. Dieser Bereich liegt zwischen 0 Volt und der jeweiligen Betriebsspannung. Zwischen Mittelanschluss des Potentiometers und der Masse ist die Steuerspannung regelbar. In dieser Form arbeiten alle Regler in einem analogen Synthesizer, sei es die Frequenzsteuerung des Oszillators oder die Kennfrequenzsteuerung des Filters. Bei einem Tastendruck, am Beispiel einer einfachen Klaviatur ist es genauso die Steuerspannung, welche die zwei wichtigsten Informationen weitergibt. Nämlich, wie lange wird gedrückt und vor allem welche Taste. Diese zwei Informationen werden als separate steuernde Spannungen übermittelt. Die genaue Bezeichnung um eine Spannung weiterzugeben wird bei Synthesizern als CV-in oder CV-out bezeichnet. Die Tastatur in monophonen Synthesizern funktioniert demnach auf dem gleichen Prinzip wie ein Potentiometer. Jedoch wird statt einem Potentiometer mit abgreifbaren Mittelanschluss, ein Schalter benutzt, der gleich geschaltete Widerstände in Reihe aufweist. Die Widerstände sind dabei so bemessen, dass die Spannung pro angrenzende Taste, um ein 1/12-tel Volt verändert wird. Somit ist ein Oktavsprung bei Änderung der Keyboard-CV um ein Volt gegeben.

Dass es dazu gekommen ist, dass sich die Charakteristik von ein Volt pro Oktave durchgesetzt hat, ist den berühmten Firmen Moog und Roland zu verdanken. In den siebziger Jahren kam es dazu, dass Firmen aus eigenem „Firmenegoismus“ die technischen Charakteristiken anders definierten. Die Firma Korg und Yamaha benutzten nun statt Volt pro Oktave die Volt pro Hertz-Kennlinie. Dies machte zwar die Konstruktion von elektronischen Klangmodulen um einiges einfacher, jedoch wurde die Stimmstabilität im Bassbereich nicht genau eingehalten, und des weiteren gab es auch Probleme, dass ein Oszillator nicht mehr den ganzen möglichen Frequenzbereich nutzen konnte. Wenn man zum Beispiel annimmt, dass ein Volt immer 400 Hertz entspricht, so kann ein Fehler in der Oktave von 0,1 Volt im Bereich von 2000 Hertz und 4000 Hertz noch vernachlässigt werden. Eine hörbare Abweichung wird nur schwer erkennbar sein. Bei der Oktave von 50 Hertz auf 100 Hertz ergibt diese 0,1 Volt Abweichung sogar zirka einen Ganzton. Dieses große technische Manko und die starke Marktmacht der Firmen ARP, Moog und Roland war schlussendlich dafür verantwortlich, dass sich die Volt pro Oktave Charakteristik in der elektronischen Klangerzeugung durchgesetzt hat. (vgl. Anwander 2011, S. 26 - 33)

3.6.2 Echtzeitsteuerung

Eines in der Regel am wichtigsten zum Steuern der Töne in einem Synthesizer ist wohl das Keyboard. Es steht als optimales Verbindungsglied zwischen Musiker und dem Instrument. Wenn aber der Klangerzeuger keine Keyboardtastatur hat, so können auch andere Mittel eingesetzt werden, um die Klangansteuerung machen zu können. Des Einen können zum Beispiel CV-fähige Keyboards oder Sequenzer benutzt werden, oder es werden digitale Bausteine miteinbezogen. Dies kann zum Beispiel mit einem externen MIDI-Keyboard und den MIDI-Befehlen bewerkstelligt werden. Durch einen Tastendruck an einem MIDI-fähigen Keyboard wird dann die Tonhöhe durch die Notennummer des MIDI-Befehls bestimmt. In der Regel ist der Abstand zur nächsten Taste an der Klaviatur genau um einen Halbton erhöht. Deshalb handelt es sich auch bei der menschlichen Wahrnehmung darum, dass die logarithmische Steuerung bei Addition von zwölf Halbtönen immer zu einer Verdoppelung der Grundfrequenz führt. Zusätzlich sind auch noch durch die gesendeten Notennummern weitere klangliche Parameter mitabhängig. Wenn eine Tastatur Einfluss auf Werte für klangbestimmende Parameter hat, dann spricht man von einem „Key-Tracking“. Um mehr klangliche Wirkung in Echtzeit zu erzeugen, werden noch zusätzlich sogenannte Fader- Boxen oder Controller, die ebenfalls über MIDI-Befehle Steuerungen erlauben, benutzt. Um dies aber erfolgreich zu nutzen, sollte bedacht werden, dass auch die bestimmenden Parameter den MIDI-Werten eines Controllers angepasst werden müssen. Für die Klangprogrammierung hat dies einen enorm ausschlaggebenden Einfluss um kreative Sounds zu erschaffen. In den nächsten Absätzen wird noch etwas genauer auf die Steuerungsmöglichkeiten und Formen eingegangen. In der kommenden Grafik ist eine kurze Übersicht gegeben über die wichtigsten Steuersignale und den Klangparametern. (vgl. Raffaseder 2002, S. 229 - 232)

Abb. 27: Parametersteuerung

3.6.3 MIDI

Auch wenn das Thema MIDI bereits relativ alt ist, und auch technisch gesehen der digitalen Ebene zugesprochen wird, sollte es dennoch nicht außer Acht gelassen werden. Diese Art der Möglichkeit zur Kontrollierung der Klänge ist einfach gestaltbar und ist für die Ansteuerungen eines Synthesizer schon lange Standard, genau gesagt seit 1983. Aus diesem Grund werden hier noch die wichtigsten Grundregeln in Bezug auf Synthesizer- Ansteuerungen erläutert. MIDI dient vordergründig zur Übertragung und Aufzeichnung von Klangparametern für Schallsignale, die mit elektronischen Instrumenten erzeugt werden. Genauer gesagt, wird die parametrische Codierung dazu genutzt, um MIDI Daten mit einem MIDI-fähigen elektronischen Instrument, zum Beispiel ein Synthesizer, hörbar zu machen. Im Grunde wird aufgezeichnet welches Instrument zu welchem Zeitpunkt startet und endet, auch Frequenz, Lautstärke und Klangfarbe können damit beeinflusst werden. Die Frequenz ist davon abhängig welche Taste an einer Klaviatur gedrückt wird. Die Lautstärke lässt sich eruieren wie lange und wie stark eine Taste gedrückt wurde. Die Klangfarbe hängt von dem eingestellten Klang des elektronischen Erzeugers ab.

Die Daten die MIDI sendet oder empfängt sind dem seriellen Übertragungsprotokoll untergeordnet. Die Daten müssen daher immer nacheinander verarbeitet werden. Die maximale Übertragungsdatenrate beträgt 31250 bps. Bei mehreren Instrumenten gleichzeitig kann es durch die etwas niedrige Übertragungsrate zu einer Zeitverzögerung kommen, was jedoch technisch angeglichen werden kann. Die nächste Grafik soll die grundsätzlichen technischen Daten von MIDI zeigen.

Abb. 28: Technische Daten von MIDI

Durch die technischen Gegebenheiten von MIDI ergibt sich ein Wertebereich der von 0-127 reicht. Dies reicht aus um die Tonhöhe und Lautstärke bestimmen zu können. Um die Klangfarbe technisch zu realisieren, können 16 verschiedene MIDI-Kanäle gesendet und empfangen werden, die dann den verschiedenen Klangerzeugern zugewiesen werden können. Die Verbindung erfolgt mit Kabeln die einen 5-poligen DIN Stecker aufweisen. MIDI- fähige Geräte haben meistens zwei Anschlüsse, nämlich MIDI-IN und MIDI-OUT. MIDI-IN empfängt Daten und die MIDI-OUT Buchse sendet Daten zum gewünschten Instrument. An vielen Geräten ist auch noch eine MIDI-THRU Buchse, die dazu dient, bestimmte Daten über einen MIDI-Kanal durchzuschleifen, um zum Beispiel ein weiteres Instrument anzuspielen. Um MIDI-Kanäle frei zuweisbar zu machen um mehrere Geräte anzuspielen, können unter anderem, verschiedene Möglichkeiten zur Verbindung der MIDI-Geräte realisiert werden. Die Abbildung 29 zeigt drei der grundlegendsten Formen.

Abb. 29: MIDI Schaltungsmöglichkeiten

Damit die MIDI-Daten auch richtig interpretiert werden können, ist darauf zu achten welche Modi in einem MIDI-System eingestellt sind, damit die Instrumente auch dementsprechend reagieren können. Die nächste Grafik zeigt welche Betriebsarten es bei MIDI gibt.

Abb. 30: Betriebsarten von MIDI

Zu diesem Thema könnte noch viel mehr gesagt werden, jedoch ist es wichtiger sich mit den elektronischen Klangerzeugern zu beschäftigen. Generell ist es ratsam sich damit genauer auseinanderzusetzen, um MIDI-fähige Synthesizer mit diesem Protokoll in ihrem vollen Umfang steuern zu können. (vgl. Raffaseder 2002, S. 133 - 141)

3.6.4 Hüllkurven

Möchte man zum Beispiel einen Klang so kreieren, dass der Verlauf des Signals allmählich beginnt und am Ende des Signals langsam ausklingt, so müsste man, um das Ganze per Hand zu steuern, den Volume-Regler am Anfang langsam aufdrehen und am Ende langsam wieder auf die gewünschte Stelle abdrehen, um den Verlauf des Klangsignals beeinflussen zu können. Möchte man dazu zum Beispiel auch noch die Klangfarbe über das Filter steuern, wobei der Cut-off und der Resonanz Regler betätigt werden müssen, so stellt sich bald das Problem, dass zwei Hände zu wenig sind um solche Klänge analog zu erstellen. Solche Regelvorgänge können auch bei analogen Synthesizern quasi automatisiert werden. Am Beispiel einer Hüllkurve kann dies mit einem sogenanntem Hüllkurvengenerator (engl. Bezeichnung: Envelope Generator, kurz EG genannt), geschehen.

3.6.5 Funktion einer Hüllkurve

Wie schon im Namen drinnen steht, lässt sich der Einsatz einer Hüllkurve so beschreiben, dass der eingesetzte Klang sich von der Hüllkurve „umhüllt“. Nur dieser umhüllte Klangverlauf lässt sich schlussendlich weiterverarbeiten und schließlich ist auch nur zu hören was in dieser Hüllkurve drinnen ist.

In einem Synthesizer können mehrere Arten von Hüllkurvengeneratoren vorkommen. Die am Meisten eingesetzte Form ist die typische ADSR-Struktur. Ableiten lässt sich diese

Bezeichnung durch die vier regelbaren Parameter einer Hüllkurve. Das A steht für die Attack-Zeit, und bestimmt wie lange ein angetriggerter Klang, vom Zeitpunkt des Auslösens der Hüllkurve bis zu seinem Maximumpegel, braucht. Das D steht für die Decay-Zeit. Diese bestimmt wie lang ein Klang benötigt, um von seinem Maximumpegel bis zum Anfang des Sustain-Pegels zu gelangen. Der Sustain-Pegel, kurz S in der ADSR-Struktur genannt, ist schließlich dafür verantwortlich, auf welchem Pegel der Klang bei gedrückter Taste erklingt. Beim Loslassen der Triggertaste kommt schlussendlich das R, die sogenannte Release- Time, zum Einsatz. Die Release Time bringt das Klangsignal nach einer festgelegten Zeit wieder auf Null. Diese Art von Hüllkurve ist relativ einfach zu durchschauen, wobei bedacht werden sollte, dass sich drei dieser einzustellenden Parameter auf den Zeitverlauf beziehen und einer dieser Parameter sich auf den Pegelverlauf bezieht. Meist wird bei analogen Synthesizern, die ADSR-Struktur der Hüllkurven eingesetzt. Die folgende Abbildung zeigt, wie sich eine ADSR-Hüllkurve grafisch veranschaulichen lässt.

Abb. 31: Typische ADSR-Hüllkurve

3.6.6 Einsatz von Hüllkurven

Zur Steuerung fast jeden Parameters kann die Hüllkurve gewinnbringend eingesetzt werden. Es wird nicht nur die Amplitude des Klangs, also der Lautstärkenverlauf, beeinflusst, sondern man kann auch andere Parameter durch die Hüllkurve ansteuern. Bei analogen Synthesizer- Modulen bringt dies aber einen erheblichen Aufwand mit sich, um ein optimales Schaffen der Eingriffspunkte zu erreichen.

Ob ein Sound hart oder weich zu hören ist, hängt von der Einstellung der vier Parameter ab. Bei vielen Synthesizern ist die Lautstärke des Signals mit einem Hüllkurvengenerator bestimmbar. Des Weiteren kann auch der Hüllkurvenverlauf des Filters beeinflusst werden, was einen guten Einfluss auf den Klangeindruck hat. Bei manchen Synthesizer-Modellen müssen sich der VCA und das VCF einen einzigen Hüllkurvengenerator teilen, was schlussendlich die klangliche Flexibilität beschränkt. Um kreativ Klänge zu gestalten, ist die

Filter-Hüllkurve eines der wichtigsten Werkzeuge um schöne Klangfarben zu kreieren. Bei einer Filterhüllkurve wird eigentlich meist nur ein Parameter angesteuert, und zwar derjenige der für die Frequenz verantwortlich ist, der Cut-off Regler. Eine Zuweisung der Hüllkurve bei dem Resonanzregler ist bei analogen Synthesizern nur selten der Fall, obwohl sich dies bei der Erstellung abgedrehter Sounds als sehr nützlich erweisen würde.

Des Weiteren gibt es noch die Pitch-Hüllkurve, welche die Frequenz des Oszillators anspielt und für Tonhöhenänderungen sorgt. Hierbei gibt es jedoch einen Nachteil. Um eine endgültige Tonhöhe zu erhalten, welche in diesem Fall durch den Sustain-Pegel bestimmt wird, muss die Frequenz des Oszillators nachgeregelt werden, um auf gut abgestimmte Tonhöhen zu kommen.

Zur Erweiterung von Hüllkurven gehört das Modulieren von Modulatoren. Da ja eine Hüllkurve selbst auch ein Modulator ist, die Funktionen von anderen Modulatoren steuern können, kann man hierbei mittels modulierten Hüllkurvenauf recht exotische Klangskulpturen kommen. (vgl. Schmitz 2005, S. 60 - 64)

Die nächste Grafik soll veranschaulichen, welche klassischen Typen von Hüllkurven verwendet werden können.

Abb. 32: Arten von Hüllkurven

3.6.7 LFO

Ein sogenannter „Low Frequency Oscillator“, zu deutsch: Niederfrequenzoszillator, ist eigentlich ein gewöhnlicher Oszillator. Dieser Oszillator schwingt jedoch nicht im hörbaren Bereich da seine Frequenz so niedrig ist, dass die erzeugte Schwingung nicht als Ton wahrgenommen werden kann. Durch wählbare Wellenformen gibt es die Möglichkeit die Frequenz des LFO einzustellen. Der Ausgang des Niederfrequenzoszillators ist in einem Synthesizer-Modul vielfältig nutzbar und einsetzbar. Meist wird der LFO als Modulationssignal zur Verfügung gestellt. Viele Hersteller bezeichnen den LFO auch als Modulationsgenerator, was der Funktion dieses tiefen Oszillators am ehesten deutlich nahe kommt. Im Vergleich zu einer Hüllkurve wo jeder Durchlauf neu gestartet werden muss, wiederholt sich der LFO ständig, um durch eine Wellenform eine Modulation zu erzeugen. Dieser Vorgang wird immer neu durchlaufen und wird dabei als „Cycle“ bezeichnet. Da ja auch ein LFO ein normaler Oszillator ist, lassen sich bei diesem die Parameter gleich einstellen wie bei einem üblichen Oszillator. Die Einstellung der Wellenform hat erheblichen Einfluss wie der LFO reagiert und moduliert. Die Form des Modulationssignals wird von der Wellenform bestimmt. Ob nun beispielsweise ein fließendes Auf und Ab des modulierten Parameters, wie bei einem Sinus, oder ein abwechselndes Hin- und Her-Springen der Einstellungen des Parameters vonstatten geht, hängt von der gewählten Wellenform ab. Zusätzlich lässt sich die Geschwindigkeit, also wie schnell der LFO zu schwingen hat, mittels der Wahl der Frequenz bestimmen. Der wichtigste, regelbare Parameter des Niederfrequenzoszillators in einem Synthesizer, welcher für das Tempo zuständig ist, ist demnach die „LFO-Rate“ oder die „LFO-Speed“. (vgl. Schmitz 2005, S. 67)

So wie unterschiedliche Wellenformen eines Audio-Oszillators unterschiedliche Klänge kreieren, so können auch die Wellenformen bei LFOs zu unterschiedlichen Modulationsergebnissen führen. Bei allen Wellenformen geht es darum, eine Art „Berg- und Talfahrt“ mit dem modulierten Signalen und Parameter zu veranstalten. Ein Sinus zum Beispiel hat einen gleichmäßigen, ruhigen Modulationsverlauf. Das Dreieck hat ebenso einen weichen Modulationsverlauf, jedoch läuft bei Berg und Tal das Signal spitz zusammen, was zu einem hörbaren Wechsel bei Auf- und Abstieg des Signals führt. Ein aufsteigender Sägezahn nähert sich langsam an die Spitze an und fällt dann beim Erreichen abrupt ab. Umgekehrt wirkt das absteigende Sägezahn, wo zuerst der große Sprung zur Spitze geschieht und danach die gemütliche, lineare Talfahrt stattfindet. Eine Rechteckwellenform hat beim Modulationsverlauf deutliche Sprünge und verursacht einen abrupten Wechsel der Parameterwerte. Ein regelmäßiges Auf und Ab von Spitze und Tal bestimmt also die Rechteckmodulation. Zusätzlich gibt es auch noch eine Art Zufallswellenform, die wie schon

der Name verrät, einen zufälligen Modulationsverlauf bewirkt. Hier nochmal im Überblick die Wellenformen, welche für den Niederfrequenzoszillator zur Modulation eingesetzt werden können. (vgl. Schmitz 2005, S. 68 – 69)

Abb. 33: Einsatz der Wellenformen bei LFO-Modulation

Wenn ein LFO gesteuert werden soll, ist dies meistens mittels der LFO-Rate möglich. Oft wird die LFO-Rate aber auf einen fixen Wert gesetzt, in der Praxis je nach Anwendung meistens zwischen 10 Sekunden pro Durchgang (0,1 Hz) und 30 Durchgängen pro Sekunde (30 Hz), was eher zu einem leblosen und langweiligen Klang führt. Allerdings sind hierbei die Modulationsverläufe relativ gleichmäßig. Recht interessant wird es, wenn man zum Beispiel die LFO-Rate, entweder mit einem zweiten LFO oder einer Hüllkurve, moduliert. Wenn ein Synthesizer diese Möglichkeiten hat, so kommt buchstäblich Bewegung in die Klangverläufe hinein.

Eine weitere Möglichkeit einen LFO mit dessen Parametern zu nutzen, ist der verzögerte Einsatz durch ein LFO Delay, und durch die allmähliche Einblendung der Wirkung des LFOs durch den sogenannten LFO Fade. Das LFO Delay lässt sich um eine bestimmte Zeit verzögern. Das LFO Fade, welches meistens nur in De-Luxe LFOs zu finden ist, sorgt für weiche Einblendung des Signals. In Kombination dieser Parameter lassen sich recht gute Effekte bei der Klangerzeugung mit Synthesizern erzeugen.

Im Normalfall macht ein LFO seine Schwingungen ununterbrochen, unabhängig ob der Synthesizer gespielt wird oder nicht. Der LFO kann aber veranlasst werden bei jedem Anschlag neu zu starten. Dies kann mit einer Retrigger-Funktion gemacht werden. Sinn der Sache ist nur, die volle Kontrolle zu erhalten, zu welchem Zeitpunkt nach Anschlagen beispielsweise einer Taste, der LFO Start und somit die Modulation ausgeführt wird.

Am Besten in Bezug auf verschiedene LFO Variationen ist es, wenn ein Synthesizer mehrere LFOs bietet, welche die Modulationsziele frei bestimmbar machen. Beispielsweise wäre es eine gute Idee, die LFO Rate von einem anderen LFO modulieren zu lassen um unvorhergesehene Klangveränderungen herbeizuführen. Ziemlich abgedrehte Effekte lassen

sich durch unterschiedliche Wellenformen erreichen und motivieren zum Experimentieren. Wichtige Regel hierbei: Erlaubt ist, was gefällt. (vgl. Schmitz 2005, S. 70 – 72)

3.6.8 Keyboard

Es gibt wohl eine Reihe an Eingabe- und Steuerelementen für die Bestimmung, ob ein Ton gespielt wird oder auch nicht. Eines der wohl Bekanntesten und Wichtigsten zur Kommunikation zwischen Synthesizer und Spieler ist die Klaviatur. Ihr englischer Name „Keyboard“ wird oft als Synonym für Synthesizer benutzt und schlussendlich wird auch der Spieler als „Keyboarder“ bezeichnet. Wenn man aber ein guter Keyboarder ist, heißt das noch lange nicht zwangsläufig ein guter Synthesizerspieler oder Elektronikmusiker zu sein. In einem Interview mit der Zeitschrift „Keyboards“ sagte der große Joe Zawinul, er sei kein Synthesizerspieler sondern nur ein Klavierspieler. Das heißt, dass es nicht unbedingt notwendig sein muss ein guter Keyboarder zu sein, um gute, schöne Klänge kreieren zu können.

Warum sich die Tastatur, so wie wir sie heute kennen, durchgesetzt hat, hat hauptsächlich wirtschaftliche und technische Gründe mit sich getragen. Erstens musste nicht etwas extra entwickelt werden, und zweitens ist so eine Taste für einen Elektroniker nichts weiter als ein einfacher Schalter, der bei gedrückter Stellung den Stromkreis schließt und beim Loslassen der Taste wieder unterbricht. Diese einfache Handhabung einer Keyboardtastatur war Teil davon, warum wir das Keyboard in dieser Form noch immer gerne benutzen. (vgl. Schmitz 2005, S. 77 - 78)

3.6.9 Steuerung der Tonhöhe

Wenn eine Taste einer Klaviatur eines spannungsgesteuerten Synthesizers gedrückt wird, so werden dadurch zwei Vorgänge aktiviert. Zum einen werden ein Gate- und ein Trigger- Impuls ausgelöst. Diese sind gut um den Lautstärke-Hüllkurvengenerator zu starten und zu durchlaufen. Das immer vorliegende Signal des Oszillators darf nun weiter zur nächsten Sektion, nämlich der des Filters. Im Hüllkurvenverlauf wird zunächst die Attack- und Decay- Phase durchlaufen. Der Sustain-Level wird danach so lange gehalten wie die Taste gedrückt wird und wird dann verabschiedet sobald das Loslassen der Taste erfolgt ist. Danach wird je nach eingestellter Release-Zeit, der Klang früher oder etwas später ausschwingen. Zweitens wird jeder zugeordneten Taste ein Spannungswert zugewiesen, der beim Drücken der Taste dem VCO zugeführt wird. Dadurch wird die Frequenz, und schließlich auch die Tonhöhe, einer jeden Taste bestimmt. Hierfür wird die typische ein Volt pro Oktave Charakteristik, die

in den meisten spannungsgesteuerten Synthesizer benutzt wird, angewandt. Der Unterschied von einer Taste zur nächstmöglichen Taste beträgt hier genau 1/12 Volt. Da ein Oszillator mit einer gleichen Charakteristik arbeitet, weiß er somit genau welche Tonhöhe er nach gedrückter Taste spielen muss. Somit wird in den meisten analogen Synthesizern dieses Verfahren zur Tonhöhenbildung zum Nutzen gemacht. Auch ein Halbtonunterschied auf einer Tastatur ergibt einen Halbtonunterschied der Tonhöhe. Dies muss jedoch nicht zwingend so sein, da es genauso Synthesizer gibt, die es gestatten andere Tonintervalle durch verschiedene Steuerspannungen festzulegen. Bei moderneren Synthesizern kann die Tonhöhensteuerung ganz anders vor sich gehen. Die Tastatur wird hierbei durch einen digitalen Baustein erweitert, die beim Drücken einer Taste sogenannte MIDI Note-on Befehle weitergibt und somit die Tonhöhe durch den MIDI Note Number Befehl auslöst. (vgl. Schmitz 2005, S. 79)

Um aber hier im analogen Bereich von Synthesizern zu bleiben, sollte auch nochmals der genaue Unterschied zwischen einem Trigger und Gate erläutert werden.

Um einen einfachen Vorgang auszulösen, zum Beispiel eine Hüllkurve, so wird dies mit einem einzelnen Impuls, dem sogenannten Trigger-Befehl angeregt. Im Gegensatz zu einem Trigger kann ein Gate-Befehl zwei Schaltzustände, nämlich „offen“ oder „geschlossen“, haben. Eine typische Tastatur arbeitet immer mit einer Gate-Logik. Wird die Taste gedrückt, so wird sich das Gate öffnen und den gewünschten Ton anspielen. Beim Loslassen der Taste wird dann das Gate geschlossen und der Ton wird dann nicht mehr gespielt. Bei manchen Systemen kann der Unterschied allerdings für Verwirrung sorgen, da die Bezeichnung von Gate und Trigger als das Gleiche angeführt wird. Daher gibt es aber auch verschiedene Trigger Betriebsarten, wie zum Beispiel beim Einsatz von Hüllkurven, die dann wiederum in zwei verschiedene Betriebsarten unterteilt werden können. Ein Single-Trigger startet zum Beispiel die Hüllkurve durch die erste gespielte Note. Alle anderen Noten werden nicht von der Hüllkurve gesteuert, indem man die erste Taste, die man gedrückt hat, noch immer festhält. Die Phase der Release- Zeit beginnt somit erst, wenn keine Taste mehr gedrückt wird. Im Gegensatz gibt es noch den Re-Trigger oder auch Multitrigger genannt. Dieser Betriebsmodus lässt es zu, dass nach gedrückter Taste jede Note mit der eingestellten Hüllkurve neu gespielt wird. (vgl. Schmitz 2005, S. 80)

3.6.9.1 Monophon und Polyphon

Wichtig auch zu nennen ist der Unterschied zwischen Monophonie und Polyphonie. Bei einem Synthesizer ist die Anzahl der gespielten Töne abhängig von der Stimmzahl. Wenn

ein Synthesizer mehrstimmig sein soll, also Polyphon, dann ist dies durch Erweiterung der kompletten Synthesizerstimmen machbar. Es wird quasi ein kompletter Satz von Oszillatoren, Filter, Hüllkurven, LFOs etc. benötigt um mehrere Stimmen gleichzeitig spielen zu können. Frühere Synthesizer-Module konnten zwar schon als Polyphon angesehen werden, jedoch waren diese fast unerschwinglich und somit nur für Profis erschwinglich. In rein analogen Modulen wird Polyphonie nur durch echte Erweiterung von Hardware, also durch physische Bausteine, realistisch umgesetzt.

Jeder kostengünstige Synthesizer war hauptsächlich nur monophon. In den Achtzigern hatte es jedoch KORG mit seinem Polysix geschafft, ein erschwinglicheres Synthesizer-System auf den Markt zu bringen, das bereits die Technik der Polyphonie gut umsetzen konnte. (vgl. Schmitz 2005, S. 81)

3.6.9.2 Portamento und Glide

Ein typischer Effekt von Synthesizern, der durch das Ansteuern einer Tastatur ermöglicht wird, ist das Portamento oder auch Glide genannt. Wenn man einen Oktavtriller mit Portamento spielt, wird anstatt eines schnellen Umschaltens der Tonhöhe eher ein weiches hin- und hergleiten der Tonhöhe bewerkstelligt. Die Umschaltzeit wird als Portamento-Zeit bezeichnet. Ein stufenloses Regeln ist hier ebenfalls möglich. Um zum Beispiel eine Sirene nachzuahmen, könnte man dies mit der Portamento-Zeit und einem Oktavtriller realisieren, um auf dieses Klangergebnis zu kommen. In den meisten Synthesizern werden zwei Arten von Portamento angeboten. Ein Fingered Portamento gleitet nur die Tonhöhe zwischen zwei gebundenen Noten, also nur legato gespielte Noten. Typische Synth-Solis lassen sich hiermit effektvoll anwenden. Ein Glissando macht das Gleiten der Tonhöhe nicht stufenlos, sondern es werden dazu Halbtonschritte benutzt. (vgl. Schmitz 2005, S. 82)

3.6.9.3 Controller

Außer den typischen Ansteuerungsmöglichkeiten wie etwa der Klaviatur, haben sich zur Echtzeitbeeinflussung von Parametern von Synthesizern sogenannte Controller etabliert. Für kreative Synthesizerspieler zählen diese zu den wichtigsten Werkzeugen, um die Kontrolle noch besser zu bewerkstelligen. Seit dem Minimoog-Zeiten, gehört besonders das einfache Pitch- und Modulationsrad zur Grundausstattung einer jeden Klaviatur, was sich schlussendlich auch für Synthesizer als sehr nützlich erwiesen hat. Wie schon der Name erklärt, ist das Pitch-Rad für die stufenlose Steuerung der Tonhöhe zuständig. Das Pitch- Wheel verfügt über eine Mittelrastung mit Federmechanismus, die das Rad immer in

Mittelstellung zurückbringt wenn es benutzt wird. Das Modulationsrad ist eigentlich nichts anderes als ein Potentiometer der für die Modulation zuständig ist. Die Nullstellung dieses Rads ist unten und die Maximalstellung ist oben. Bei den heutigen Synthesizern lassen sich mehrere Funktionen auf das Modulationswheel setzen, was der Kreativität beim Spielen von Klängen eine enorme Hilfestellung bietet.

Abb. 34: Pitchbend und Modulationwheel

Da ein Synthesizer nicht nur mit den Händen benutzt werden kann, sollte hier ebenfalls auf die Bedienung mit den Füssen eingegangen werden. Für die Bedienung mit den Füssen gibt es zum Einen Pedale, mit denen man kontinuierliche Verläufe steuern kann, und zum Anderen gibt es Fußschalter die als Trigger- oder Gate- Funktion dienlich sein können. Früher wurde bei Synthesizern nur eine fixe Parameterzuweisung an den Pedalen gemacht, jedoch seit Zeiten von MIDI kann den Pedalen fast jeder Parameter frei zugewiesen werden.

Des Weiteren gibt es noch einige spezielle Controller die das steuern der Parameter in Synthesizern vereinfachen sollen. Kurz erwähnt sei hier nur zum Beispiel der Ribbon- Controller, welcher es erlaubt, stufenlos die Tonhöhe mittels Finger zu ändern. Dies geschieht äquivalent zur Klaviatur durch eine Änderung des Widerstandwertes. Dadurch wird eine Steuerspannung erzeugt und umgewandelt. Einsatz des Ribbon-Controller könnte zum Beispiel sein, die Tonhöhe kontinuierlich zu ändern. (vgl. Schmitz 2005, S. 87ff)

3.6.10 Sequenzer

Wie schon vorher erwähnt, ist es notwendig, beziehungsweise, wird es interessanter, den Klangerzeuger nicht allein durch die Klaviatur anzusteuern, um ein vielseitiges Klangerlebnis zu erzeugen. Geschichtlich gesehen sind spannungsgesteuerte Synthesizer und sogenannte Step-Sequenzer stark miteinander verbunden. Die ersten Sequenzer waren rein analoge Geräte, und sind für das Ansteuern mittels Spannung für die Klangerzeuger erfunden

worden. Unter elektronischen Musikern ist der Step-Sequenzer, analog oder digital, zu einem unerlässlichen Arbeitsmittel geworden.

Um zu wissen wie ein Sequenzer funktioniert, hier eine kleine Kurzerklärung wie ein analoger Step-Sequenzer seine Arbeit macht. Zuerst werden ein paar Steuerspannungsquellen benötigt, beispielsweise 16 oder 8 (passend zu den musikalischen Notenwerten 16-tel oder 8-tel), um diese dann geordnet hintereinander zu reihen. Das wären dann die einzelnen Steps des Sequenzers. Des Weiteren werden die Steps mit einem Clock- Oszillator, eventuell ein LFO mit ausgegebenen Rechtecksignal, verschaltet. Bei jedem Impuls des Clock-Oszillators wird der jeweilige nächste Step angewählt und gespielt. Das ist so das einfachste Prinzip um spannungsgesteuert die einzelnen Steps aufzufordern etwas zu machen. Damit es klanglich interessanter weiter verläuft, wird jedem aktiven Step einem spannungsgesteuerten Oszillator zugewiesen. Um nun auch die Tonhöhe jedes Steps zu ändern muss nur noch ein regelbarer Potentiometer pro Step hinzugefügt werden, damit schlussendlich die verschiedenen Tonhöhen in Reihe gehört werden können. Zu guter Letzt wäre es dann natürlich auch gut, wenn der Step-Sequenzer nach seiner Abfolge von 16-tel- oder 8-tel- Noten, wieder von vorne beginnen kann. Es wird quasi eine „Cycle“- Funktion realisiert um den Sequenzer in einer Schleife laufen zu lassen. Um das Ganze noch etwas zu verfeinern, kann man pro Step auch noch die Lautstärke ändern indem ein weiterer Potentiometer zur Spannungsquelle des VCA hinzugefügt wird. Eine weitere Reihe an Potis zur regelbaren Steuerspannungsquelle kann am Ausgang dieser Reihe zum Cut-off Modulationseingang gesendet werden. Dadurch hat man auch den Einfluss zur Gestaltung der Klangfarbe erreicht.

Im Folgenden ist ein Bild des KORG SQ-10 Sequenzer aus „Vintage“ Tagen zur Veranschaulichung. (vgl. Schmitz 2005, S. 100f)

Abb. 35: Analoger Sequenzer

Analoge Sequenzer gestatten relativ einfach, intuitiv an Klangprozessen einzugreifen, damit musikalische Abwechslung spontan ins Spiel gebracht werden können.

3.7 Modulationsarten und Möglichkeiten

3.7.1 Grundlegendes

Eines der wichtigsten und entscheidendsten Techniken zur Gestaltung elektronischer Klänge für den musikalischen Einsatz ist wohl die Tatsache, dem Klangverlauf eine ständige Variation während der Wiedergabe, beizufügen. Je nach Art des Instruments können verschiedene Steuerspannungen an den verschieden Modulen empfangen und zur Weiterverarbeitung veranlasst werden. Bei älteren Synthesizern ist dies mit einer gesendeten Steuerspannung möglich. Andere Synthesizer lassen sich über MIDI-Daten steuern. Ein großes Kriterium der Qualität eines Synthesizers ist die Anzahl der zu steuernden Parameter. Die Steuersignale lassen sich meist mit einer Modulationsintensität einzeln steuern. (vgl. Raffaseder 2002, S. 229)

3.7.2 Audiomodulationen

Im Grunde genommen sind Signalspannungen, wie zum Beispiel von einem oder mehreren Oszillatoren, als Steuerspannungen für andere Module einsetzbar. Diese Art von Modulationen sind eigentlich ganz normale Modulationen, jedoch liegen diese im Audiobereich und bringen ganz eigenständige Klänge hervor. Bei den meisten analogen Synthesizer-Modulen wird oft eine bestimmte Cross-Modulation damit verknüpft. Dies bedeutet eine „Über-Kreuz-Modulation“, welche ihren Ursprung in der Zeit der berühmten Moog-Modular-Systeme hat. Auch später bei anderen Synthesizermodulen wird dieser Ausdruck noch immer verwendet. Der Grund hierfür ist wohl ein Logischer. Bei einem typischen VCO-Modul zum Beispiel sind die Signalausgänge unten angeordnet, die Eingänge für Modulationen hingegen sind oben angeordnet. Wenn nun zwei Oszillatoren sich gegenseitig beeinflussen sollen, so werden die Ausgänge des jeweiligen VCO mit den anderen Modulationseingängen verbunden und somit laufen die Leitungen über Kreuz. Daher der einfache Grund der Bezeichnung „Cross-Modulation“. Der erste industrielle Einsatz von Cross-Modulation in festverbauten Synthesizern hatte die Firma Roland mit ihrem Jupiter 8 Synth verwirklicht, obwohl diese Technik schon seit längerer Zeit bekannt war. Eine Cross-Modulation handelt im weiteren Sinne meistens davon, ein Audiosignal als

Modulationsquelle für ein anderes Audiosignal bereitzustellen. Bei genauerer Betrachtung sollte man hier die vier verschiedenen Arten der Cross-Modulation nennen. Es gibt die Cross-Modulation des Filters, die der Amplitudenmodulation, die Pulsweitensteuerung und die Modulation der Frequenz des VCO. (vgl. Anwander 2011, S. 70)

Bei einer Frequenzmodulation steuert der Modulator die Frequenz eines anderen Oszillators, auch als „Carrier“ bezeichnetet. Ein besonderer Effekt entsteht bei einer Frequenzmodulation mittels eines LFO, nämlich das Vibrato. Das Ausgangssignal wird wenn die Ausgangsspannung des LFOs im positiven Bereich ist angehoben und wenn die Spannung im negativen Bereich ist wird abgesenkt. Dadurch kann eine Tonhöhenänderung wahrgenommen werden. Natürlich wird hier nicht nur die Tonhöhe verändert, sondern eine Änderung der Kurvenform des Signals ist ebenfalls ersichtlich. Wenn aber die Modulationsfrequenz nur etwas langsamer als das zu modulierende Audiosignal ist, wird eine Tonhöhenänderung nur schwer wahrnehmbar sein, jedoch die Änderung der Kurvenform ist dabei deutlich zu hören. Wenn die Modulationsfrequenz um einiges schneller ist als das des zu modulierenden Signals, kommt es zu einer starken Veränderung der Kurvenform.

Abb. 36: Frequenzmodulation

Anhand des folgenden Beispiels soll hier die Frequenzmodulation genauer erläutert werden. Ein Sägezahnsignal von 400 Hz soll mit einem Rechtecksignal von 3200 Hz moduliert werden. Die Spannung des modulierten Rechtecks beträgt 2 Volt Spitze/Spitze. Wenn der Modulator, also das Rechtecksignal, oben ist, dann wird das Sägezahnsignal (Carrier) mit +1 Volt moduliert, was zur Folge eine Verdoppelung der Frequenz von 800 Hz, also genau um eine Oktave, entspricht. Bei -1 Volt geht die Rechteckspannung nach unten, was eine Modulation des Sägezahnsignals auf 200 Hz führt. Die Originalfrequenz des modulierten Oszillators ist nun um einiges niedriger als die der modulierenden Frequenz. Daher kann

unsere Wahrnehmung nicht mehr auf die Geschwindigkeit des kompletten Wellendurchgangs eingehen. Die Steigung der Kurvenform ist jedoch erkennbar. Hat das modulierende Rechteck die Spannung +1 Volt, so entspricht beim Sägezahnsignal die steigende Kurvenform einer Frequenz von 800 Hz. Im umgekehrten Fall, wird bei einer Spannung von -1 Volt, die Steigung des Sägezahns, auf 200 Hz gebracht. Es wird quasi von dem Rechteck eine neue Kurvenform beeinflusst, wobei jede verschiedene Steigung zu einer neuen Kurvenform zusammengeführt wird. Die folgende Abbildung soll dieses Beispiel veranschaulichen.

Abb. 37: Ablauf von Modulationen

Bei einer Modulation mittels anderer Wellenformen, wird hier nicht so stark zusammengestückelt wie es bei einem Rechteck der Fall ist, sondern es ist ein fließender Übergang zwischen den Kurvenformsteigungen wahrnehmbar.

Eine Veränderung zwischen Modulationsintensität und dem Carrier-Signal bewirkt also immer eine Änderung der Kurvenform. In der FM-Synthese von zum Beispiel eines Yamaha DX 7, wird im Grunde genommen nichts anderes gemacht, als eine Cross-Modulation. (vgl. Anwander 2011, S. 72)

Es gibt jedoch Unterschiede ob man logarithmische oder lineare Frequenzmodulation betreibt. Bei einer logarithmischen Modulation wird die Tonhöhe des Carriers verändert, bei Linearen bleibt sie erhalten. Bei einer linearen Modulation wird mit der Charakteristik Herz pro Volt gearbeitet, bei einer logarithmischen Ansteuerung wird die Charakteristik Oktav pro Volt angewendet. (vgl. Anwander 2011, S. 73)

Ein etwas einfacheres Prinzip der Modulation ist die sogenannte Pulsweitenmodulation. Die Klänge sind hier einfach tonal spielbar da hier keine Anstiegsvariationen gemacht werden.

Klanglich ist die Pulsweitenmodulation nicht so extrem wie bei einer FM-Modulation, jedoch ist bei extremen Einstellungen eine Art Phasedistortion hörbar.

Bei einer Amplitudenmodulation wird nicht die Frequenz des zu modulierenden Oszillators gesteuert, sondern der Pegel.

Abb. 38: Amplitudenmodulation

Als Ergebnis dieser Art von Cross-Modulation entsteht durch die zwei verschiedenen Frequenzen ein virtuell drittes Signal. Die Differenz dessen Tonhöhen ergibt somit das von den beiden Originalfrequenzen abhängige dritte Signal. (vgl. Anwander, 2011, S. 75)

Durch Cross-Modulation kann jede Art von Synthese zur grundsätzlichen Ausgangskurvenform gemacht werden, welche dann anschließend vom Filter und Verstärker subtraktiv weiterverarbeitet werden kann. Eine erhebliche Steigerung zur Klanggestaltung kann die Intensität der Modulationen dynamisch mitbeeinflussen und steuern. (vgl. Anwander 2011, S. 76)

3.7.3 Dynamische Modulationen

In den heutigen Synthesizern ist es selbstverständlich, dass sich diese durch Echtzeitereignisse steuern lassen. Meistens werden diese mittels einem Modulationsrad, der Anschlagsgeschwindigkeit (Velocity) oder durch Druckdynamik (Aftertouch) als solche Echtzeitsteuerungsquellen realisiert. Das Prinzip der dynamischen Modulation ist recht einfach. Die Audiosignale und die Steuerungsbefehle bestehen bei analogen Synthesizern meist aus dem selben Material. Beide Male werden Spannungen genutzt.

Ähnlich wie bei einem Verstärker der das Signal anhebt oder absenkt, ist es bei der Steuerspannung die je nachdem auch kleiner oder größer gemacht werden kann. Die Intensität der Steuerspannung kann normalerweise durch einen Potentiometer am Spannungsmischer gesteuert werden und bestimmt die Stärke des zu modulierenden Signals. Am Beispiel eines Filters wird hier oft der Regler als „Envelope Amount“ angegeben, was Miteinfluss der Hüllkurve bedeutet. Es kann aber auch einfach nur ein VCA zwischengeschaltet werden. Die Modulationsintensität ist nun abhängig von der Steuerspannung die der regelbare VCA weitergibt. (vgl. Anwander 2011, S. 83f)

Wenn man an die dynamische Steuerung denkt, so kommt man schnell zur Anschlagsabhängigkeit von Hüllkurven und deren Intensität. Es gibt jedoch zahlreiche andere Modulationsmöglichkeiten. Hierbei werden zwei unterschiedliche Kontrollspannungen genutzt. Zum einen gibt es jene die von einem Musiker in Echtzeit eingegeben werden und zum anderen welche die vom Synthesizer selbst erzeugt werden. Die wohl am Geläufigsten Echtzeitsteuerungen werden mit Pedalen und Handrädern ausgegeben. Die Steuerspannungen die dabei ausgegeben werden, sind die Informationen für Anschlagsgeschwindigkeit einer Klaviatur, ähnlich wie Spannungen bei druckempfindlichen Sensoren dies machen. In der Welt von MIDI entspricht das Modulations- oder Pitchbend- Rad den Informationen über Velocity und Aftertouch. Meist wird in solchen Situationen auf ein MIDI Keyboard mit MIDI/CV- Interface zurückgegriffen. Es sollte aber darauf hingewiesen werden, dass eine separate Steuerspannungsgewinnung durch die Velocity-Informationen, nicht jedes MIDI/CV- Interface unterstützt wird.

Eine weitere Quelle zur Steuerung von dynamischen Modulationen ist die Spannung die selbst im Synthesizer erzeugt wird. Diese Spannungen stehen vordergründig Hüllkurven, LFOs, Keyboard CV und oft auch Sample&Hold Spannungen zur Verfügung.

Sehr oft wird zur Modulation der VCA angesteuert. Es ist aber genauso möglich den Filter anzusteuern. Während ein VCA bei einer Modulation eher auf die gesamte Intensität des Signals eingeht, wird bei einem Filter hauptsächlich die Grundtendenz der Modulation verändert. Wenn zum Beispiel ein Rechtecksignal aus einem LFO durch einen Tiefpass geschickt wird, so wird die Kurvenform der Modulation insgesamt weicher. Wenn aber hingegen eine Hochpassfilterung benutzt wird, so wird nur eine kurze Auslenkung bei den Umschaltpunkten übrig sein. Relativ interessant wird es, wenn die Regelung von Modulationen durch Filter geschieht. Wenn sich hierbei eine Modulation im Bereich der Audiosignale bewegt, spricht man von der Cross-Modulation. Man kann mit dem VCF die Kurvenform des Modulators weiter verändern, sogar noch während eine Note klingt. Bei

mehreren Bandpässen, die spannungsgesteuert sind, können die Obertöne des Carriers gestimmt werden. Dadurch kann man die Cross-Modulation auf die Frequenzverhältnisse reduzieren, was als Ergebnis vermehrt „tonalere“ Klänge ergibt.

In Bezug auf spezielle Sonderformen der dynamischen Modulation, kann man Differenzwerte aus schnell veränderten dynamischen Steuerspannungen errechnen. Zum Beispiel, es werden verschieden große Velocity-Werte eines Solos hergenommen. Danach nimmt man zirka die letzten zehn Tastaturanschläge, um die Differenz zwischen niedrigstem und höchstem Wert als Spannung zu errechnen, was somit als weitere Steuerspannung genutzt werden kann. Hiermit hat man sehr guten Einfluss auf die Dynamik des zu spielenden Audiosignals. Um dies in solcher Form bewerkstelligen zu können, sollte bereits auf digitale Technik zurückgegriffen werden. Jedenfalls ist es einfacher als mit analogen Schaltungen. (vgl. Anwander 2011, S. 83 - 88)

3.7.4 Rhythmische Modulation

Rhythmische Wiederholungen sind ein wesentliches Grundprinzip von Musik. Zumindest wird dies von den Meisten so verstanden. Eigentlich im Kleinen gesehen, sind diese Wiederholungen Luftdruckänderungen die wir als Töne wahrnehmen und empfinden. Eine etwas größere Ansicht ist die periodische Veränderung innerhalb einer Note, wie es zum Beispiel bei einem Vibrato oder Tremolo der Fall ist. In weiterer Stufe sind die Notenwerte, Takte und generell die musikalischen Wiederholungen ausschlaggebend um eine Gliederung einer Komposition musikalisch zu bestimmen.

Im Bezug auf Synthesizer-Module, entspricht der Oszillator eines der wesentlichsten Module, die das Prinzip der Wiederholung ausführt. Wenn er als VCO genutzt wird, werden Töne erzeugt, als LFO hingegen wird er als Modulator genutzt. Im Grunde genommen spricht daher nichts dagegen den Oszillator als Erzeuger musikalischer Abläufe zu nutzen.

Eines der wohl am Einfachsten zu realisierenden Modulationssignale, ist wie schon erwähnt, das Tremolo. Hierbei wird die Lautstärke des Verstärkers durch einen LFO moduliert. Da es verschiedene Wellenformen gibt die durch den LFO erzeugt werden können, gibt es daher auch verschiedene Lautstärkenverläufe die dadurch erzeugt werden. Eine abfallende Sägezahnkurve ist wohl am Üblichsten für den Hüllkurvenverlauf bei Sequenzer-gesteuerten Klängen. Lautstärkenunterschiede mit einem Rechtecksignal, klingen eher viel mechanischer. Ein ansteigender Sägezahn lässt sich zum Beispiel dazu benutzen Rückwärtsklänge zu imitieren. Bei extremen Einstellungen lässt sich nicht nur die Lautstärke,

sondern auch das Filter gezielt modulieren. Als Ergebnis kann man hier auf die einzelnen Töne gelangen. Dies lässt sich natürlich sehr gut auf musikalische Weise umsetzen. Wenn das Filter nur wenig mit einem LFO gesteuert wird, so können dadurch gehaltene Akkorde durch die LFO Modulation rhythmisch gegliedert werden. Dies kann auch gemacht werden, ohne dass der Zusammenhang der Akkorde verloren geht. Auch der VCO kann für rhythmische Variationen genutzt werden. Bei „hard-gesyncten“ Oszillatoren kann die Modulation der Pulsweite oder der Tonhöhenänderungen, erstaunliche Ergebnisse liefern. Vorausgesetzt die Abläufe sind rhythmisch sinnvoll aneinandergelegt. Wenn nun eine Rechteckform eines LFO die Tonhöhe eines VCO verändert, so kann man dadurch die musikalischen Intervalle durch die Steuerspannung rhythmisch wechseln lassen. Auf diese Art ist es auch möglich mit dem VCO Oktavensprünge zu machen.

Interessant wird es, wenn Frequenzen im musikalischen und rhythmischen Verhältnis sinnvoll eingeteilt werden. Dies lässt sich mit mehreren LFOs bewerkstelligen. Umso mehr Parameter für unterschiedliche, aber zusammengehörige, Geschwindigkeiten genutzt werden, desto interessanter werden die Klanggebilde die dabei entstehen. Es ist also daher auch recht sinnvoll die verschiedenen LFOs untereinander zu syncen um rhythmisch mit dem restlichen Musikgeschehen einher zu gehen. Das Tempo manuell anzupassen kann recht komplex sein. Die Schwingung eines LFOs sollte daher durch ein externes Signal angetriggert werden. Will man zum Beispiel, dass der LFO mit einer Geschwindigkeit einer ¼ - Note schwingt, so sollte der ungefähre Wert der Frequenz mit der eines Clock-Signals im Bezug auf die Geschwindigkeit einher gehen, um rhythmisch genaue Ergebnisse zu bekommen. (vgl. Anwander 2011, S. 89ff)

3.8 Effekte

3.8.1 Ein Synthesizer als Effektgerät

Schon in den Anfangszeiten der Synthesizer wurde damit begonnen, Synthesizer als Effektgeräte für Stimmen und andere Instrumente zu nutzen, beziehungsweise zu missbrauchen. Damit die Zuführung von externen Signalen von statten geht, muss natürlich ein dafür vorgesehener Eingang am Synthesizer-Modul zur Verfügung gestellt werden. Das hereinkommende Audiosignal kann dann mehr oder weniger mit den Synthesekomponenten bearbeitet werden. Bereits, der bis heute, legendäre Minimoog konnte ein externes Audiosignal mit Parametern von Filter und Verstärker weiterverarbeiten. Bei

Modularsystemen und neueren Synthesizern, wie etwa der sehr gut bekannte Access Virus, sind die Möglichkeiten zur Effektbearbeitung um einiges vielfältiger als es bei älteren Modellen der Fall ist. Besonders beliebt ist es, einen ganzen Song durch den Synthesizer durchzuschleifen, um langweiligen Tracks das gewisse Etwas zu geben. (vgl. Schmitz 2005, S. 94)

3.8.2 Grundlagen und Beispiele der Effekte in Synthesizern

Auch wenn sich dieser Teil nur kurz mit den üblichen Effekten beschäftigt, so sollte trotzdem darauf hingewiesen werden, dass der Einsatz von diversen Effekten in Synthesizern genauso wichtig sein kann um schlussendlich an der Klangfarbe optimalen Einfluss gerecht zu werden. Schließlich ist ja auch wichtig was am Ende der Signalkette rauskommt. Hier teilen sich aber oft Meinungen, wobei die eine „Schule“ behauptet, dass ein Synthesizer nur dann gut klingt wenn er ohne Effekte auskommt und bereits gute Klangverläufe macht. Bei der anderen Behauptung wird gesagt, dass auch ein interner Effekt in einem Synthesizer wichtig ist. Dies beeinflusst den Gesamtsound der ja schließlich als fertiges Endprodukt zum Einsatz kommt. Der Gebrauch von Effekten zur Gestaltung der Klangfarbe in Synthesizern kann letztendlich etwas Interessanteres bieten als der einfache Synthesizer-Sound selbst. (vgl. Schmitz 2005, S. 104)

3.8.3 Effekt-Typen

3.8.3.1 Vibrato und Tremolo

Eines der am meisten eingesetzten Effekte in Bezug von spannungsgesteuerten Synthesizern ist durch den LFO realisierbar, nämlich das Tremolo und das Vibrato. Das Vibrato entsteht durch die Modulation des LFOs und hat Einfluss auf die Tonhöhe. Die eingestellte Wellenform des LFOs bestimmt somit wie schnell und wie stark die Tonhöhe moduliert werden kann. Des Weiteren wird die Rate des LFOs eingestellt, welche bestimmt wie schnell die Tonhöhe variiert. Um den kompletten Effekt auszunutzen muss letztendlich noch der richtige Pitch-Modulation-Eingang des Oszillators gewählt werden und dem Einsatz des Vibratos steht nichts mehr im Wege.

Ein Tremolo-Effekt arbeitet ähnlich wie der Vibrato-Effekt. Nur wird hier eine Modulation der Lautstärke vorgenommen. Der LFO sollte daher auf den spannungsgesteuerten Verstärker geroutet werden. Die Wellenform und der Wert sind wieder abhängig von den Einstellungen des LFO. (vgl. Schmitz 2005, S. 73f)

3.8.3.2 Delays

Delays werden in Synthesizern sehr oft benutzt, jedoch gibt es natürlich auch sehr viele eigenständige Delay-Module. Mit einem Delay kann man Signale zeitlich verzögern. Dafür gibt es die einstellbare Delay-Zeit. Technisch zu unterscheiden ist jedoch die Art des Delays, bzw. wie es erzeugt wird. Es gibt Analog-Delays und Digital-Delays. Bei Analog-Delays wird das Schallsignal mit einer elektronischen Schaltung aufgezeichnet und danach, abhängig von der einstellbaren Zeit, wiedergegeben. Die Anzahl der Wiederholungen kann man mit dem Regler „Feedback“ einstellen. Mit jeder Verzögerungswiederholung, das vom Originalsignal gewonnen wird, schwächt das analoge Delay ab. Bei den digitalen Delays ist eine Klangverfärbung prinzipiell unkritischer. Diese klingen „sauberer“ als analoge Delays. Ein großer Vorteil von digitalen Delays ist der große Einstellungsbereich der Verzögerungszeiten, welche bereits in den Bereich der Sekunden gelangen. Eine Synchronisierung der Clock über MIDI ist ebenfalls ein wichtiger Faktor von digitalen Delays. Eine musikalische Terminologie auf Viertelnoten, Achtelnoten, etc. sind dadurch ebenfalls durch angepasste Verzögerungsintervalle machbar. (vgl. Schmitz 2005, S. 106f)

3.8.3.3 Chorus

Ein Chorus ist wohl der am Meisten eingesetzte und integrierte Effekttyp in Synthesizern. Im Grunde genommen ist es einfach ein Delay mit sehr kurzer Verzögerung (ca. 20ms). Durch den Chorus-Effekt, können leichte Tonhöhenveränderungen entstehen, die auch als Schwebungen bekannt sind. Dies ist jedoch abhängig von der Stärke der regelbaren Modulation. Der Einsatz des Chorus bewirkt eine breitere Wahrnehmung des Klanges, was auch der Grund ist, warum diese gerne in Synthesizern eingesetzt werden, um zum Beispiel einen Oszillator fetter wirken zu lassen. Mit diesem Effekt kann man leicht eine Klangfülle vortäuschen. (vgl. Schmitz 2005, S. 108)

3.8.3.4 Phaser und Flanger

Ein Phaser kann einen Synthesizer-Sound ziemlich „auffetten“. Dieser Effekt ist auch dafür verantwortlich, dass Musikwerke wie „Equinoxe“ und „Oxygene“ von Jean-Michel Jarre, sehr erfolgreich gemacht haben. Ein Phaser ist wiederum ein zeitlicher Effekt, jedoch wird die Verzögerungszeit um diesen Effekt zu erreichen, sehr klein gehalten. Zur Realisierung werden mit Bauelementen Phasenverschiebungen hervorgehoben. Um diese Klangverfärbungen realisieren zu können, werden Regelungen an den Parametern, wie

einstellbare Geschwindigkeit und die Modulationsstärke vorgenommen, um letztendlich den optimalen Phaser-Effekt wirken zu lassen.

Beim Flanger-Effekt passiert Ähnliches wie bei einem Phaser. Die zeitliche Verzögerung ist hier aber deutlich größer als beim Phasing. Des Weiteren wird beim Flanger keine Frequenzabhängigkeit der Verzögerung nötig sein wie es beim Phaser der Fall ist. Auch wenn beide Effekte akustisch ähnlich wirken, so gestattet der Flanger eine deutlich spektakulärere Klangmanipulation als der Phaser. Technisch gesehen kann man mit einem digitalen Delay auch den Flanger-Effekt erreichen. (vgl. Schmitz 2005, S. 108f)

3.8.3.5 Distortion und Overdrive

Wenn ein Klang so richtig „böse“ sein soll, so ist der Einsatz von Distortion oder Overdrive gefragt. Beide sind Verzerrungseffekte, wobei nur die Realisierung zu unterscheiden ist. Ein Distortion-Effekt wird eher nach dem klassischen Transistor-Verzerrer-Prinzip umgesetzt, was eher für einen sägenden Klangcharakter sorgt. Ein Overdrive-Effekt dagegen wird mit einer Simulation einer Röhrenverzerrung gemacht, was klanglich für einen etwas weicheren Sound als beim Distortion sorgt. Der Einsatz dieser Effekte kommt meistens für Gitarristen in Frage, dennoch kann der klangliche Charakter eines Synthesizers auf Wunsch nochmals um einiges angehoben werden. (vgl. Schmitz 2005, S. 109)

3.9 Analog- und Digitaltechnik

Um sich mit analoger Klangerzeugung zu beschäftigen, sollte ebenfalls ein kleiner Teil der Digitaltechnik in Synthesizern beleuchtet werden. Es mag zwar Gegensätzlich wirken, jedoch gibt es auch bei spannungsgesteuerten Analogsynthesizern digitale Schaltungen die miteinbezogen werden. Man denke nur an die typischen Klassiker, wie zum Beispiel der Firma Roland. Der Roland TB 303 nutzt einen rein digitalen Sequenzer, die Klangerzeugung ist aber rein analog. Ebenso die von Roland bekannten TR-808 und TR-909 sind digital gesteuerte Rhythmusmaschinen, die analoge und digitale Klangerzeugung vereinen. Des Weiteren gibt es noch die polyphonen Synthesizer, welche oft digitale Tastaturschaltungen nutzen. In vielen analogen Synthesizern werden sogar digital berechnete Oszillatoren und Hüllkurven miteinbezogen und werden erst dann zur analogen Klangbearbeitung weitergegeben. Aus diesen Gründen sollte hier die digitale Technik in Bezug auf analoge Synthesizer auch Erwähnung finden.

Ein Irrglaube ist meist, nur analog ist spannungsgesteuert und umgekehrt. Auch die Digitaltechnik arbeitet mit Übertragungen der Spannung. Es werden lediglich, in Form der digitalen Technik, unterschiedliche Werte stufenweise dargestellt. Um diese Werte verschieden darzustellen, werden hier die erzeugten analogen Spannungen die auf einer Leitung liegen, weiter digital verarbeitet und deren Größen kontinuierlich dargestellt. Die Digitaltechnik kann mehrere Werte darstellen, indem diese auf mehreren Leitungen Spannungen weiterverarbeitet, welche jeweils einen Zahlenwert repräsentiert. Dadurch wird der übertragene Wert durch den Ziffernwert bestimmt, wobei die kleinstübertragene Zahl auch dem kleinstmöglichen Wert entspricht. In der Digitaltechnik wird das duale Zahlensystem benutzt, das mit nur zwei Werten, nämlich null und eins, arbeitet. Bei digitalen Modulen von analogen Synthesizern wird dies zum Beispiel durch diese zwei Werte, mit null Volt oder zehn Volt ausgegeben. Ein typisches digitales Signal in der analogen spannungsgesteuerten Klangerzeugung ist das Gate. Dieses hat nur zwei Zustände, nämlich bei gedrückter Taste werden zehn Volt übertragen, bei nicht gedrückter Taste null Volt.

3.9.1 Digitale Logik

An einem Beispiel soll gezeigt werden, wie so eine digitale Schaltung in der Klangerzeugung genutzt werden kann. Ein Korg MS-20 arbeitet mit einem sogenannten invertierten Gate. Dies bedeutet, dass bei gedrückter Taste null Volt und bei losgelassenem Zustand zehn Volt, übertragen werden. Wenn der Gate-Ausgang des MS-20 mit dem Gate-Eingang, zum Beispiel eines Roland SH-101, verbunden wird, so wird ein Ton gespielt solange keine Taste am Korg gedrückt wird. Wenn aber die Taste betätigt wird, wird kein Ton mehr am Roland SH-101 spielen. Eigentlich sollte hier ein Modul bei der Übertragung zwischengeschaltet werden um das Gegenteil bewirken zu können. Die Gate-Spannung des Korgs sollte das Gleiche bewirken wie die Gate-Spannung des Rolands. Solch ein Modul sollte dann wenn der Korg seine Gate-Spannung anbietet, „NEIN“ sagen und gegenteilig arbeiten. Die folgende Grafik soll veranschaulichen, wie dies mit einem Döpfer A-166 Dual Logic Module machbar ist.

Abb. 39: Invertierte Spannung

3.9.1.1 NOT-Funktion

Die wohl am einfachsten zu realisierende Logikfunktion ist die NOT-Funktion. Anhand einer Wahrheitstafel kann der Zustand der Schaltung gezeigt werden. Die nächste Grafik zeigt den Zustand einer NOT-Funktion. Wenn also eine Eingangsspannung vorliegt, soll der Ausgang diese Eingangsspannung nicht weiterführen.

Abb. 40: NOT-Funktion

3.9.1.2 AND-Funktion

Eine AND-Funktion gibt nur dann Spannung weiter, wenn an beiden Eingängen Spannung vorliegt. Wenn eine Spannung von null Volt, entweder bei beiden oder nur an einem Eingang vorliegt, so wird bei der Schaltung auch null Volt ausgegeben. Die nächste Grafik soll dies veranschaulichen.

Abb. 41: AND-Funktion

3.9.1.3 OR-Funktion

Eine weitere logische Funktion ist die Oder-Schaltung (englische Bezeichnung: OR). Diese wird eine Spannung ausgeben, sobald an einem der beiden Eingänge eine Spannung vorliegt. Die Eingangsspannungen werden dabei nicht gemischt. Auch hier soll die Grafik dies zeigen.

Abb. 42: OR-Funktion

3.9.1.4 EXOR-Funktion

Dies ist eine Spezialisierung der OR-Funktion und heißt Exklusive-Oder-Funktion (englische Bezeichnung: EXOR). Hier wird nur dann eine Spannung weitergegeben wenn die Eingänge unterschiedliche Spannungen liefern. Wenn eine gleiche Eingangsspannung vorliegt werden null Volt ausgegeben. Die nächste Grafik zeigt die Möglichkeiten einer EXOR- Funktionsschaltung.

Abb. 43: EXOR-Funktion

Normalerweise werden solche digitalen Grundschaltungen in aktiven elektronischen Chips realisiert, jedoch ist dies kein Muss. Ein Mixer-Modul kann zum Beispiel auch wie eine OR- Logik umgesetzt werden. Schlussendlich sollte auch noch darauf hingewiesen werden, dass mit diesen oben genannten Digitalschaltungen AND, OR, EXOR und NOT, die gesamte Digitaltechnik funktioniert, bis hin zu komplexen Computersystemen. In analogen Synthesizern reichen jedoch einfachere Kombinationen aus.

3.9.2 Zähler und Teiler

Besonders interessant bei logischen Verknüpfungen sind vor allem Zähler- und Teilerbausteine. Ein Zähler hat die genaue Bezeichnung, dezimal dekodierter Zähler, und ein Teiler ist ein im Binärsystem darstellender Zähler.

Ein Zählerbaustein hat einen Trigger-Eingang und eine bestimmte Anzahl an Ausgängen. Des Weiteren verfügt dieser auch über einen Reset-Eingang. An einem der Ausgänge liegt immer eine Spannung von zum Beispiel zehn Volt vor. Bei jeder am Trigger-Eingang kommenden Spannung wird dann von null Volt auf zehn Volt geschaltet. Der vorher aktive Ausgang wird dann auf null Volt geschaltet und der nächste bekommt dann die zehn Volt die er braucht. Wenn der letzte Ausgang benutzt wurde, beginnt das Spiel wieder von vorne und der Zähler beginnt wieder am Anfang. Wichtig an dieser Stelle ist auch der Unterschied zwischen Trigger und Gate. Der wesentliche Teil eines Triggers ist, wann die Trigger- Spannung nach oben geht und wie lange dort die Spannung gehalten wird. Dies ist essentiell für die Funktion des Zählers.

Wenn man nun diese Reihe an Spannungen jeweils zu einem Eingang eines Mischers führt, so hat man schon einen kleinen analogen Sequenzer. Die Tonhöhen können mit den Reglern des Mischers variiert werden. Es kann auch mit Hilfe des Clock-Signals eine

regelmäßige rhythmische Gate Abfolge gemacht werden. Die nächste Abbildung soll das einfache Prinzip eines analogen Sequenzer veranschaulichen.

Abb. 44: Zählerprinzip eines analogen Sequenzers

Ein Teiler-Modul ist zunächst einem Zähler-Modul sehr ähnlich. Ein Reset- und Trigger- Eingang und eine Anzahl an Ausgängen hat auch das Teiler-Modul. Jedoch reagieren die Ausgänge, bei eingehendem Clock-Signal, etwas anders als bei einem Zähler-Modul. Wenn die Spannung des Clock-Signals von null Volt auf zehn Volt umschaltet, wird der Zustand des ersten Ausgangs verändert. Bei einer Spannung von zehn Volt geht er bei einem Clock- Trigger auf null zurück. Wenn aber gerade bei null Volt geschaltet wird, schaltet der Ausgang auf zehn Volt um. Anders als beim Zähler wird hier nicht durch das Clock-Signal getriggert sondern es wird der erste Ausgang das Clock-Signal für den nächsten Ausgang. Dementsprechend wird auch der zweite Ausgang nur halb so oft geschaltet wie der Erste. Also im Verhältnis zum ursprünglichen Clock-Signal nur um ein Viertel. Alle nachfolgenden Ausgänge funktionieren gleich und geben also dementsprechend eine Verhältnisreihe von 1:2, 1:4, 1:8, 1:16, 1:32, 1:64, etc. aus. Die nächste Grafik soll dies bildlich darstellen.

Abb. 45: Teiler-Prinzip

Einsatzgebiete von Teilermodulen können zu Beispiel unter anderem sein: Erzeugung von Suboktaven der Audiooszillatoren oder zur kompositorischen Steuerung von Modulationen oder Sequenzer um ein abwechslungsreiches Gestalten der Klänge zu bewerkstelligen.

3.9.3 Komparator

Um die digitalen Ja/Nein-Entscheidungen umzusetzen, wird ein sogenannter Komparator eingesetzt, um aus den analogen Spannungen eine Ableitung machen zu können. Übersetzt heißt der Name des Komparators eigentlich Vergleicher und kommt aus dem Lateinischen. Ein Komparator hat zwei Eingänge und einen Ausgang und vergleicht die Spannungen zwischen Eingang A und B. Ist zum Beispiel die Spannung am Eingang A höher als die am Eingang B so wird am Ausgang eine konstante Spannung ausgegeben. Wenn aber am Eingang A eine niedrigere Spannung als bei Eingang B vorliegt so wird am Ausgang nur null Volt ausgegeben. Das Ergebnis der Vergleichung des Komparators wird dann weiter digital dargestellt. In modularen Synthesizern werden sehr oft Komparatoren eingesetzt. Am Beispiel einer Sägezahnwelle kann gezeigt werden, dass hierzu nur mit einem Oszillator mittels eines Komparators, eine Pulswelle hergestellt werden kann. Ein weiteres Einsatzgebiet wäre das External-Input. Hier wird einfach der Lautstärkenverlauf des externen Signals mit einem verstellbaren Schwellwert verglichen. Wenn die Lautstärke überschritten wird, schaltet der Schwellwert um und der Ausgang des Komparators gibt das Signal weiter. Es gibt grundsätzlich sehr viele Möglichkeiten einen Komparator zum Einsatz zu bringen. (vgl. Anwander 2011, S. 93 - 104)

3.10 Beispiele der elektronischen Klangerzeugung

3.10.1 Flächenklänge

Unter einer Fläche wird ein andauernder, allmählich kommender, warmer Klang verstanden, der für klanglichen Hintergrund sorgt. Der meist lebendige Klang soll dabei nicht Melodie, Sprache, Geräusche, etc. im Wege stehen, sondern soll sich im Klangspektrum dynamisch im Hintergrund wahrnehmbar halten. Eine Fläche ist meist als harmonisches Fundament im Hintergrund zu hören um eine gewisse Stimmung zu vermitteln. Da vollkommene, statische und leblose Flächen eher unnatürlich klingen, sollte bei der Gestaltung und klanglichen Entwicklung der spektrale Aufbau und das Verhalten der Amplitude bewusst bearbeitet und eingesetzt werden, um den richtigen emotionalen Gehalt vermitteln zu können. Sprunghafte und zufällige Muster im Klangverlauf bringen eher Nervosität und Anspannung ins Gemüt des Hörers, jedoch bei Einsatz von langsam, kontinuierlichen und kaum bemerkbaren Flächenklängen, wird eine ruhige, angenehme Atmosphäre gewährleistet. Bei der Gestaltung solcher Klangverläufe mit Synthesizern, ist es bereits von Vorteil schon anfangs die Oszillatoren dafür vorzubereiten. Ein sanftes Ein- und Ausschwingen ist in der Regel für einen Flächensound gewünscht. Hierfür werden verhältnismäßig lange Zeiten der Hüllkurve, genauer gesagt für die Attack und Release, eingestellt. Der Sustain-Regler sollte aber eher hoch gehalten werden um nicht einen starken Pegelabfall herbeizuführen. In der subtraktiven Synthese lassen sich mittels einem zweiten Oszillator Flächenklänge bewerkstelligen. Bei leichter Veränderung der Frequenz eines der beiden Oszillatoren, können Phänomene wie Schwebungen herbeigerufen werden. Ein abwechslungsreicher Klangcharakter kann hiermit also schnell gestaltet werden. Zusätzlich kann mittels einem LFO das Klangerlebnis variiert werden. Für die Erstellung von Flächenklängen lassen sich Wellenformen wie Rechteck, Pulswelle oder Sägezahn gut einsetzen. Je nach Einsatz der Syntheseform und Wellenformen lassen sich mit mehr oder mit weniger Obertönen schöne Flächen bewerkstelligen. (vgl. Raffaseder 2002, S. 242f)

3.10.1.1 Flächenklänge in der subtraktiven Synthese

Unabhängig ob ein Sound mit digitaler oder analoger Elektronik erzeugt wird, so wird wohl das subtraktive Syntheseprinzip zur Klangerzeugung am Meisten eingesetzt. Deshalb ist es auch möglich eine einfache musikalische Fläche nach diesem Prinzip elektronisch zu erzeugen. Am Anfang steht meistens der Basisklang der von einem oder mehreren Oszillatoren erzeugt wird. Des Weiteren werden Klang- oder Lautstärkenanteile abgezogen. Auf einen Flächenklang bezogen kann man sagen, dass es wichtig ist den grundlegenden

Klang des Oszillators so einzustellen, dass für die Weiterverarbeitung schon eine gewisse Grundstruktur vorhanden ist. Der weitere Einsatz von Filter und Verstärker ist auschlaggebend um zu einem brauchbaren Ergebnis zu kommen. Ein weiterer Trick um einen reichhaltigen Flächenklang zu erreichen ist das imitieren von Polyphonie. Natürlich wäre es besser gleich einen polyphonen Synthesizer zu benutzen, aber durch die Technik des Layering lässt sich dies auch mit monophonen Synthesizern verwirklichen. Die richtigen Einstellungen und das Hinzufügen der Hüllkurve und des LFOs machen dann den Sound zu einem nicht so langweiligen Flächensound der zum Beispiel nur monophon einfach gespielt wird. (vgl. Anwander 2011, S. 128f)

3.10.2 Bassklänge

Bassklänge bilden in vielen Musikstücken eine wichtige Grundlage in einem Arrangement. Das gut wahrnehmbare, prägnante und tragende Element sollte dabei nicht zu aufdringlich sein, sondern soll sich gut im Klangspektrum eingliedern. In der elektronischen Klanggestaltung wird oft das Nachahmen von typischen Bassklängen gewünscht. Durch eine kurze, markante Einschwingphase, ähnlich dem Anschlagen oder Anzupfen eines akustischen Bassinstruments, wird eine vergleichbare Wirkung erzielt, indem man Attack- und Decay- Zeit eher kurz hält, und die eher obertonreiche Sustain-Phase vergleichsweise niedrig einstellt. In der subtraktiven Synthese ist dies nicht so einfach zu realisieren. Aufgrund fehlender Obertöne wäre es zunächst mit einer Sinuswelle als Wellenform zu erreichen. Es ist aber schwierig mit nur einer einzigen Sinuswelle durch die Einschwingungsphase den gewollten Klangeffekt zu betonen. Eine Einstellung von niedrigen Attack- und Decay- Zeiten und ganz abgedrehtem Sustain-Level kann aber schließlich bei Modulation der Frequenz durch die Hüllkurve, dem gewünschten Ergebnis sehr nahe kommen, und ist schlussendlich eine Möglichkeit bassähnliche Klänge zu bauen. Bei kurzen Zeiten der Hüllkurve ist die Modulation der Tonhöhe des Oszillators gar nicht mehr als ganzer Ton wahrnehmbar, sondern es wird damit eine Art Anschlagsgeräusch erreicht. Meist werden aber Rechteck- oder Sägezahnwellen benutzt, da dies mit diesen Formen effektiver machbar ist. Ein weites Öffnen des Filters während der Einschwingphase ist ausschlaggebend bei der Gestaltung der Klangfarbe. Durch eine hohe Filterresonanz lassen sich zusätzlich die enthaltenen Obertöne betonen. Danach sollte die Filterfrequenz wieder sinken um den Großteil der Obertöne zu unterdrücken. Erreicht wird dies wieder durch eine Modulation der Hüllkurve. Dabei sollte aber bedacht werden, dass die Werte des Signals zirka dem der Lautstärke entsprechen. Ein besonderer Effekt kann entstehen, wenn zwei Oszillatoren, zum Beispiel eine Sägezahnform und eine Rechteckform zusammen gemischt werden. Damit lassen sich relativ, wuchtige Bässe kreieren, wenn die zwei Oszillatoren sind

gegeneinander um eine Oktave verstimmt sind. Bei gleicher oder ähnlicher Frequenz kann der Effekt der Schwebung entstehen, was zur Folge haben kann, dass sich Teile vom Frequenzspektrum aufheben und gegenseitig auslöschen. Solche Bassklänge können aber auch mit anderen Syntheseformen, wie zum Beispiel durch die FM-Synthese erreicht werden. (vgl. Raffaseder 2002, S. 243f)

3.10.3 Elektronische Perkussion

Die Schwingungen eines perkussiven Klanges lassen sich durch einmaliges Anregen und darauffolgendes Ausklingen der Eigenschwingung des Instruments erreichen. Beim Nachbilden solcher Klänge mittels elektronischen Parametern ist dies mit einer simplen, zweistufigen Hüllkurve zu bewerkstelligen. Der entscheidende Parameterwert um dies zu erreichen ist die Decay-Zeit, welche für den Verlauf der Lautstärke des Signals mitentscheidend ist. Die Attack-Zeit sollte dabei sehr kurz oder sogar ganz auf null eingestellt werden. Perkussive Schallsignale lassen sich leicht mit geräuschhaften Audiosignalen bewerkstelligen. Ein Rauschen als Wellenform eignet sich daher sehr gut um solche Klänge zu kreieren. Des Weiteren sollte das Filter, durch Bandpass oder Tiefpass und exakter Resonanzeinstellung, die Zusammensetzung des Klangspektrums umsetzen. (vgl. Raffaseder 2002, S. 244f)

3.10.4 Natur- und Alltagsgeräusche

Um Geräusche für gewisse Situationen nachahmen zu können, ist der Einsatz von einer Physical Modeling- Synthese am Besten geeignet. Jedoch ist dies nicht immer notwendig, beziehungsweise kann dies auch sehr aufwendig sein. Ein Meeresrauschen zum Beispiel, lässt sich ganz einfach mit einem breitbandigem Rauschen erzeugen. Durch Zu- und Abnahme des Lautstärkenverlaufs, die durch eine modulierte Hüllkurve ausgelöst werden kann, wird ein nachahmendes Meeresrauschen kreiert. Bei gut eingestellten Parametern der Hüllkurve lässt sich ein recht authentisches Meeresrauschen synthetisch nachbilden. Um an der Klangfarbe des kreierten Meeresrauschens weiterzuarbeiten, sollte der Einsatz von Filtern nicht außer Acht gelassen werden. Durch variierte Modulation der Grenzfrequenz mit dem Verlauf der Hüllkurve, lassen sich die Beschaffenheit der Meereswellen besser und identischer nachahmen. Auch ein Windgeräusch lässt sich ähnlich gestalten. Die Windgeräusche sind aber etwas schmalbandiger im Klangverlauf als das Meeresrauschen. Eine Modulation von Filterfrequenz und der Amplitude sollte mit einem Zufallssignal versehen werden um einen eher authentischen Windgeräusch nahe zu kommen, da ja wie bekannt ist, ein Wind keine regelmäßigen Geräusche erzeugt. Der Einsatz von Filtern mit

hohem Resonazanteil im Bandpassbereich ist ebenso wichtig für die Gestaltung von Windgeräuschen. Durch die richtige Wahl der Parameter kann mittels Filter und Hüllkurvenverläufe eine Vielzahl an Geräuschen synthetisch erzeugt werden. (vgl. Raffaseder 2002, S. 246)

4 Elektr. Grundlagen analoger Synthesizer

Dieses Kapitel umfasst die wichtigsten elektronischen Grundlagen der verschiedenen Baugruppen, aus denen sich ein analoger Synthesizer zusammensetzt. Es werden Grundschaltungen und theoretische Betrachtungen der Elemente der subtraktiven Klangsynthese erläutert.

4.1 Bauteile

Im Folgenden werden die wichtigsten Bauteile sowie deren Schaltzeichen aufgeführt. Die folgenden Beschreibungen beziehen sich auf theoretische Funktionsweisen idealer Bauteile, die in der Praxis aufgrund von Bauteiltoleranzen etwas abweichen können.

4.1.1 Elektrischer Widerstand

Fließt Strom durch einen Leiter, werden dabei die Elektronen durch Reibung am Atomgitter gebremst und dadurch der Stromfluss begrenzt. Diese Strombegrenzung ist als elektrischer Widerstand definiert und hat das Formelzeichen R mit der Einheit Ohm [Ω]. (vgl. Bauckholt 2001, S. 33; Schnabel 2010, S. 21f)

Prinzipiell hat jede Leitung einen elektrischen Widerstand, welcher vom Material, Länge und Querschnitt abhängig ist. Für die folgenden Schaltungen sind jedoch nur sogenannte technische Widerstände von Relevanz, wie etwa Festwiderstände oder variable, wie Trimmer und Potentiometer, die auf bestimmte ohmsche Werte abgestimmt sind.

Wichtiges Einsatzgebiet von Widerständen ist die Strom- und Spannungsteilung, um diese auf den gewünschten bzw. benötigten Pegel zu bringen.

Bei der Serienschaltung von Widerständen fließt durch alle Widerstände der selbe Strom, während sich die Gesamtspannung in Teilspannungen aufteilt, die proportional zum Widerstand sind. Bei der Parallelschaltung verhält es sich genau umgekehrt, es liegt an allen Widerständen die selbe Spannung an, der Gesamtstrom teilt sich in Teilströme auf, welche umgekehrt proportional zum Widerstand sind.

Wenn eine Wechselspannung an einem Widerstand anliegt, folgt die Stromstärke der angelegten Wechselspannung ohne zeitliche Verzögerung. (vgl. Bauckholt 2001, S. 264; Schnabel 2010, S. 202 - 205)

Im Bezug auf analoge Klangsynthese und Synthesizer-DIY, stellen Widerstände einerseits wichtige Grundbausteine für die unterschiedlichsten Arten von Schaltungen dar, andererseits sind sie auch wesentliche Elemente der Bedienoberfläche. Eine manuelle Steuerung von klangbestimmenden Parametern, wie z.B. Tonhöhe eines Oszillators, Grenzfrequenz eines Filters oder die Modulationstiefe durch Steuerspannungen, erfolgt durch das Verändern des Widerstandswert eines bestimmten Bauteils. Dabei kommen häufig Potentiometer in Form von Drehknöpfen zum Einsatz. (vgl. Wilson 2013, S. 26f)

In Abbildung 46 sind die Schaltzeichen von Festwiderständen sowie Potentiometern dargestellt.

Abb. 46: Schaltzeichen von Widerständen

4.1.2 Kondensator

Ein Kondensator ist prinzipiell aus zwei parallelen, leitenden Platten aufgebaut, welche durch einen Isolierstoff, ein sogenanntes Dielektrikum, von einander getrennt sind. Wenn an einen Kondensator eine Spannung angelegt wird, verschieben sich die freien Elektronen von der Platte am Pluspol zur zweiten am Minuspol, es baut sich ein elektrisches Feld auf, d.h. ein Kondensator kann Ladung speichern. Diese bleibt erhalten, wenn der Stromkreis unterbrochen wird. Man spricht daher bei einem Kondensator auch von einer Kapazität. Die Kapazität eines Kondensators ist abhängig von der Plattengröße, dem Plattenabstand und dem verwendeten Dielektrikum. Ein Kondensator hat das Formelzeichen C mit der Einheit Farad [F]. (vgl. Bauckholt 2001, S. 162)

Wird ein ungeladener Kondensator an einer Gleichspannung angeschlossen, fließt im Einschaltmoment ein hoher Ladestrom, der exponentiell abnimmt, während die Spannung exponentiell ansteigt. Wenn die Kondensatorspannung die Ladespannung erreicht hat, fließt kein Strom mehr, d.h. geladene Kondensatoren sperren Gleichstrom. (vgl. Schnabel 2010, S. 210f)

An Wechselspannung stellt ein Kondensator einen sogenannten kapazitiven Blindwiderstand

XC dar. Dieser ist abhängig von der Frequenz der Spannung und der Kapazität des

Kondensators: XC = 1 / (2 π f * C) [Ω].

In ungeladenem Zustand fließt ein Strommaximum, während am wenigsten Strom fließt wenn die Spannung ihren Spitzenpegel erreicht. Strom und Spannung sind daher um 90° phasenverschoben, der Strom eilt der Spannung voraus. (vgl. Bauckholt 2001, S. 265-270; Dehler et al. 2001, S. 129)

Das Auf- und Entladen erfolgt nach einer Exponentialfunktion, bei der innerhalb einer Zeitkonstanen τ 63% der anliegenden bzw. geladenen Spannung ge- bzw. entladen wird. Nach ca. 5 τ ist der Lade- bzw. Entladevorgang so gut wie abgeschlossen. Durch einen Vorwiderstand in Serie zum Kondensator kann die Zeitkonstante angepasst werden, wobei diese ausschließlich vom Widerstandswert und der Kapazität abhängt: τ = R * C [s]. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 62; Schnabel 2010, S. 212)

Sowohl das frequenzabhängige Verhalten eines Kondensators, als auch die Gleichstrom- sperrende Wirkung, sind für verschiedenste Schaltungen, die in einem Synthesizer zum Einsatz kommen, von Relevanz. So werden Kondensatoren beispielsweise in Oszillator- und Filterschaltungen genutzt, sowie als Koppelkondensatoren an Ein- und Ausgängen, um einen eventuellen Gleichstromanteil zu sperren und nur das Wechselstromsignal auszugeben. Da Kondensatoren Ladung speichern können, werden diese ebenfalls als Stützkondensatoren verwendet, um verschiedensten Bauteilen eine Spannungsreserve zur Verfügung zu stellen. (vgl. Wilson 2013, S. 24)

In Abbildung 47 sind verschiedene Schaltzeichen unterschiedlicher Kondensatoren dargestellt.

Abb. 47: Schaltzeichen von Kondensatoren

4.1.3 Spule

Eine Spule ist ein Bauelement, welches aus einem aufgewickelten Leiter besteht. Wird eine Spule von einem Strom durchflossen, bildet sich um sie ein gerichtetes Magnetfeld. Man unterscheidet zwischen Luftspulen und solchen, die einen Kern aus ferromagnetischem Material wie z.B. Eisen besitzen, wodurch die magnetische Wirkung erhöht wird.

Wird ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, so wird an ihm eine Spannung induziert, solange die Bewegung besteht. Auch wenn eine Spannung angelegt wird, baut sich ein magnetisches Feld auf, durch das in der Spule eine sogenannte Selbstinduktionsspannung induziert wird, weshalb man bei Spulen auch von Induktivitäten spricht. Induktivitäten haben das Formelzeichen L mit der Einheit Ωs, welche auch die Bezeichnung Henry [H] hat. (vgl. Bauckholt 2001, S. 235; Dehler et al. 2001, S. 83-87)

Die Selbstinduktionsspannung ist um so größer, je schneller sich die magnetische Flussrichtung ändert. Sie ist gegen die anliegende Spannung gerichtet und wirkt dadurch im Wechselstromkreis strombegrenzend, man spricht daher auch von einem induktiven

Blindwiderstand XL. Dieser ist abhängig von der Frequenz und der Induktivität der Spule: XL = 2 π f * L [Ω].

Da der Stromfluss abhängig von der Magnetflussänderung ist, hat dieser sein Maximum in den Nulldurchgängen, es gibt eine Phasenverschiebung von 90° zwischen Spannung und Strom, wobei der Strom der Spannung nach eilt. Der Auf- und Abbau des Stromflusses folgt, ähnlich wie das Ladeverhalten eines Kondensators, einer Exponentialfunktion mit einer

Zeitkontanten τ. Ein Widerstand in Serie zur Spule verändert die Zeitkonstante: τ = L / R [s]. (vgl. Bauckholt 2001, S. 271-275; Dehler et al. 2001, S. 130f)

Ebenso wie Kapazitäten, können Induktivitäten aufgrund ihres frequenzabhängigen Verhaltens in verschiedenen Synthesizer-Schaltungen zum Einsatz kommen, z.B. zur Schwingungserzeugung oder zur Filterung von gewissen Frequenzanteilen.

In Abbildung 48 ist das Schaltzeichen einer Spule dargestellt.

Abb. 48: Schaltzeichen einer Spule

4.1.4 Dioden

Eine Diode ist ein Halbleiter-Bauteil, dass aus einer Elektronen-leitenden N-Schicht und einer „Elektronen-Löcher“-leitenden P-Schicht besteht. Am sogenannten PN-Übergang zwischen den Halbleiterschichten bildet sich eine Sperrschicht, da sich Elektronen mit den Löchern verbinden. Die Sperrschicht vergrößert sich, wenn die Diode in Rückwärtsrichtung, d.h. N-Schicht am Plus- und P-Schicht am Minuspol, an einer Spannungsquelle angeschlossen wird. Dadurch bekommt der PN-Übergang einen hohen Gleichstromwiderstand. Wird die Diode umgekehrt in Vorwärtsrichtung angeschlossen, wird die Sperrschicht immer weiter abgebaut und die Diode wird leitend, der PN-Übergang hat einen niedrigen Gleichstromwiderstand. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 94f; Schnabel 2010, S. 150f)

Weitere spezielle Arten von Dioden bzw. Halbleiterbauelementen sind LEDs, Fotowiderstände sowie Fotodioden.

LEDs, von Light Emitting Diode (auch Leuchtdiode), setzen am PN-Übergang Energie in Licht um, wenn eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird. Je nach verwendetem Halbleiterwerkstoff, geben LEDs Licht in einer bestimmten Farbe ab, oder auch im Infrarotbereich. Daneben gibt es auch Mehrfarben-LEDs. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 101f; Schnabel 2010, S. 158f)

Bei Fotowiderständen ändert sich der Widerstand des Halbleiterwerkstoffs in Abhängigkeit zum Lichteinfall, wobei dieser bei stärkerer Beleuchtung abnimmt. Bei Fotodioden entsteht bei Bestrahlung mit Licht oder Infrarotstrahlung an deren PN-Übergang ein Stromfluss, wobei die Stromstärke proportional zur Beleuchtungsstärke zunimmt. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 99f; Schnabel 2010, S. 117f und S. 157f)

Zener-Dioden sind für den Betrieb im sogenannten Durchbruchsbereich ausgelegt. Wird bei Dioden die Durchbruchsspannug überschritten, d.h. eine zu hohe Spannung in Rückwärtsrichtung angelegt, werden in der Sperrschicht freie Ladungsträger frei, was einen starken Strom hervorruft. Bei Universaldioden wird die Sperrschicht durch den elektrischen Durchbruch zerstört, Zener-Dioden können innerhalb eines gewissen Arbeitsbereichs betrieben werden, eine kleine Spannungserhöhung hat dabei eine große Zunahme des Stroms zur Folge. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 97 und S. 105; Schnabel 2010, S. 155ff)

Für die Realisierung von Schaltungen zur Klangerzeugung bzw. -steuerung, dienen Universaldioden z.B. als Art Ventile, um verschiedene Signalwege voneinander zu trennen. Des Weiteren kann man damit auch Frequenzmodulationen sowie Gating-Effekte umsetzen. (vgl. Collins 2009, S. 143f)

LEDs eigenen sich als Statusanzeigen, z.B. um den aktiven Zustand eines Moduls zu signalisieren. Des weiteren kann durch Leuchtdioden beispielsweise die Taktgeschwindigkeit eines Moduls oder die Frequenz eines LFO dargestellt werden. (vgl. Wilson 2013, S. 137)

Ersetzt man ein Potentiometer zur Klangparametersteuerung durch eine Fotodiode bzw. einen Fotowiderstand, ergibt sich für den Benutzer eine interessante Art der Bedienoberfläche. Da die Parameter durch die Intensität des Lichteinfalls verändert werden, kann dieser z.B. mit den Händen, durch variieren des Abstands zum lichtempfindlichen Bauteil, gesteuert werden. (vgl. Collins 2009, S. 135)

In den Abbildungen 49 bis 51 sind die Schaltzeichen von Universaldioden, Leuchtdioden und Zener-Dioden dargestellt.

Abb. 49: Schaltzeichen einer Universaldiode

Abb. 50: Schaltzeichen einer Leuchtdiode

Abb. 51: Schaltzeichen einer Zener-Diode

4.1.5 Transistoren

Bipolare Transistoren sind Halbleiterbauelemente, die aus drei Halbleiterschichten mit jeweils einem Anschluss bestehen. Je nach Anordnung der P- und N-Schichten, unterscheidet man zwischen PNP- und NPN-Transistoren. Die Anschlüsse werden Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C) genannt. Wird an der Basis-Emitter-Strecke eine Spannung angelegt, fließt ein Basisstrom, wodurch die Kollektor-Emitter-Strecke leitend wird. Der Basisstrom ist ausschlaggebend für das Verhalten des Transistors, eine kleine Änderung des Basisstroms bewirkt eine große Änderung des Kollektorstroms, es tritt eine Stromverstärkung ein. Fehlt ein Basisstrom, ist die Kollektor-Emitter-Strecke sperrend. Ein bipolarer Transistor wirkt daher wie ein Widerstand, der durch den Basisstrom gesteuert wird. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 164f; Schnabel 2010, S. 167 - 171)

Feldeffekttransistoren (FET) sind sogenannte unipolare Transistoren, da hier der Strom nur durch eine Halbleiterschicht fließt. Bei Feldeffekttransistoren werden die Anschlüsse Source, Gate und Drain genannt. Der Widerstand der Source-Drain-Strecke wird durch ein

elektrisches Feld gesteuert, welches durch eine Spannung zwischen dem Gate- und Source- Anschluss hervorgerufen wird. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 170; Schnabel 2010, S. 179f)

In den Abbildungen 52 bis 54 sind die Schaltzeichen verschiedener Transistoren dargestellt.

Abb. 52: Schaltzeichen eines NPN-Transistors

Abb. 53: Schaltzeichen eines PNP-Transistors

Abb. 54: Schaltzeichen von Feldeffekttransistoren

4.1.6 Integrierte Schaltungen

Bauelemente, bei denen elektronische Schaltungen maschinell auf einem Chip realisiert sind, bezeichnet man als integrierte Schaltungen, oder auch ICs von „Integrated Circuit“. Dabei werden eine Vielzahl der bisher erwähnten Bauteile, wie etwa Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Dioden oder Transistoren auf einem einzigen IC untergebracht. Es gibt eine unüberschaubare Anzahl an ICs, die für verschiedenste Aufgaben und Anwendungsbereiche ausgelegt sind. In diesem Abschnitt wird eine sehr universell einsetzbare Art von integrierten Schaltungen näher erläutert, sogenannte Operationsverstärker.

Operationsverstärker sind integrierte Schaltkreise mit verstärkenden Eigenschaften. Sie besitzen zwei Eingänge und werden meist mit einer symmetrischen Gleichspannungen betrieben, d.h. es gibt sowohl ein positives wie auch negatives Potenzial, bezogen auf einen gemeinsamen Nullpunkt (Masse). Eine symmetrische Gleichspannung wird meist als z.B. ±5V angegeben. Die beiden Eingänge werden „nicht-invertierender Eingang“ (gekennzeichnet durch ein Plus-Symbol) und „invertierender Eingang“ (gekennzeichnet durch ein Minus-Symbol) genannt. Operationsverstärker werden auch als Differenzverstärker bezeichnet, da sie am Ausgang die Differenz der beiden Eingangssignale, verstärkt um einen gewissen Faktor, ausgeben. Wird beispielsweise das selbe Signal an beide Eingänge angeschlossen, beträgt die Ausgangsspannung 0V. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 215f)

Operationsverstärker sind aufgrund ihrer universellen Anwendungsmöglichkeiten für verschiedenste Synthesizer-Module einsetzbar, wie in den nächsten Abschnitten näher erläutert wird.

4.2 Oszillator

4.2.1 Definition

Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung, die elektrische Schwingungen erzeugt. Diese werden auch Generatorschaltungen genannt und unterscheiden sich je nach Wellenform der erzeugten Schwingung in Sinus-, Dreieck-, Rechteck-, Sägezahn- und Rauschgeneratoren. (vgl. Schreiber 1980, S. 16; Wilson 2013, S. 40f)

4.2.2 Einsatz im Synthesizer

Schwingt ein Oszillator im hörbaren Frequenzbereich, also zwischen ca. 20 Hz und 20 kHz, kann man diese elektronische Schwingung als Ton wahrnehmen, wenn diese z.B. über einen Lautsprecher wiedergegeben wird. Der Oszillator ist prinzipiell also der Tonerzeuger eines Synthesizers, wobei die Wellenform des erzeugten Signals die Klangfarbe des Sounds wesentlich beeinflusst, da die verschiedenen Wellenformen eine unterschiedliche spektrale Zusammensetzung aus Grund- und Obertönen haben.

Bei Oszillatoren, die zur Tonerzeugung in Synthesizern eingesetzt werden, ist die Frequenz meist durch eine externe Steuerspannung beeinflussbar, daher wird dieses Element auch „Voltage Controlled Oscillator“ (VCO) bezeichnet. (vgl. Schreiber 1980, S. 21ff; Wilson 2013, S. 40ff)

Ein weiteres Einsatzgebiet von Oszillatoren ist die Signalmodulation, d.h. dass bestimmte Signalparameter wie z.B. Tonhöhe oder Lautstärke von einem externen Signal variiert werden können. Als Quellen für Modulationssignale kommen unter anderem auch Oszillatoren zum Einsatz. Dabei kommt es zu einer periodischen Variation des modulierten Signalparameters, welche abhängig von Frequenz, Amplitude und Wellenform des Modulationssignals ist. Zur Signalmodulation kommen unter anderem sogennante „Low Frequency Oscillators“ (LFO) zum Einsatz, die in einem niederfrequenten Bereich unterhalb der auditiven Wahrnehmung schwingen. (vgl. Schreiber 1980, S. 36ff; Wilson 2013, S. 46f)

4.2.3 Arten und Grundschaltungen von Oszillatoren

Im folgenden Abschnitt werden einige Grundschaltungen für Oszillatoren vorgestellt.

Eine Oszillatorschaltung zur Generierung von sinusförmigen Signalen ist prinzipiell aus einem Verstärker, einem Rückkoppelnetzwerk mit einem frequenzbestimmenden Glied und einer Amplitudenbegrenzung aufgebaut. Über das Rückkoppelnetzwerk wird die

Ausgangsspannung (UA = UE * Vu) des Verstärkers zum Teil (K * UA) wieder auf den Eingang zurückgeführt. Vu wird als Spannungsverstärkungsfaktor, K als Kopplungsfaktor bezeichnet.

Das Produkt von K * Vu wird Ringverstärkung genannt. Durch das frequenzbestimmende

Glied kommt es zu einer Phasenverschiebung (φ) zwischen der Eingangsspannung (UE) und dem rückgekoppelten Teil, weiters kommt es zu Spannungsverlusten im Rückkoppelnetzwerk.

Damit die Schaltung zu oszillieren beginnen kann, müssen die Phasen- und die Amplitudenbedingung erfüllt werden. Die Phasenbedingung lautet, dass die rückgekoppelte Spannung mit der Eingangsspannung in Phase sein muss (φ = 0°, 360°, ..., n*360°). Dadurch kommt es zu konstruktiver Interferenz und die wirksame Wechselspannung vergrößert sich. Damit die Verluste im Rückkoppelnetzwerk ausgeglichen werden, muss die rückgekoppelte Spannung mindestens so groß sein wie die Eingangsspannung. Um dies zu erfüllen, ist eine Ringverstärkung von ≥1 erforderlich. Dieser Umstand wird als Amplitudenbedingung bezeichnet. Als frequenzbestimmendes Glied können z.B. LC- Schwingkreise, RC-Phasenschieberketten oder Schwingquarze zum Einsatz kommen. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 223f)

In Abbildung 55 ist der Schaltplan eines Sinusgenerators dargestellt.

Abb. 55: Schaltplan eines Sinusgenerators mit RC-Phasenschieberkette

Eine Schaltung zur Generierung von Rechteckschwingungen ist die astabile Kippstufe, auch Multivibrator genannt. Eine solche Schaltung kann zwei Zustände einnehmen und wechselt automatisch von dem einen Zustand in den anderen. Dies lässt sich beispielsweise mit zwei Transistoren realisieren, die sich gegenseitig sperren.

Nach dem Einschalten fließt Strom über die niederohmigen Widerstände und die Kondensatoren über die Basis-Emitter-Strecke der Transistoren. Aufgrund von Bauteiltoleranzen wird ein Transistor (z.B. Q1) etwas früher mit dem notwendigen Basisstrom versorgt, wodurch seine Kollektor-Emitter-Strecke leitend wird. Dadurch wird der Kondensator C1 am Kollektor gegen Masse gezogen, da der Kondensator aber auch an der Basis des anderen Transistors Q2 liegt, wird dieser der Strom entzogen und Q2 sperrt. Danach lädt sich C1 wieder, bis genügend Spannung an der Basis-Emitter-Strecke von Q2 liegt und dieser Transistor durchsteuert. Dadurch wird Kondensator C2 gegen Masse gezogen und das negative Potential liegt an der Basis von Q1, wodurch dieser sperrt. C2 wird wieder geladen bis Q1 wieder durchsteuern kann und die nächste Schwingungsperiode

wird eingeleitet. Die Frequenz bzw. Impuls und Pausenzeit werden durch die Werte der hochohmigen Widerstände sowie der Kapazitäten bestimmt: ti = ln(2) * R2 * C1; tp = ln(2) * R3 * C2; f = 1/(ti + tp) (vgl. Dehler et al. 2001, S. 226)

Abb. 56: Schaltplan einer astabilen Kippstufe mit Transistoren

Astabile Kippstufen lassen sich auch auf einfache Weise mit Hilfe von ICs, wie z.B. Operationsverstärkern als Schwellwertschalter bzw. Schmitt-Trigger realisieren. (vgl. Collins 2009, S. 129; Wilson 2013, S. 132f)

Ein Schwellenwertschalter ist eine Anwendung eines Operationsverstärkers, bei dem ein Eingangssignal mit einem bestimmten Schwellenwert verglichen wird. Bei Über- bzw. Unterschreiten dieses Schwellenwerts, schaltet der Ausgang in einen anderen Zustand.

An einem Eingang des Operationsverstärkers wird die Referenzspannung angelegt, an dem Zweiten das Eingangssignal. In dieser Schaltung arbeitet der Operationsverstärker im Leerlauf, d.h. die Spannungsverstärkung ist sehr hoch. Da keine Rückkopplung vorhanden ist, kann der OPV den Strom am Eingang nicht ausgleichen. Wird der Schwellenwert über- oder unterschritten, steuert der Verstärker voll auf den maximalen positiven bzw. negativen Pegel aus. Wenn die Differenz der beiden Signale gering ist, kann es passieren, dass das Umschalten durch Fremdeinflüsse wie z.B. Rauschen, oder kleinen Schwankungen des Eingangssignals ausgelöst wird. Durch positive Rückkopplung wird erreicht, dass das Eingangssignal den Schwellenwert deutlich über- bzw. unterschreiten muss, bevor der Operationsverstärker in den anderen voll ausgesteuerten Zustand umschaltet. Dies wird als Hysterese bezeichnet. Ein sogenannter „Schmitt-Trigger“ ist ein Schwellenwertschalter mit Hysterese. (vgl. Wilson 2013, S. 90 - 93)

Um einen Schwellwertschalter als astabile Kippstufe zu konfigurieren, wird an Stelle eines Eingangsignals ein negativer Rückkopplungsweg aus einem Widerstand zwischen Ausgang und dem Eingang, sowie einem Kondensator zwischen dem Eingang und Masse gelegt. Weiters gibt es auch einen positiven Rückkopplungswiderstand zum Aufbau einer Hysteresezone. Der Operationsverstärker schaltet in einen voll ausgesteuerten Zustand, dadurch wird der Kondensator solange geladen, bis der Referenzwert überschritten ist, der Ausgang kippt in den zweiten voll ausgesteuerten Zustand, wodurch der Kondensator wieder entladen wird, bis erneut die Referenzspannung unterschritten wird und die nächste Schwingung eingeleitet wird. Eine solche Schaltung ist in Abblidung 57 zu sehen. (vgl. Wilson 2013, S. 132f)

Abb. 57: Schaltplan einer astabilen Kippstufe mit Operationsverstärker

Um eine Dreieckschwingung zu erzeugen, kann man beispielsweise einen Kondensator mit dem Recktecksignal einer astabilen Kippstufe auf- und entladen. Dabei muss man die Zeitkonstante des nachgeschalteten RC-Glieds beachten. Wenn diese kürzer als die halbe Periodendauer ist, erhält man ein Rechtecksignal mit abgerundeten Kanten. Im Prinzip wird in dieser Schaltung das Recktecksignal Tiefpass-gefiltert. Die Abbildung 58 soll diesen Vorgang veranschaulichen. (vgl. Collins 2009, S. 162; Dehler et al. 2001, S. 137; Wilson 2013, S. 98)

Abb. 58: Dreieckschwingung

Bei einem Sägezahngenerator wird die Wellenform generiert, in dem ein Kondensator über eine Konstantstromquelle geladen wird. Dadurch entsteht ein linearer Anstieg der Spannung. Ab einem gewissen Höchstwert wird ein elektronischer Schalter geschlossen und der Kondensator entladen. Als elektronischer Schalter kann z.B. ein Transistor benutzt werden. Bei Erreichen der notwendigen Basis-Emitter-Spannung steuert der Transistor durch und entlädt den Kondensator. Dadurch sperrt der Transistor wieder und die nächste Schwingung beginnt. Ein Sägezahngenerator ist in Abbildung 59 ersichtlich. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 227; Wilson 2013, S. 101)

Abb. 59: Schaltplan eines Sägezahngenerators

Zur Erzeugung eines Rauschsignals gibt es verschiedenartige Rauschquellen. So kann beispielsweise das thermische Rauschen eines Widerstands, oder eine Zenerdiode in Sperrrichtung als Quelle dienen. Ebenso kann ein Transistor, der über seiner Emitter-Basis- Durchbruchsspannung betrieben wird, als Rauschquelle dienen. Dieses Rauschen hat allerdings nur einen geringen Pegel und muss daher verstärkt werden, um es zur

Klangsynthese nutzen zu können. In Abbildung 60 ist ein Beispiel für einen Rauschgenerator mit Transistoren zu sehen. (vgl. Wilson 2013, S. 102)

Abb. 60: Rauschgenerator

4.3 Filter

4.3.1 Definition

Ein Filter ist eine elektronische Schaltung, die ein Eingangssignal in Abhängigkeit der Frequenz verändert. Dabei kommt es sowohl zu Veränderungen der Amplitude sowie der Phasenlage des Eingangsignals. Bei einem idealen Filter werden Frequenzen im Durchlassbereich unverändert reproduziert, während Frequenzen im Sperrbereich vollständig gedämpft werden. Abhängig von der Durchlasskurve, also dem spektralen Verhaltens des Filter, unterscheidet man zwischen, Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandsperre-Filtern. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 139ff)

4.3.2 Einsatz im Synthesizer

Die spektrale Zusammensetzung eines Tonsignals beeinflusst die wahrgenommene Klangfarbe. Die Hauptaufgabe eines Filters in einem Synthesizer ist daher die Bearbeitung der Klangfarbe. Meist können bestimmte Parameter, wie etwa die Grenzfrequenz des Filters, über eine Steuerspannung verändert werden, weshalb man in diesem Kontext von „Voltage Controlled Filters“ (VCF) spricht. (vgl. Schreiber 1980, S. 24f; Wilson 2013, S. 43f)

4.3.3 Arten und Grundschaltungen von Filtern

Wie im Abschnitt 4.1 erwähnt wurde, stellen Kondensatoren und Spulen für Wechselspannungen einen frequenzabhängigen Widerstand dar. Durch dieses frequenzabhängige Verhalten lassen sich mit RC- bzw. RL-Gliedern Filterschaltungen realisieren.

Wie bereits erwähnt, hat ein Filter einen Durchlass- und einem Sperrbereich. Der Übergang zwischen diesen Bereichen ist allerdings nicht abrupt, sondern kontinuierlich abfallend. Dieser Abfall, auch als Flankensteilheit bezeichnet, ist abhängig von der Ordnung des Filters. Er beträgt ca. die Ordnungszahl (n) * 6 dB pro Oktave, d.h. im Sperrbereich des Filters wird mit jeder Frequenzverdopplung bzw. -halbierung der Ausgangspegel des Signals um weitere n * 6 dB gedämpft. Weiters kommt es zu einer frequenzabhängigen Phasenverschiebung, die mit dem Abfallen der Filterkurve zunimmt.

Die Grenzfrequenz fc eines Filters bestimmt die Grenze zwischen dem Sperr- und Durchlassbereich und wird durch die Werte der Bauteile bestimmt. Diese auch als „Cut-Off- Frequency“ bezeichnete Frequenz ist definiert als jene Frequenz, bei welcher der Widerstand R und Blindwiderstand X von Kondensator bzw. Spule, den selben Wert haben. An dieser Stelle beträgt die Dämpfung in etwa 3 dB und die Phasenverschiebung 45°. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 141)

Ein Tiefpass-Filter hat seinen Namen, da er tiefe Frequenzen passieren lässt und hohe Frequenzen abschwächt. Einen Tiefpassfilter erster Ordnung erhält man, indem man einen Widerstand R mit einem Kondensator C in Serie schließt und die Spannung am Kondensator abnimmt. Dies stellt im Prinzip einen Spannungsteiler da, wobei der kapazitive

Blindwiderstand Xc mit sinkender Frequenz steigt und dadurch mehr Spannung an den Ausgang gelangt. Bei Verwendung einer Spule schließt man diese mit einem Widerstand in

Serie und nimmt die Spannung am Widerstand ab. Der induktive Blindwiderstand XL einer Spule nimmt mit sinkender Frequenz ab, sodass mehr Spannung am Widerstand anliegt. Abbildung 61 zeigt Tiefpässe erster Ordnung mit RC- sowie RL-Glied. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 139)

Abb. 61: Schaltbilder eines Tiefpass erster Ordnung

Ein Hochpass-Filter ist das Gegenteil eines Tiefpass-Filters, tiefe Frequenzen werden abgeschwächt, während hohe durchgelassen werden. Ein Hochpass-Filter erster Ordnung wird konstruiert, indem man die Bauteile des Tiefpassfilter vertauscht und die Spannung am Bauteil abnimmt, welches für hohe Frequenzen den höheren Widerstand darstellt. Beispielhafte Schaltungen, sowie der Frequenzgang eines Hochpass-Filters ist in Abbildung 62 zu finden. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 140)

Abb. 62: Schaltbilder eines Hochpass erster Ordnung

Ein Bandpass-Filter besteht im Prinzip aus einem Hochpass und Tiefpass die hintereinander geschaltet werden. Für einen Bandsperre-Filter schließt man einen Widerstand R1 und Kondensator C1 parallel und in Serie dazu die Serienschaltung aus R2 und C2. Zwischen R2C2 und Masse wird die Ausgangsspannung abgenommen. Bei tiefen Frequenzen sind die kapazitiven Blindwiderstände verhältnismäßig hoch, weshalb sich ein Tiefpass aus R1 und C2 ergibt. Ist die Eingangsfrequenz in einem hohen Bereich, teilt sich die Spannung an C1 und R2, was einen Hochpass darstellt. Im mittleren Frequenzbereich werden die Eingangssignale gedämpft. Beispielschaltungen und Frequenzgang für Bandpass- und Bandsperre-Filter sind in den Abbildungen 63 und 64 zu finden. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 142)

Abb. 63: Schaltbild eines Bandpass erster Ordnung

Abb. 64: Schaltbild einer Bandsperre erster Ordnung

Um ein Filter höherer Ordnung zu realisieren, kann man mehrere RC-Stufen hintereinander schalten.

4.4 Verstärker

4.4.1 Definition

Als Verstärker bezeichnet man eine elektronische Schaltung, die ein Ausgangssignal mit einem höheren Pegel als das Eingangssignal ausgibt. Da mehr Leistung abgegeben als aufgenommen wird, benötigen Verstärker ein aktives Element und eine Gleichstromversorgung. Es wird zwischen Spannungs-, Strom- und Leistungsverstärkung unterschieden. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 201)

4.4.2 Einsatz im Synthesizer

Prinzipiell kann eine Verstärkerschaltung zum Einsatz kommen, um den Pegel eines Signals einzustellen, z.B. die Gesamtlautstärke oder die Modulationstiefe eines LFO.

Einen speziellen Anwendungsfall stellt der „Voltage Controlled Amplifier“ dar, bei dem der Verstärkungsfaktor durch eine externe Steuerspannung geregelt werden kann.

In einem Synthesizer kann der VCA beispielsweise über einen LFO oder einen Hüllkurvengenerator variiert werden. (vgl. Schreiber 1980, S. 27f; Wilson 2013, S. 45f)

4.4.3 Arten und Grundschaltungen von Verstärkern

Im Folgenden werden Grundschaltungen mit Operationsverstärkern, welche auf Transistortechnologie beruhen, erläutert.

In unbeschaltetem Zustand haben Operationsverstärker einen sehr hohen Leerlauf- Spannungsverstärkungsfaktor. Durch negative Rückkopplung kann der Spannungsverstärkungsfaktor reduziert und durch die Wahl der Bauteile der Anwendung entsprechend angepasst werden. (vgl. Wilson 2013, S. 85f)

Der invertierende Verstärker, auch als Umkehrverstärker bezeichnet, verstärkt ein Signal und dreht die Phasenlage um 180° bzw. kehrt die Polarität des Eingangsignals um.

Dazu wird das zu verstärkende Signal über einen Eingangswiderstand R1 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers gelegt und der nicht-invertierende

Eingang an die Masse geschlossen. Zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang befindet sich ein Rückkopplungswiderstand R2. Der Spannungsverstärkungsfaktor

Vu wird durch das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt, Vu = - (R2/R1). (vgl. Dehler et al. 2001, S. 218; Wilson 2013, S. 88)

Abb. 65: Schaltbild eines invertierenden Verstärkers

Um einen nicht-invertierenden Verstärker zu realisieren, wird das Eingangssignal auf den nicht-invertierenden Eingang gelegt. Über einen Spannungsteiler aus den Widerständen R1 und R2 wird ein Teil der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt. Bei dieser Konfiguration ist das Ausgangssignal mit dem Eingangssignal in Phase, der

Verstärkungsfaktor Vu ist stets ≥ 1 und durch das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt: Vu = 1 + (R2 / R1). (vgl. Dehler et al. 2001, S. 218f; Wilson 2013, S. 89)

Abb. 66: Schaltbild eines nicht-invertierenden Verstärkers

Als Impedanzwandler bezeichnet man eine Schaltung, bei der das Ausgangssignal den gleichen Pegel wie das Eingangssignal hat, der Verstärkungsfaktor Vu also 1 ist. Dazu wird das Eingangssignal auf den nicht-invertierenden Eingang gelegt und ohne Widerstand auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt. Dies entspricht einem nicht-invertierenden Verstärker mit R1 = ∞ und R2 = 0. Da die Ausgangsspannung der Eingangsspannung folgt, wird diese Schaltung auch als Spannungsfolger bezeichnet und wird benutzt, um bei der

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Kombination von mehreren Schaltungen die Belastung des Eingangssignals zu reduzieren und den Pegel des Signals zu erhalten. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 219; Wilson 2013, S. 128)

Abb. 67: Schaltbild eines Impedanzwandlers

Ein Summierverstärker wird benutzt, um mehrere Signale zu Addieren bzw. zu Mischen. Dabei wird die Konfiguration des invertierenden Verstärkers um weitere Eingangswiderstände erweitert, die parallel zu einander geschaltet sind. Die Eingangssignale werden proportional zum jeweiligen Eingangswiderstand miteinander addiert und abhängig vom Rückkopplungswiderstand um einen gewissen Faktor verstärkt. (vgl. Dehler et al. 2001, S. 219; Wilson 2013, S. 131f)

Abb. 68: Schaltbild eines Summierverstärkers

Durch Verwendung von frequenzabhängigen Bauteilen wie z.B. Kondensatoren, lassen sich mit Operationsverstärkern auch sogenannte aktive Filterschaltungen realisieren, die ein Eingangssignal sowohl filtern, als auch verstärken können.

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5 Musikalische Grundlagen und Aspekte der auditiven Wahrnehmung

Da ein Synthesizer häufig in einem musikalischen Kontext genutzt wird, werden in diesem Kapitel grundlegende Aspekte der Musiklehre sowie deren Begriffe erläutert. Bei der Gestaltung von Audioproduktionen hat auch die Wahrnehmung von Schallreizen eine wesentliche Bedeutung, weshalb dieses Kapitel auch Grundlegendes der auditiven Wahrnehmung beleuchtet, das in einem musikalischen Kontext relevant ist.

5.1 Arten von Schall

Schallwellen sind Luftbewegungen bzw. Luftdruckschwankungen, welche sich im hörbaren Frequenzbereich befinden. Dieser erstreckt sich beim Menschen von ca. 20 Hz bis 20 kHz, wobei die obere Grenze mit zunehmendem Alter abnimmt. Diese Schallwellen werden vom Gehörorgan als akustische Reize aufgenommen und im Gehirn als Gehöreindruck interpretiert. (vgl. Helmholtz 1913, S. 15; Raffaseder 2002, S. 17; Schreiber 1980, S. 6)

Gehöreindrücke können prinzipiell in Geräusche und Klänge unterteilt werden.

Klängen kann man meist eine gewisse Tonhöhe, Lautstärke und Klangfarbe zuordnen. Diese drei Parameter sind von den physikalischen Größen Frequenz, Amplitude und Wellenform des Schallsignals abhängig. Um einer Schallempfindung eine Tonhöhe zuordnen zu können, muss das Signal mit einer bestimmten Frequenz schwingen, d.h. innerhalb einer gewissen Zeitdauer eine sich gleichmäßig wiederholende Luftbewegung bzw. Wellenform aufweisen. Man spricht daher bei Klängen auch von periodischen Signalen. (vgl. Helmholtz 1913, S. 19)

Eine besondere Form der periodischen Signale sind harmonische Töne, auch als reine oder einfache Töne, Sinustöne bzw. Sinusschwingungen oder pendelartige Schwingungen bezeichnet. Reine Töne schwingen genau auf einer einzigen Frequenz. Diese kommen auf natürliche Weise im hörbaren Frequenzbereich kaum zustande. Der Klang von Stimmgabeln kommt einem Sinuston sehr nahe, die meisten andersartig erzeugten Klänge haben jedoch eine gewisse Klangfarbe. Das beruht darauf, dass sich ein Klang, z.B. der einer schwingenden Saite, aus mehreren Teiltönen zusammensetzt. Der Grundton wird durch die

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Grundfrequenz, also die tiefste im Signal auftretende Frequenz bestimmt. Die Obertöne des Signals sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz, deren Intensität mit zunehmender Frequenz abnimmt. Die klangliche Färbung von Tönen steht im Zusammenhang mit den vorhandenen Obertönen und der dadurch resultierenden Wellenform. (vgl. Helmholtz 1913, S. 36 - 39)

Jede periodische Schwingung mit beliebiger Wellenform lässt sich mathematisch durch die Überlagerung von mehreren Sinusschwingungen darstellen, welche ganzzahlige Vielfache der selben Grundfrequenz sind. Dies wurde erstmals durch den Mathematiker Joseph Fourier dargelegt. Eine weitere Besonderheit sind Schallsignale, die einen eher klanglichen als geräuschhaften Eindruck erwecken, bei denen es jedoch schwer ist eine eindeutige Tonhöhe festzustellen. Diese Klänge, beispielsweise von Glocken oder schwingenden Membranen, setzen sich ebenfalls aus mehreren Teiltönen zusammen, welche jedoch keine ganzzahligen Vielfachen einer Grundfrequenz sind. (vgl. Helmholtz 1913, S. 49 - 56; Raffaseder 2002, S. 32 - 35)

Die Hauptaufgabe eines Synthesizers ist die Erzeugung von akustischen Signalen, sei es zur Produktion von Musik, Soundeffekten, Klängen mit Signalwirkung oder sonstigen Schallereignissen. Ebenso wie bei natürlichen Schallquellen, entsteht ein Klang durch eine periodisch wiederholte Wellenbewegung. Diese Schwingvorgänge treten allerdings zunächst als elektronische Schwingungen auf, bzw. werden als solche erzeugt. Um diese elektronischen Schwingungen für das menschliche Gehör wahrnehmbar zu machen, müssen sie durch einen geeigneten Wandler, wie z.B. einen Lautsprecher, in Schallwellen umgewandelt werden. Der VCO eines Synthesizers ist der wesentliche Bestandteil der Tonerzeugung, da hier periodische elektronische Schwingungen generiert werden. Meist erlaubt es ein solcher Oszillator, zwischen verschiedenen Wellenformen auszuwählen, die sich in ihren vorhanden Obertönen und dadurch in ihrer Klangfarbe unterscheiden. (vgl. Schreiber 1980, S. 21f; Wilson 2013, S. 40f)

Bei Geräuschen hingegen fällt es im Allgemeinen eher schwer, eine eindeutige Frequenz bzw. Tonhöhe zuzuordnen. Die Schwingungen, die den Gehöreindruck eines Geräuschs verursachen, weisen meist keine Regelmäßigkeit auf, es wirkt ein Gemisch von Frequenzen auf das Ohr ein. Geräusche werden daher auch als aperiodische Signale bezeichnet. Geräusche können Unterschiede in ihrer Klangfarbe aufweisen, abhängig von der Beschaffenheit des Signals. Dabei spielen die Dauer und die im Signal vorkommenden

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Frequenzen eine wesentliche Rolle. Weiters kann eine Unterscheidung in breit- und schmalbandige Geräusche getroffen werden, abhängig von dem Abschnitt des Frequenzbereichs, in dem die Intensität der vorhandenen Frequenzen einigermaßen konstant verläuft. Eine besondere Art des Geräuschs bzw. Rauschen ist „weißes Rauschen“ bei dem laut Definition die Amplitude über das gesamte hörbare Frequenzspektrum konstant ist. (vgl. Helmholtz 1913, S. 13ff; Raffaseder 2002, S. 34; 37f)

Neben der Generierung von Tönen und Klängen, kann auch das Erzeugen von geräuschhaften Signalen beim Einsatz eines Synthesizers im Vordergrund stehen. In der elektronischen Musik sind hier vor allem synthetische Drum- und Percussionsounds zu erwähnen. Diese haben einen ausgeprägten geräuschhaften Charakter und bilden das Fundament der zeitlichen Einteilung, sowie der rhythmischen Ausgestaltung eines Musikstücks. Ebenfalls lassen sich auf elektronische Weise andere Geräusche simulieren, wie z.B. Wind, Donner oder Meeresrauschen. Für diese Aufgaben besitzt ein Synthesizer meist einen Rauschgenerator. Dieser ist meist in der Lage, sowohl weißes Rauschen, bei dem die Amplitude für alle Frequenzen konstant ist, als auch rosa Rauschen, mit mehr tieffrequenten Anteilen, zur Verfügung zu stellen. Diese Rauschsignale werden anschließend mit Filtern, dem Hüllkurvengenerator oder dem LFO, entsprechend den klanglichen Vorstellungen angepasst. (vgl. Schreiber 1980, S. 39f; Wilson 2013, S. 51)

5.2 Wahrnehmung akustischer Signale

Bei der Wahrnehmung von akustischen Signalen, spielen einige Aspekte eine wesentliche Rolle für das Gestalten von Audioproduktionen bzw. musikalischen Werken. Welchen Eindruck ein Schallsignal bei einem Hörer hervorruft, hängt von verschiedensten Parametern wie etwa der Art des Schalls, der räumlichen Beschaffenheit der Umgebung oder der individuellen Prägung bzw. Erwartung des Empfängers ab.

Im Folgenden werden grundlegende Aspekte zur Wahrnehmung von Lautstärke, Tonhöhe und Klangfarbe beschrieben, da diese Parameter in der Musik eine wesentliche Rolle spielen.

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5.2.1 Lautstärke

Die Wahrnehmung der Lautstärke hängt in erster Linie von der Amplitude eines Schallsignals, also der Stärke der Anregung ab. (vgl. Helmholtz 1913, S. 20)

Der wahrnehmbare Lautstärkeumfang wird einerseits durch die Hörschwelle, andererseits durch die Schmerzgrenze begrenzt. Die Hörschwelle liegt bei einem Schalldruck von ungefähr 2 * 10-5 Pascal, die Schmerzgrenze in etwa bei 20 Pascal. Diese Werte wurden durch statistische Auswertungen definiert. Eine Besonderheit der menschlichen Schallwahrnehmung ist, dass verschiedene Frequenzen bei gleicher Intensität als unterschiedlich laut empfunden werden. In den „Kurven gleicher Lautstärke“ nach Fletcher und Munson wird das frequenzabhängige Empfinden der Lautstärke grafisch veranschaulicht. Es zeigt sich, dass das Ohr im Frequenzbereich von ungefähr 2 bis 4 kHz sehr sensibel ist, höhere und tiefere Frequenzen brauchen einen stärkeren Pegel, um als gleich laut empfunden zu werden. Ebenfalls ist zu bemerken, dass der Kurvenverlauf mit zunehmender Lautstärke immer flacher ausfällt, d.h. je lauter die akustischen Signale sind, desto geringere Pegelunterschiede werden für den Eindruck der gleichen Lautstärke benötigt. (vgl. Raffaseder 2002, S. 70f, 89 - 94)

Prinzipiell wird die Amplitude des synthetisch erzeugten Klangs durch den VCA bestimmt, welcher die Amplitude, in Abhängigkeit des Spannungsverlaufs des Hüllkurvengenerators, regelt. Für den Bau und Einsatz von Synthesizern hat die Amplitude der Signale eine geringere Relevanz für die Lautstärke, diese wird meist von einem eigenen Endverstärker, der auf das jeweilige Wiedergabesystem angepasst ist, auf den gewünschten Pegel gebracht. Die Amplitude einer Steuerspannung hat hingegen Auswirkung auf die Stärke der Modulation.

Die Frequenzabhängigkeit der wahrgenommenen Lautstärke wird beim Mischen von verschiedenen Signalen deutlich, tiefe Klänge brauchen einen größeren Pegel, um neben höherfrequenten Anteilen bestehen zu können.

Für das Regeln der Pegel unterschiedlichster Signale, erweisen sich Operationsverstärker als äußerst nützliche Bausteine für ein Synthesizer DIY Projekt. Mit diesen lassen sich auf

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einfache Weise Verstärkerschaltungen realisieren, um die Signalpegel den Vorstellungen entsprechend anzupassen. (vgl. Collins 2009, S. 184ff; Wilson 2013, S. 85f)

5.2.2 Tonhöhe

Wie bereits erwähnt, erstreckt sich das wahrnehmbare Frequenzspektrum in einem Bereich von ungefähr 20 Hz bis 20 kHz, wobei die wahrgenommene Tonhöhe mit zunehmender Frequenz ansteigt. Im oberen Frequenzbereich, höher als etwa 10 kHz, ist das menschliche Gehör kaum mehr fähig, Tonhöhen zu unterscheiden. (Raffaseder 2002, S. 95f)

Eine besonderes Phänomen der Tonhöhenwahrnehmung ist das Oktavenphänomen. Wird eine Frequenz verdoppelt, z.B. indem man eine Saite genau in der Mitte fixiert, so haben diese zwei Töne eine sehr ausgeprägte Ähnlichkeit. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich der höhere Ton aus den selben Teiltönen zusammensetzt, die den Obertönen des tieferen entsprechen. Dieses Frequenzverhältnis von 2:1 entspricht einer sogenannten Oktave. Das menschliche Gehör umfasst also einen Bereich von ungefähr zehn Oktaven. Die Tonhöhen der Grundtöne, die von akustischen Instrumenten erzeugt werden, erstrecken sich über einen Frequenzbereich von ca. 16 bis 4700 Hz, dies entspricht in etwa 8 Oktaven. Ebenfalls ist zu bemerken, dass jede Frequenzerhöhung mit einem konstanten Faktor als die selbe Änderung der Tonhöhe empfunden wird, unabhängig von der betrachteten Frequenz. So klingen zwei Töne mit beispielsweise 200 Hz und 300 Hz gleich weit voneinander entfernt wie zwei Töne mit 1200 Hz und 1800 Hz. In beiden Fällen wurde die Frequenz um den Faktor 1,5 erhöht, was die gleiche Tonhöhenänderung hervorruft. Dadurch zeigt sich, dass die Tonhöhenwahrnehmung auf einem logarithmischen Maßstab basiert. Da die Erhöhung der Frequenz um einen konstanten Faktor immer als die selbe Änderung empfunden werden, gibt es bestimmte Frequenzverhältnisse die als Intervalle bezeichnet werden. Die Intervalle der westlichen Musik gehen aus den Verhältnissen der Teiltöne eines Klangs hervor. (vgl. Helmholtz 1913, S. 25 - 31; Raffaseder 2002, S. 97ff)

Die Tonhöhe des generierten Klangs wird bei einem Synthesizer im VCO festgelegt. Die spannungsgesteuerten Oszillatoren professioneller Geräte umfassen im Idealfall den gesamten hörbaren Frequenzbereich. Über eine externe Steuerspannung kann der eingestellte Grundton um bis zu acht Oktaven variiert werden. Daneben spielen auch Signale im Infra- und Ultraschallbereich eine wichtige Rolle als Modulationssignale. (vgl. Schreiber 1980, S. 21f; Wilson 2013, S. 40 - 43)

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Bei Synthesizer-DIY-Projekten werden meist weniger komplexe Schaltungen zur Tonerzeugung realisiert, solche Oszillatoren decken oft nur einen gewissen Bereich des auditiv wahrnehmbaren Frequenzspektrums ab. Die Wahl der Bauteilwerte, wie etwa von Widerständen, Potentiometern und Kondensatoren bestimmt dabei zu einem Großteil das Verhalten der Schaltung. Oft ist es hilfreich, sich durch Ausprobieren von verschieden Bauteilwerten an einen subjektiv als brauchbar empfundenen Frequenzbereich heranzutasten. Interessante Klangvariationen lassen sich bereits mit einem geringeren Frequenzbereich von ein bis zwei Oktaven erzielen. (vgl. Collins 2009, S. 135 - 138)

5.2.3 Klangfarbe

Die Klangfarbe ist die Eigenschaft eines Klanges, die es dem Menschen ermöglicht, zwei Klänge zu unterscheiden, welche die selbe Lautstärke sowie die gleiche Grundfrequenz aufweisen, z.B. zwei verschiedene Instrumente, die den selben Ton in gleicher Lautstärke wiedergeben. Die Klangfarbe wird wesentlich durch die vorhandenen Obertöne und die dadurch resultierende Wellenform beeinflusst. Diese spektrale Zusammensetzung wird zu einem großen Teil von der Form und dem Material des schwingenden Körpers, sowie von der Art der Anregung bestimmt. Durch die Form eines Resonanzkörpers werden manche Frequenzen stärker als andere hervorgehoben, jedes Instrument hat dadurch seinen eigenen Frequenzgang. Diese Frequenzbereiche, welche durch den Resonanzkörper verstärkt werden, werden als Formanten bezeichnet und spielen für die Wahrnehmung der Klangfarbe ebenso eine wichtige Rolle. (vgl. Helmholtz 1913, S. 31f; Raffaseder 2002, S. 104f)

Um die Klangfarbe eines synthetisch produzierten Klangs zu beeinflussen, stehen zunächst die Baugruppen VCO und VCF zur Verfügung. Bei einem VCO besteht meist die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Wellenformen umzuschalten. Relevante Wellenformen sind die Sinus-, Dreieck-, Rechteck-, Impuls und Sägezahn-Schwingung. Diese unterscheiden sich in der Ausgeprägtheit ihrer Obertöne und legen damit den Grundcharakter des erzeugten Klangs fest. (vgl. Schreiber 1980, S. 8f; Wilson 2013, S. 40f)

Das im VCO generierte Signal kann anschließend im VCF weiter in der spektralen Zusammensetzung bearbeitet werden. Je nach Art des Filters kann man damit gewisse

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Spektralanteile entfernen bzw. abschwächen und dadurch die Formanten des generierten Klangs bestimmen. (vgl. Schreiber 1980, S. 24f; Wilson 2013, S. 43f)

Neben der spektralen Beschaffenheit eines Schallsignals, trägt auch dessen zeitlicher Verlauf zu Unterschieden in der Klangfarbe bei. Darunter fallen z.B. Parameter wie Ein- und Ausschwingverhalten des Klangerzeugers, oder geringe Schwankungen von Frequenz und Amplitude. Ebenso wie die spektrale Zusammensetzung, hängt auch der Zeitverlauf eines akustischen Signals stark vom Material und der Art der Anregung ab. (vgl. Helmholtz 1913, S. 115f; Raffaseder 2002, S. 105)

Der zeitliche Verlauf der Amplitude eines Schallsignals wird als Hüllkurve bezeichnet. In einem Synthesizer wird durch den Hüllkurvengenerator ein Spannungsverlauf generiert, welcher in weiterer Folge den VCA steuert. Mit den Parametern Attack, Decay, Sustain und Release können Ein- und Ausschwingvorgänge, sowie der Pegel eines anhaltenden Dauertons beeinflusst werden. Damit lassen sich einerseits Klangfarben bzw. Hüllkurven akustischer Instrumente oder Naturgeräuschen simulieren, andererseits auch sonstige Klangparameter der verschiedensten Synthesizer-Baugruppen modulieren. (vgl. Schreiber 1980, S. 29-35; Wilson 2013, S. 45f)

In Zusammenhang mit dem Zeitverlauf stehen auch die Schwankungsstärke und Rauigkeit, welche Eigenschaften bei der Wahrnehmung einer Klangfarbe sein können. Mit Schwankungsstärke werden kleine Änderungen von Frequenz oder Amplitude bezeichnet. Diese Schwankungen verlaufen relativ langsam, in der Regel unter 20 Hz. Erfolgen die Änderungen schneller als ungefähr 20 Hz, können diese nicht mehr als Schwankungen wahrgenommen werden, sondern werden als rauer Ton empfunden. Die Rauigkeit eines akustischen Signals hängt davon ab, ob mehrere starke Frequenzkomponenten in ein kritisches Band fallen, d.h. einen ähnlichen Bereich auf der Basilarmembran anregen und dadurch schlechter voneinander unterschieden werden können. Sowohl die Schwankungsstärke als auch die Rauigkeit von Klängen wird durch Schwebungen hervorgerufen. (vgl. Helmholtz 1913, S. 279f; Raffaseder 2002, S. 105f)

Mit der Schwankungsstärke stehen die Effekte Vibrato und Tremolo in Verbindung. Vibrato bezeichnet eine Schwankung der Tonhöhe, während mit Tremolo Schwankungen in der Lautstärke gemeint sind. Diese Effekte werden meist mittels eines LFO umgesetzt, indem

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man mit dessen Ausgangssignal entweder die Tonhöhe des VCO, oder die Amplitude des VCA steuert. Schwebungseffekte sowie einen rauen Klang lassen sich mit Synthesizern auch durch den Parallelbetrieb von mehreren Oszillatoren realisieren, die je nach gewünschtem Klangergebnis auf leicht unterschiedliche Frequenzen gestimmt werden. (vgl. Schreiber 1980, S. 43f)

Weitere Attribute der Klangfarbe sind Volumen und Dichte, sowie Schärfe und Helligkeit. Volumen und Dichte beschreiben die wahrgenommene Größe eines akustischen Signals, wobei sich die Dichte eher auf Geräusche, das Volumen auf Klänge und Stimmen bezieht. Unabhängig betrachtet von Lautstärke und Tonhöhe werden durch das Volumen beispielsweise der eher zarte Klang einer Flöte oder der volle Klang eines Chellos unterschieden. Das Volumen ist vor allem von der Anzahl und Amplitude der Teiltöne abhängig, wird aber auch zum Teil von Lautstärke und Tonhöhe beeinflusst. Die Dichte beschreibt eher geräuschhafte akustische Ereignisse und ist in erster Linie mit der Bandbreite des Signals in Zusammenhang, wodurch schmale von breiten Geräuschen differenziert werden können. (vgl. Raffaseder 2002, S. 106)

Schärfe und Helligkeit eines Klangs beziehen sich auf den Schwerpunkt im Frequenzspektrum des Signals, wobei „scharf“ als Beschreibung eher für störend oder unangenehm empfundene Klänge herangezogen wird und mit einem stark ausgeprägten Anteil an hohen Frequenzen einhergeht. Ein großer Anteil an hohen Frequenzen in einem Klang kann aber auch als „hell“ oder „brillant“ bezeichnet werden. Bei einem starken Frequenzanteil im tiefen Bereich ist hingegen von einer dunklen Klangfarbe die Rede. (vgl. Helmholtz 1913, S. 307; Raffaseder 2002, S. 106f)

Die im vorigen Absatz beschriebenen Attribute der Klangfarbe lassen sich ebenfalls durch den Parallelbetrieb von mehreren Oszillatoren, bzw. polyphonen Synthesizern erzielen. So entsteht beispielsweise durch das Zusammenspiel von zwei Oszillatoren, die zu einander im Abstand einer Oktave oder eines anderen harmonischen Intervalls liegen, ein breiter und voluminöser Klang. (vgl. Schreiber 1980, S. 44; Collins 2009, S. 202)

Des Weiteren können Volumen und Dichte, sowie Schärfe und Helligkeit einerseits durch die Wahl der Wellenform und den damit verbundenen Obertönen, andererseits durch die spektrale Bearbeitung mit Filtern beeinflusst werden. So werden Wellenformen, in denen

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mehr ausgeprägte Obertöne vorhanden sind, als schärfer in ihrer Klangfarbe empfunden. (vgl. Schreiber 1980, S. 22ff; Wilson 2013, S. 41)

Das Attribut der Dichte spielt unter anderem bei der synthetischen Produktion von Drumsounds eine wesentliche Rolle. So lassen sich beispielsweise eine Snaredrum sowie ein Hi-Hat-Sound durch den Einsatz von Rauschen realisieren. Allerdings ist der Hi-Hat- Sound ein schmalbandiges Rauschen im höheren, die Snaredrum ein breiteres Rauschen im mittleren Frequenzbereich. Die Snaredrum hat somit einen wesentlich dichteren Klang als die Hi-Hat. Die Hüllkurve zur Steuerung des Lautstärkenverlaufs ist bei der Produktion von elektronischen Drumsounds ebenfalls ein entscheidendes Kriterium, das den klanglichen Charakter eines Drumsounds maßgeblich beeinflusst.

5.3 Grundlegendes der Musiktheorie

5.3.1 Zeitliche Gestaltung

Der Faktor Zeit ist ganz allgemein eine grundlegende Voraussetzung für das Auftreten von Schallereignissen, da diese auf der zeitlichen Veränderung von Luftdruckschwankungen beruhen. Bei der Gestaltung von musikalischen Werken gibt es einige Begriffe, die mit dem Faktor Zeit in Zusammenhang stehen. Diese werden im Folgenden näher vorgestellt.

Ebenso wie Schall im Allgemeinen, ist auch die Musik an die Zeit gebunden.

Die Zeit bildet sozusagen das Fundament, welches durch das Ausgestalten mit Klängen und Geräuschen, in verschiedenen zeitlichen Längen, zu einem musikalischen Werk aufgebaut wird. Weiters kann ein Musikstück nie zu einem einzigen Zeitpunkt im Ganzen gehört werden, vielmehr nimmt man laufend Teilausschnitte wahr, die sich zu einem Ganzen zusammenfügen. Durch den Grundschlag wird die dahinschreitende Zeit in gleich große Abschnitte unterteilt, die Länge dieser Zeitabschnitte wird durch das Tempo bestimmt. Meist wird für den Grundschlag die Viertelnote benutzt, prinzipiell ist es aber eine individuelle Festlegung, welche Notenlänge als Grundschlag definiert wird. In der klassischen Musiklehre wird das Tempo durch beschreibende Worte wie z.B. „allegro“ für schnelleres Tempo angegeben. Eine weitere Art das Tempo eines Musikstücks festzulegen ist die Einheit

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„beats-per-minute“ (bpm), wobei damit die Anzahl an Viertelnoten innerhalb einer Minute angegeben wird. (vgl. Goetschius 1904, S. 11f; Raffaseder 2002, S. 276f)

Durch das Zusammenfassen von einer bestimmten Anzahl an Grundschlägen zu einem Takt ergibt sich eine größere Art der Zeiteinteilung. Der Takt wird vergleichbar mit einem mathematischen Bruch bezeichnet, wobei die Nummer im Zähler die Anzahl der Grundschläge pro Takt, die Zahl im Nenner die Notenlänge des Grundschlags angibt. Als die zwei grundlegenden Taktarten bzw. -geschlechter werden der binäre und der ternäre Takt angesehen. So gehören z.B. der Zwei-Viertel- oder der Vier-Viertel-Takt zu den binären Takten, der Drei-Viertel- oder Sechs-Achtel-Takt werden den ternären Takten. Für den binären sowie den ternären Takt gibt es ein natürliches Betonungsmuster, welches aus schweren bzw. akzentuierten und leichten Schlägen besteht. Dieses Betonungsmuster wird Metrum genannt und setzt sich beim binären Takt aus „schwer-leicht“, beim ternären Takt aus „schwer-leicht-leicht“ zusammen. Eine Akzentuierung kann z.B. durch eine längere Tondauer oder lauteres Anspielen erreicht werden. Neben diesen zwei Grundtakten gibt es auch eine Menge komplexere Taktarten, wie beispielsweise einen Fünf-Viertel- oder einen Sieben-Achtel-Takt. Diese können als Zusammensetzung des binären und ternären Taktes betrachtet werden.

Der Rhythmus bezeichnet die tatsächliche Ausgestaltung und Akzentuierung des Metrums durch unterschiedliche Notenlängen und Pausen, wobei bei Noten und Pausen von der ganzen Note, bis hin zur Vierundsechzigstel-Note unterschieden wird. Durch einen Punkt hinter dem Noten- bzw. Pausezeichen wird die Dauer des jeweiligen Ereignis um den halben Wert verlängert. Fällt eine Akzentuierung nicht auf den im Metrum definierten Schlag, so spricht man von einer Synkope. (vgl. Goetschius 1904, S.12ff; Raffaseder 2002, S. 278f)

Die Zeit spielt in der synthetisch produzierten Musik ebenfalls eine wichtige Rolle. Einerseits hängen fast alle Klangparameter in gewisser Weise vom Faktor Zeit ab, wie etwa die Tonhöhe mit der Zeitdauer einer Schwingungsperiode, oder der Klangcharakter unter anderem mit der Ein- und Ausschwingdauer eines Hüllkurvengenerators. Andererseits müssen die erzeugten Klänge im zeitlichen Ablauf aneinander gereiht werden um einen musikalischen Effekt zu erzielen. Die Festlegung eines Metrums, die Taktart, sowie die rhythmische Ausgestaltung können z.B. mit einem Drumcomputer bzw. Sampler und Sequenzer eingestellt und ausgestaltet werden. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit, wirken elektronische Rhythmen schnell starr. Die Lebendigkeit, die durch die kleinen

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Ungenauigkeiten bei menschlichem Spiel entsteht, geht dabei verloren. Diese enorme Präzision trägt allerdings genau deshalb auch zum musikalischen Charakter synthetisch produzierter Musik bei. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Sound eines Synthesizers manuell z.B. über einen Tastendruck oder ein elektronisches Schlagzeug zu triggern, wodurch der musikalische Eindruck wieder mehr Lebendigkeit erlangt bzw. Variationen in der Spielweise einfacher umzusetzen sind. (vgl. Schreiber 1980, S. 54 - 60);

5.3.2 Harmonik

Wie bereits erwähnt, hängt die wahrgenommene Tonhöhe von der Grundfrequenz des erklingenden Tones ab, eine Verdopplung dieser Frequenz führt zu einem sehr ähnlichen Ton, der Oktave. Bestimmte Frequenzverhältnisse lösen eine bestimmte Tonhöhenänderung aus. Diese Verhältnisse werden Intervalle genannt und ergeben sich in der abendländischen Musik aus der Obertonreihe eines Klangs, die aus ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz bestehen. Innerhalb einer Oktave werden zwölf Halbtöne unterschieden, die mit Buchstaben und eventuellem Vorzeichen bezeichnet werden. Intervalle werden als konsonant oder dissonant beschrieben, wobei konsonante Intervalle angenehm bzw. harmonisch klingen, während dissonante Intervalle einen eher unangenehmen bzw. spannungsvollen Klang haben. (vgl. Helmholtz 1913, S. 24 - 27; Raffaseder 2002, 98f)

Bei der Einteilung der Oktave in zwölf Halbtöne stößt man bei der Stimmung von Instrumenten auf das Problem, dass einerseits die aus den Obertönen abgeleiteten Proportionen erhalten bleiben sollen, andererseits jeder Halbtonschritt annähernd die selbe Differenz aufweisen soll. Es stellt sich heraus, dass dies nicht miteinander zu vereinbaren ist. Die sogenannte pythagoräische Stimmung basiert auf reinen Quinten mit dem Verhältnis 3:2. Bestimmt man von einer bestimmten Frequenz ausgehend zwölf Quinten, sollte man wieder den ursprünglichen Ton in höherer Lage erhalten. Der resultierende Ton weicht jedoch etwas von der reinen Oktave mit dem Verhältnis 2:1 ab. So berechnet sich z.B. von 440 Hz ausgehend eine Oktave mit 892 Hz, also 12 Hz höher als die reine Oktave. Der Quotient von 892 / 880 = 1,0136364 wird als pythagoräisches Komma bezeichnet. Dieser Umstand führt dazu, dass speziell bei Tasteninstrumenten in pythagoräischer oder reiner Stimmung, bei der die Terzen ebenfalls rein gestimmt sind, einige Tonarten sehr gut und rein klingen, andere dafür äußert unsauber bzw. verstimmt. Aus diesem Grund wurde die gleichstufige bzw. wohltemperierte Stimmung entwickelt. Bei dieser wird eine Oktave in zwölf genau gleich große Halbtöne mit jeweils 100 Cent geteilt. Eine Oktave umfasst somit 1200 Cent, von einem bestimmten Ton mit der Frequenz f ausgehend lässt sich die Frequenz für jedes

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Intervall mit f = 2n/12 bestimmen, wobei n die Anzahl der Halbtonschritte von Grundton weg bezeichnet. Dadurch ist zwar nur mehr das Intervall der Oktave rein, jedoch sind die Abweichungen so gering, dass sie dem Gehör kaum auffallen. Dadurch wird aber auch jede Tonlage in gleichem Maße nutzbar.

In Tabelle 01 sind die Intervalle sowie deren Frequenzen in pythagoräischer sowie gleichstufiger Stimmung dargestellt, ausgehend vom Kammerton A, der als 440 Hz festgelegt wurde. (vgl. Helmholtz 1913, S. 505-509; Raffaseder 2002, S. 102ff)

Note Intervall Frequenz in g. St. Frequenz in p. St.

A Prime 440,00 Hz 440,00 Hz

Ais/B Kleine Sekunde 466,16 Hz 469,86 Hz

H Große Sekunde 493,88 Hz 495,00 Hz

C Kleine Terz 523,25 Hz 528,60 Hz

Cis/Des Große Terz 554,37 Hz 556,88 Hz

D Quarte 587,33 Hz 594,67 Hz

Dis/Es Übermäßige Quarte / 622,25 Hz 626,48 Hz Verminderte Quinte

E Quinte 659,26 Hz 660,00 Hz

F Kleine Sexte 698,46 Hz 704,79 Hz

Fis/Ges Große Sexte 739,99 Hz 742,50 Hz

G Kleine Septime 783,99 Hz 792,89 Hz

Gis/As Große Septime 830,61 Hz 835,31 Hz

A Oktave 880,00 Hz 892,00 Hz

Tabelle 01: Intervalle des Kammerton A in gleichstufiger und pythagoräischer Stimmung

Das typische Bedienelement, um die Tonhöhe eines Synthesizers zu beeinflussen bzw. den Synthesizer musikalisch nutzbar zu machen, ist die klassische Klaviatur. Dabei kommt, wie bei den meisten Tasteninstrumenten der heutigen Zeit, die gleichstufige Stimmung zum Einsatz. Ein Keyboard-Controller erzeugt abhängig von der gedrückten Taste eine Steuerspannung, welche die Tonhöhe des VCO bestimmt. Ein Standard um dies zu bewerkstelligen, ist das von vielen Herstellern verwendete 1V pro Oktave System. Eine

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Erhöhung der Steuerspannung um ein Volt bewirkt bei diesem eine Änderung der Tonhöhe um eine Oktave hinauf. Ein Volt wird dabei in zwölf gleich große Abschnitte unterteilt, d.h. eine Erhöhung der Steuerspannung um 83,333 mV entspricht der Erhöhung des Tons um einen Halbton. Da hier eine lineare Änderung der Spannung eine logarithmische Änderung der Tonhöhe hervorruft, sind dazu spezielle Wandler notwendig.

Ein zweites System ist das Hertz pro Volt System, bei dem sich die Frequenz gleichmäßig mit der Steuerspannung ändert. Um Geräte mit diesen unterschiedlichen Systemen gemeinsam benutzen zu können, sind spezielle Interface-Systeme notwendig, die Konvertierungen an den Steuerspannungen durchführen. (vgl. Schreiber 1980, S. 53f, 70 - 73; Wilson 2013, S. 47f)

Das Entwickeln und Kalibrieren von VCOs, die eine zufriedenstellende Frequenzgenauigkeit haben, ist eine aufwendige und komplexe Sache. Dadurch stellt es bei analogen Synthesizer-DIY-Projekten als schwierig heraus, eine ausreichende Frequenzgenauigkeit der Intervalle zu realisieren. An Stelle eines Keyboard-Controllers gibt es verschiedene Möglichkeiten, auf die Tonhöhe Einfluss zu nehmen, wie z.B. Ribbon-Controller, licht- oder druckempfindliche Steuerungen, oder auch mittels Drehknöpfen. Dabei können musikalische Intervalle zwar nur annäherungsweise getroffen werden, allerdings eröffnen sich dadurch neue Arten der Spielweise sowie eine äußerst intuitive Art der Steuerung. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass der bewusste Bruch mit den Konventionen der klassischen Musiklehre ein charakteristisches Merkmal von synthetisch produzierter Musik ist und sich dadurch bis in die heutige Zeit neue Genres im Bereich der elektronischen Musik entwickeln. (vgl. Collins 2009, S. 135; Wilson 2013, S. 47, 100)

Auf digitaler Ebene wäre es denkbar, einen Synthesizer zu entwickeln, der dem Anwender neben der gleichstufigen Stimmung auch andere Stimmungssysteme zur Auswahl bietet.

Das gleichzeitige Erklingen von mehreren, meist aber mindestens drei Tönen in einer harmonischen Beziehung nennt man Akkord. Als Grundakkorde können der Dur- und Moll- Akkord, sowie der verminderte und übermäßige Akkord unterschieden werden. Ein Dur- Akkord wird durch Prime, große Terz und Quinte gebildet, während bei einem Moll-Akkord statt der großen, die kleine Terz benutzt wird.

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Ein verminderter Akkord setzt sich aus Prime, kleiner Terz und verminderter Quinte (Quinte minus einem Halbton) zusammen, ein übermäßiger Akkord besteht aus Prime, großer Terz und übermäßiger Quinte (Quinte plus einen Halbton).

Werden weitere Intervalle zum Grundakkord hinzugezogen, wird dies meist als Nummer angegeben, z.B. Am7 bezeichnet einen A-Moll Septimakkord, bestehend aus der Prime A, kleiner Terz C, Quinte E und kleiner Septime G. (vgl. Helmholtz 1913, S. 348-351)

Um Akkorde mit einem Synthesizer zu erzeugen, ist ein polyphones Gerät notwendig, das bedeutet, dass mehrere Töne gleichzeitig erzeugt werden. Dementsprechend viele Oszillatoren werden auch benötigt, im Idealfall sollten alle Tasten gleichzeitig erklingen können. Dies geht allerdings mit einem großen technischen Aufwand einher. Da ein Akkord aus mindestens drei Tönen besteht, sind also zumindest drei Oszillatoren notwendig, die gleichzeitig erklingen und individuell auf verschiedene Tonhöhen gebracht werden können. Frühe Synthesizer waren meist monophone Geräte, dadurch konnte nur eine Tonhöhe zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugt werden. Um trotzdem den Eindruck eines Akkords zu bewirken, werden Arpeggien gespielt, d.h. die Töne eines Akkords aufgelöst und schnell hintereinander angespielt. Eine speziell dafür ausgelegte Funktion mancher Synthesizer oder Sequenzer ist der Arpeggiator. Dieser generiert zu einem gegebenen Grundton eine aufgelöste Tonfolge des entsprechenden Akkords, passend in der eingestellten Geschwindigkeit. Aus diesem Grund sind schnelle Arpeggios unter anderem auch ein charakteristisches Merkmal elektronischer Musik. (vgl. Schreiber 1980, S. 79 - 83)

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6 Design und Usability

Mit der nicht-modularen, modularen und hybriden Bauweise wurden schon drei grundlegende Designkonzepte von Synthesizern beleuchtet. Wenn man vorhat, selbst einen Synthesizer zu bauen ist es jedoch wichtig, sich tiefgreifender mit allgemein gültigen Usability - Regeln und Gestaltungsprinzipien zu beschäftigen. Design- und Usability- Grundsätze können sich, bei richtiger Anwendung, gegenseitig sehr gut in die Hände spielen. Aus diesem Grund ist es wichtig die symbiotische Verbindung dieser beiden Aspekte richtig zu verstehen, und diese im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen, um ein gut durchdachtes Endprodukt zu entwickeln.

In diesem Kapitel soll deswegen geklärt werden, was Usability überhaupt bedeutet und auf die für die Planung von Synthesizer-Projekten relevanten Teilaspekte näher eingegangen werden. Weiters werden wichtige Gestaltungsprinzipien bzw. Designgesetze, die beim Bau von DIY-Synthesizern beachtet werden sollten und den Umgang mit dem Musikinstrument erleichtern sollen, erklärt.

6.1 User Interface

Das User Interface bzw. Frontpaneel ist bei Synthesizern die Schnittstelle, welche die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine ermöglicht und wird deswegen auch in manchen Fällen Benutzerschnittstelle genannt. Handelt es sich um ein Hardware-Gerät so könnte man in erweitertem Sinn auch von einem TUI sprechen, was soviel wie Tangible User Interface bedeutet. Dies lässt sich mit greifbarer Schnittstelle übersetzen, wird aber gemeinhin eher als Ausdruck dafür verwendet wenn Computer über physikalische Schnittstellen gesteuert werden.

User Interface Design oder kurz UID bezeichnet den Bereich der Gestaltung des Bedienpaneels. (vgl. Bannwolf 2007, S. 4)

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6.2 Usability

Der Begriff Usability beschreibt das Maß an Gebrauchstauglichkeit, bzw. Benutzerfreundlichkeit, das ein bestimmtes Gerät aufweist. Je höher die Usability umso intuitiver lässt sich ein Gerät bedienen, und umso effizienter und zufriedenstellender lassen sich bestimmte, vom User gewollte Ergebnisse erreichen. Es ist also entscheidend in welchem Ausmaß die grundlegende Architektur, aber auch Aussehen und Anordnung der Bedienelemente, den Benutzer bei der Bewältigung einer bestimmten Arbeitsaufgabe unterstützen. Geräte mit hoher Usability sollen die Zielerreichung mit dem minimalst möglichen Aufwand und zugleich mit der maximal möglichen Zufriedenstellung bewerkstelligen. Der Begriff Usability - Engineering, beschreibt den Prozess in dem versucht wird die Gebrauchstauglichkeit und Benutzerfreundlichkeit von Geräten zu erhöhen, bzw. in dem die Mensch-Maschine -Schnittstellen entwickelt werden. (vgl. Bannwolf 2007, S. 4)

6.3 Erfahrungsgeleitetes Handeln

Einen wichtigen Punkt im Bereich der Usability bildet das erfahrungsgeleitete Handeln. Durch unsere Erfahrung, die wir im Laufe unseres Lebens sammeln, empfinden wir bestimmte Bedienkonzepte als intuitiv, andere wiederum nicht. Beispielsweise wird ein drehbarer Türknauf oft nicht sehr gut als solcher erkannt, sondern viel häufiger als einfacher Türknauf der nur dazu dient eine Türe zuzuziehen, interpretiert. Besser mit unseren Erfahrungen stimmt eine normale Türschnalle überein, da wir von ihr bereits wissen dass sie durch simples nach unten drücken den Entriegelungsmechanismus der Tür betätigt. Unter erfahrungsgeleitetem Handeln wird jedoch nicht nur das Anwenden von Erfahrungen in bekannten Arbeitsabläufen verstanden, auch das Neuerfahren von Zusammenhängen in unbekannten Situationen spielt hier eine tragende Rolle. (vgl. Bannwolf 2007, S. 10, S.30f)

Wie Benutzerschnittstellen empfunden werden hängt immer von der jeweiligen Person und ihrer Vorlieben ab und ist somit zu 100 Prozent subjektiv. Nichtsdestotrotz gibt es wichtige Merkmale die ein "gutes" User Interface ausmachen, auf einige dieser Eigenschaften wird in den nachfolgenden Kapiteln noch genauer eingegangen. Beispielsweise wird bei guten Benutzerschnittstellen großer Wert auf das Prinzip der Affordances gelegt, welches sich mit der Form der Bedienelemente, sowie damit verbunden, ihrer intuitiven Benutzung beschäftigt.

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Die Bedienmöglichkeiten und verschiedenen Elemente um einen Synthesizer zu steuern sind mannigfaltig und haben alle ihre jeweiligen Vor- und Nachteile. Meist gibt es Elemente die sich geradezu für eine bestimmte Aufgabe prädestinieren, für eine andere Aufgabe aber wiederum gänzlich ungeeignet sind. Im folgenden wird auf Vor- und Nachteile von Bedienelementen, die häufig in analogen Synthesizern verbaut werden, eingegangen.

6.4 Typische Bedienelemente von Synths und ihre Usability

6.4.1 Tasten (monostabil)

Tasten sind die Bedienelemente, die mittlerweile den Einzug in nahezu jedes technische Gerät geschafft haben, der Synthesizer bildet hier natürlich keine Ausnahme. Tasten gibt es in vielen verschiedenen Formen und zwei zu differenzierenden Arten. Es gibt Tasten mit, sowie auch Tasten ohne Betätigungsweg. Tasten mit Betätigungsweg wird eine entscheidend bessere Usability nachgesagt. Im Idealfall weisen sie einen geringen aber doch spürbaren Druckwiderstand auf und liefern gleichzeitig ein akustisches Feedback in Form eines Klickgeräusches. Welchen Widerstand eine solche Taste beim drücken aufweisen soll und welcher Weg beim Drücken zurückgelegt werden soll, um eine gute Uasability-Performance zu erhalten, ist in Abbildung 70 zu sehen. Abbildung 69 zeigt zwei der gängigsten Bauformen der Vertreter mit Betätigungsweg. Tasten ohne Betätigungsweg haben zwar die Vorteile, dass sie Umwelteinflüssen besser standhalten, sowie die Fertigungskosten geringer sind als jene der Tasten mit Betätigungsweg. Jedoch werden vor allem wegen der fehlenden Rückmeldung, sei es taktil oder auditiv, solche Tasten öfter zu einer Fehlbedienung führen als ihr Pendant. Aus diesem Grund sind sie besonders zur Verwendung bei Musikinstrumenten denkbar ungeeignet, da hier vieles intuitiv, schnell und oft ohne hinzusehen gedrückt werden muss. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 37ff)

Abb. 69: Gängige Bauformen von Tasten

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Abb. 70: Optimaler Betätigungswiderstand und zurückgelegter Weg von Tasten

6.4.2 Druckknopf (bistabil)

Als nächstes wird hier das Bedienkonzept des Druckknopfes vorgestellt und erklärt. Der Druckknopf weist zwei verschiedene Zustände auf und wechselt bei Betätigung in den jeweils anderen. Ist der Druckknopf versenkt, also tiefer im Gehäuse, so sollte dies dem Zustand Ein bzw. 1 entsprechen. Für den Betätigungswiderstand und das akustische Feedback gelten die gleichen Richtlinien wie für eine Taste mit Betätigungsweg. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 38ff)

In Synthesizern werden Druckknöpfe oft zur Auswahl des Filtertyps oder aber auch als simple Powerschalter verwendet.

Abb. 71: Druckknopf in ein- und ausgeschaltetem Zustand

6.4.3 Wippenschalter (bistabil)

Auch wenn die Funktion eines Wippenschalters eigentlich mit der eines Druckknopfes übereinstimmt, birgt ihre Bauform doch einige Vorteile. Einerseits ist der momentane Schaltzustand sowohl visuell als auch taktil besser erkennbar, andererseits fällt der Betätigungsvorgang meist etwas kürzer aus. Selten aber doch gibt es Wippenschalter mit einem dritten Zustand, dieser befindet sich zwischen den beiden Schaltstellen, in der

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sogenannten Mittelstellung. Wippenschalter mit 3 Zuständen gehen jedoch, aufgrund ihrer schwerer zu erkennenden Mittenstellung, mit starken Einbußen der Usability einher. Da gutes Design, sowie gute Usability meist eine ungetrübte Eindeutigkeit, was die Art der Bedienung bzw. Funktion betrifft, beinhaltet, muss bei der Verwendung des Wippenschalters mit drei Zuständen, versucht werden, die schwer zu erkennende Mittenstellung durch ein oder mehrere zusätzliche Design-Elemente hervorzuheben. Eine eindeutige Kennzeichnung ist erforderlich, um somit die korrekte Interpretation, bzw. Bedienung zu unterstützen und zu gewährleisten. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 39f)

Meistens werden Wippschalter als Powerschalter verwendet, oft werden sie aber auch zum Zuschalten einzelner Komponenten wie zusätzlichen Oszillatoren oder diversen anderen Variablen verwendet. In der Abbildung 72 wird das ideale Verhältnis von Länge und Breite eines Wippschalters, sowie die Schaltposition nach amerikanischer Konvention gezeigt. Nach europäischer Konvention müssten im rechten Abschnitt des Bildes die Zustände Ein und Aus vertauscht werden.

Abb. 72: Länge- und Breitenverhältnis und Schaltzustände von Wippschaltern

6.4.4 Kippschalter oder Kipphebel (bistabil oder drei stabile Zustände)

Die Funktion des Kippschalters gleicht abermals der des Druckknopfes. Zu den Vorteilen gegenüber dem Druckknopf, die er sich mit den Vorteilen des Wippschalters teilt, kommt noch hinzu, dass er besonders für vertikale Gehäuseoberflächen deutlich besser geeignet ist. Insbesondere der Kipphebel hat zusätzlich sowohl den Vorteil, dass eine etwaige Mittelstellung an ihm besser visuell abzulesen ist, als auch den Vorteil eines größeren Hebelarms, der ein besonders gutes taktiles, sowie akustisches Feedback ermöglicht. Aus diesem Grund ermöglichen solche Bedienelemente, nach einer gewissen Einarbeitungsphase, oft ein Bedienen des Gerätes ohne direkten Sichtkontakt. Als Nachteil dieser Bauformen ist anzumerken dass eine Beschriftung auf dem Hebel oder dem Kippschalter selbst aus Platzgründen nicht möglich bzw. sinnvoll ist und diese deswegen an

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der Gehäuseoberfläche angebracht sein muss. Abbildung 73 zeigt Beispiele für den idealen Winkel und die Ausführung von Kippschaltern, bzw. -hebeln. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 40f)

Kippschalter werden oft dazu verwendet verschieden Auswahlen am Synthesizer einzustellen. Beispielsweise: Wellenform, Filtertyp, Signalrouting.

Abb. 73: Kippschalter und Kipphebel

6.4.5 Drehknopf (kontinuierlich)

Mit einer von anderen Bauteilen nicht zu erreichenden Geschwindigkeit und gleichzeitigen Präzision ist der Drehknopf das Bedienelement, das am prädestiniertesten ist, wenn es darum geht eine eindimensionale Variable einzustellen. Der Drehknopf sollte mit zwei oder drei Fingern zu bedienen sein. Je mehr Widerstand er bieten soll, umso griffiger bzw. stärker gerillt muss sein Rand gefertigt sein. Die Nullposition bzw. der linke Rand des Regelbereiches sollte in einem Bereich von 0° bis 90° liegen. Das Drehen im Uhrzeigersinn sollte dabei dem Anwachsen des einzustellenden Wertes entsprechen. Manchmal kann es auch sinnvoll sein, wenn der Drehknopf mehr als 360° drehen kann. Hier gilt es zu beachten, dass die menschliche Hand dazu fähig ist, einen Drehwinkel bis zu 120° zu bewältigen, ohne dabei umgreifen zu müssen. Oft gibt es Drehknöpfe die am linken Anschlag einen integrierten binären Schalter aufweisen, wie Beispielsweise der Volume-Regler bei transportablen Radios, mit dem gleichzeitig das Radio Ein oder ausgeschalten werden kann. Der Drehknopf sollte bei Bedarf über eine Positionsanzeige verfügen oder als ganzes in Form eines Richtungsweisers gebaut sein und es sollte mithilfe einer Skala möglich sein, einen eingestellten Wert abzulesen. Wie diese Skalen sowie verschiedene Bauformen von kontinuierlichen Drehknöpfen aussehen können, ist in Abbildung 74 zu sehen. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 41f)

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Jedes Potentiometer im Synthesizer stellt einen Drehknopf dar. Geregelt werden durch ihn die verschiedensten Parameter, wie beispielsweise die Frequenz des Oszillators, die Cut-off Frequenz, die Frequenz des LFO´s, der Gain des Verstärkers und viele weitere mehr.

Abb. 74: Drehknöpfe in unterschiedlichen Bauformen

6.4.6 Drehknopf oder Drehschalter (diskret)

Gilt es drei oder gar noch mehr diskrete Schaltzustände zu bewerkstelligen, so liegt es nahe, dafür einen Drehschalter zu verwenden. Die Formen entsprechen in dieser Kategorie generell der des Drehknopfes. Ein Unterschied liegt jedoch darin, dass ein größerer Betätigungswiderstand, ähnlich dem des Druckknopfes notwendig ist, um das gewünschte taktile und akustische Feedback zu generieren. Aus diesem Grund sind Drehschalter meist deutlich stärker gerillt, um die benötigte Griffigkeit auch bei erhöhtem Betätigungswiderstand zu gewährleisten. Von einer Schaltstufe zur nächsten, soll mindesten ein Winkel von 15° zurückgelegt werden, ab einem Winkel von 30° ist es möglich den Schaltzustand nicht nur visuell sondern auch durch taktile Rückmeldung abzulesen. Werden ganze Reihen solcher Schalter gebaut, ist es wichtig darauf zu achten, dass sie in ausgeschaltetem Zustand alle den gleichen Winkel aufweisen. So ist es möglich, den Zustand von mehreren Bedienelementen auf einmal abzulesen. Dies nennt man "Scanline". Man kann, dann wenn man das Bedienfeld von ein wenig Entfernung betrachtet, eine imaginäre Linie erkennen, wenn alle Schalter in der selben Position sind. Abbildung 75 zeigt Beispiele verschiedener Bauformen von Drehschaltern. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 42f)

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Drehschalter sind häufig dafür ausgelegt die gewünschte Wellenform einzustellen, einen Filtertyp zu wählen, oder sonstige Auswahlen zu treffen, die fix eingestellt bleiben sollen.

Abb. 75: Drehschalter

6.4.7 Rändelrad (kontinuierlich oder diskret)

Das Rändelrad ist ein Zylinder mit gerilltem Mantel der nur zum Teil aus dem Gehäuse herausragt. Mit dem Rändelrad sind Feineinstellungen gut zu bewerkstelligen, zumeist wird es mit der Fingerspitze bedient. Oft besitzen Rändelräder einen sehr großen Drehwinkelbereich. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 43f)

Rändelräder werden an Klaviaturen oft für Pitchbend - Effekte, sowie zur Regelung der Modulationstiefe eingesetzt und lösten die davor verwendeten Schieber in den meisten Fällen gänzlich ab. Da das Rändelrad bei Musikinstrumenten im Allgemeinen und bei Synthesizern im Speziellen meist ausschließlich zur Beeinflussung der oben genannten Parameter verbaut ist, würde es eine besonders plakative Erläuterung durch Design- Grundsätze benötigen, um eine Funktion anders als die, die man erwarten würde zu kennzeichnen. Abbildung 76 zeigt kontinuierliche Rändelräder, während bei Abbildung 77 Rändelräder zu sehen sind die diskrete Schaltzustände haben. Diese sind in einer breiten Masse von vielen Fotokameras verbaut.

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Abb. 76: Kontinuierliche Rändelräder

Abb. 77: Diskrete Rändelräder bei Fotokameras

6.4.8 Schieber (kontinuierlich)

Die im Technik-Bereich "Fader" genannten Schieber sind Bedienelemente zur stufenlosen Einstellung von Parametern, diese haben grundsätzlich die selbe Funktion wie Drehknöpfe. Ein Vorteil ist jedoch, dass sie sich besonders gut für waagrechte oder nur leicht geneigte Bedienoberflächen eignen. Meist werden Schieberegler so verbaut, dass sie sich vom Benutzer weg und zu ihm hin bewegen lassen, da es nicht möglich ist seitwärts oder in die Höhe die gleiche Präzision wie beim Vorwärts- oder Rückwärtsschieben zu erreichen. Ein weiterer großer Vorteil ergibt sich wenn man mehrere Schieberegler nebeneinander verbaut, da hier viele Parameter auf einen Blick ausgewertet werden können, wie an einem Balkendiagramm. Ein weiterer Vorteil ist dass so mehrere Parameter gleichzeitig verändert werden können, da die einzelnen Schieber bequem mit nur einem Finger bewegt werden können. Aus diesem Grund sind Fader eines der Hauptbestandteile am Interface eines Mischpultes, bei dem es im Live Einsatz wichtig ist größtmögliche Übersicht mit schnellstmöglichem Zugriff auf Parameter, am besten auf mehrere Parameter gleichzeitig, zu verbinden. Abbildung 78 zeigt einen kontinuierlichen Schieber, dieser gilt jedoch nur als

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Beispiel. Es gibt sehr viele verschieden Bauformen von Schiebern, sie unterscheiden sich vor allem in Form, Größe und Farbe voneinander. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 44f)

Abb. 78: Kontinuierlicher Schieber

6.4.9 Schiebeschalter (diskret)

Schiebeschalter basieren auf dem selben Funktionsprinzip wie Drehschalter. Zu ihrem Nachteil ist das Einstellen mit ihnen jedoch kaum so präzise möglich, wie dies bei einem Drehschalter der Fall ist. Weiters ist weder die taktile noch die akustische Rückmeldung dieses Bedienelements so gut wie die ihres Pendants, weshalb ein Bedienen ohne hinzusehen meistens nicht möglich ist. Will man also einen Schiebeschalter in einem Synthesizer verbauen, so sollte man vor allem darauf achten, dass dieser gut sicht- bzw. auslesbar ist. Leider ist diese Art von Bedienelement in vielen Fällen auf der Rückseite eines Gerätes verbaut und somit die einzustellenden Zustände nur schwer auslesbar. (vgl. Baumann & Lanz 1998, S. 45)

Schiebeschalter finden sich als On-Off Regler an sehr vielen Geräten, oder aber auch zur Wahl der Midi Einstellung an einem Synthesizer Mono/Poly/Omni/Off. Abbildung 79 zeigt zwei Varianten von diskreten Schiebeschaltern wie sie auch oft bei analogen Synthesizern verbaut werden.

Abb. 79: Schiebeschalter

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6.5 Design

Ein Synthesizer der durch seinen guten Look besticht und jedem Enthusiasten, beim bloßen Anblick bereits das Wasser im Mund zusammenlaufen lässt, ist schon etwas tolles. Doch gutes Design schmeichelt nicht nur dem Auge, sondern hilft dem Benutzer, die für einen bestimmten Anwendungsfall, bzw. die für ein gewünschtes Ergebnis notwendigen richtigen Entscheidungen zu treffen und beugt somit Fehlbedienungen so gut es geht vor. Gutes Design erleichtert also das Arbeiten mit technischen Geräten und somit auch mit dem Synthesizer erheblich. Aber nicht nur das, es bereitet einfach große Freude ein gut durchdachtes Gerät zu bedienen, dass auch noch im Hinblick auf Ästhetik einiges zu bieten hat.

Besonders bei Geräten, vor denen man schon mal gut und gerne mehrere Stunden verbringen kann, scheint es von allergrößter Wichtigkeit die Nutzererfahrung so positiv wie möglich zu gestalten. Ist der Umgang mit dem Gerät oder Synthesizer nicht gut durchdacht und erweist sich in vielen Situationen als sperrig, kann der Synthesizer noch so schön anzusehen sein, der Benutzer wird relativ rasch frustriert sein und versuchen die gewünschten Ergebnisse einem anderen Gerät oder Plug In zu entlocken.

Somit ist der richtige Einsatz von Design auf jeden Fall ein wesentlicher Bestandteil eines erfolgreichen Produktes, dass am Markt feilgeboten wird. Aber auch beim Design eines DIY- Synthesizers ist es wichtig, dass dieses einerseits die Arbeit weitestgehend erleichtert, und das es andererseits dem Benutzer Freude bereitet mit dem Gerät zu arbeiten. Schließlich soll gut durchdachtes Design, besonders bei Synthesizern, den Musiker im kreativen Prozess des Musizierens unterstützen und nicht zu sehr durch technische Barrieren, bzw. zu hohe technische Anforderungen, diesen in kreative Schranken verweisen.

6.5.1 Affordance

Unter Affordance versteht man die Eigenschaft in der Gestaltung eines Objektes, die beim Nutzer ein bestimmtes, jedoch stets intuitives Verhalten hervorruft. Beispielsweise lädt ein Hebel dazu ein ihn umzulegen und schließt so eine fehlerhafte Verwendung von vorneherein weitestgehend aus. Genauso verhält es sich bei einem Drehschalter, der bei intuitiver Bedienungsweise, eher gedreht wird, als dass man probiert ihn zu drücken oder zu schieben. Wird das Konzept der Affordance im gesamten Designprozess beachtet so wird das Endergebnis, mögliche Fehlbedienungen durch den Benutzer minimieren und so schneller zu zufriedenstellenden Ergebnissen für den User führen. Es sollte also bei jedem

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Produktdesign beachtet werden und ist somit natürlich auch beim Entwerfen des Bedienpaneels eines Synthesizers ein wichtiger Aspekt. In der Praxis sollte man darauf achten, die der Bedienfunktion am besten entsprechenden Bedienelemente auszuwählen. Es empfiehlt sich Beispielsweise für kontinuierliche Veränderungen Drehknöpfe und Schieber, für Schaltungen mit zwei bis drei Zuständen Kipphebel oder Wippenschalter und für Schaltungen mit mehr als drei Zuständen Drehschalter, einzusetzen. (vgl. Lidwell 2004, S.20f)

Abb. 80: Affordance bei Türen

In obiger Abbildung weist die linke Türe eine schlechte Affordance auf, da der Türbeschlag bei intuitiver Nutzung auf eine Türe hinweist, die durch Ziehen zu öffnen ist. Bei der rechten Türe gibt es schlicht keine andere Möglichkeit, als sie per Drücken zu öffnen, die Affordance ist hier nahezu perfekt.

6.5.2 Ästhetik

Gerade im DIY - Bereich wird der Ästhetik oft fälschlicherweise kein hoher Stellenwert beigemessen. Dies ist bedauerlich, da die Ästhetik eine große Rolle dabei spielt wie mit dem Gerät umgegangen wird. Durch ästhetische Designs werden positive Emotionen beim Benutzer hervorgerufen und es wird in gewisser Weise eine Beziehung mit dem Gerät hergestellt. Nicht selten kommt es vor dass man derart liebgewonnenen Geräten sogar Namen gibt. Studien zufolge werden ästhetische Designs auf jeden Fall als benutzerfreundlicher und einfacher zu bedienen angesehen, egal ob dies tatsächlich der Realität entspricht oder nicht. Ein weiterer Vorteil ästhetischer Designs ergibt sich dadurch,

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dass man toleranter auf andere etwaig vorhandene Design-Fehler reagiert, dies liegt wohl zu einem großen Teil an den positiven Empfindungen, welche negative Empfindungen etwas abschwächen. Beim Design von User-Interfaces für DIY-Synthesizer-Projekte, sollte die Ästhetik sich also nicht allem anderen unterordnen müssen, besonders wenn man eine intensive Nutzung des fertigen Gerätes plant. (vgl. Lidwell 2004, S.18)

6.5.3 Mapping

Das Prinzip des Mappings beschreibt den Zusammenhang eines Bedienelements mit der dadurch ausgelösten Wirkung. Wenn bei der Betätigung eines Bedienelementes, das Gerät dazu veranlasst wird etwas in einer Art und Weise zu tun, wie man es auch erwartet hat, spricht man von einem gelungenem Mapping. Beispielsweise erwartet man, dass wenn man einen Drehknopf im Uhrzeigersinn dreht, ein gewisser Parameter ansteigt, wie zum Beispiel die Lautstärke an einem Verstärker. Würde der Knopf beim drehen gegen den Uhrzeigersinn ein Ansteigen des Wertes verursachen, so müsste man, aufgrund des unerwarteten Ergebnis, zwangsläufig von einem schlechten Mapping sprechen. Multifunktionstasten und Bedienteile mit mehr als nur einer Funktion gelten im Bezug auf das Prinzip der Mappings immer als sehr problematisch. Es ist daher wichtig die Position und das Verhalten der Bedienelemente dem jeweiligen Layout bestmöglich anzupassen. (vgl. Lidwell 2004, S.128)

Abb. 81: Affordance bei Türen

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Im oberen Teil der Abbildung 81 sind die Knöpfe zum Öffnen und Schließen der Scheibe einem guten Mapping entsprechend ausgerichtet, da die Ausrichtung der Knöpfe mit der Bewegung der Scheibe übereinstimmt. Im unteren Teil des Bildes sind die Bedienelemente so ausgerichtet, dass man nach vorne drücken muss um das Fenster zu schließen und nach Hinten um es zu öffnen, dies stimmt nicht mit der zu erwartenden Bewegung des Fensters überein, daraus resultiert ein schlechtes Mapping.

6.5.4 Form folgt Funktion

Dieses Designprinzip wird wohl, sei es nun bewusst oder auch unbewusst, sehr oft in der DIY-Szene angewandt, da hier oft die Ästhetik gänzlich der Funktion untergeordnet ist. Es gibt zwei Arten dieses Prinzip auszulegen. In der deskriptiven Auslegung wird davon ausgegangen, dass sich die empfundene Schönheit von der Reinheit der Funktion und dem Fehlen von Verzierungen ableitet. Bei der präskriptiven Auslegung, wird davon ausgegangen, dass sich die Ästhetik der Funktion unterordnen muss. Es scheint klar, dass ein flüssiges und benutzerfreundliches arbeiten mit Geräten natürlich Ziel jedes Designs sein muss, und es keinen Sinn ergibt, die Benutzbarkeit durch ästhetische Verzierungen einzuschränken. Wirklich erfolgreiche Produkte meistern oft die Gratwanderung und erfüllen Ansprüche der Designprinzipien Affordance, Ästhetik und Form folgt Funktion gleichermaßen. (vgl. Lidwell 2004, S.90f)

Abb. 82: Verschiedene Designs von Uhren

Es ist wichtig zu entscheiden, welchem Zweck ein Gerät dient. Am Beispiel einer Uhr kann das Prinzip Form folgt Funktion, wie in Abbildung 82 dargestellt, wie folgt erklärt werden: Ist es entscheidend, die Uhrzeit so genau und so schnell als möglich auszulesen, so ist die Digitalanzeige das den Anforderungen am besten entsprechende Design. Ist es jedoch von größerem Belang, dass die Uhr ästhetisch wirkt und die sekundengenaue Auslesbarkeit spielt eine untergeordnete Rolle, so wird in den meisten Fällen die ganz rechte Uhr des Bildes als das bessere Design empfunden.

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6.5.5 Farbe

Durch den Einsatz von Farbe wirkt das Design nicht nur meist ästhetischer, Farbe eignet sich auch hervorragend um bestimmte Gruppenzugehörigkeiten auszudrücken. Beispielsweise, lassen sich zusammengehörige Bedienelemente, leicht als solche erkennen, wenn sie in der gleichen Farbe gefertigt sind, oder sie mit der selben gekennzeichnet sind. Farben eignen sich also hervorragend zur Informationsvermittlung. Jedoch ist es wichtig, sie nicht zu exzessiv einzusetzen, da man auf einen Blick nicht mehr als fünf Farben unterscheiden kann. Verwendet man trotzdem mehr Farben, so kann dies zu einem unübersichtlichen Design führen. Will man harmonische Farbkombinationen erreichen, so gibt es dazu mehrere Techniken. Als gut kombinierbar werden Farben angesehen die sich im Farbkreis nebeneinander befinden bzw. sich gegenüber stehen, sowie Farben die man an den Eckpunkten eines Dreiecks oder Quadrats, das man in den Farbkreis legt, findet. (vgl. Lidwell 2004, S.38)

Beim Design der Benutzerschnittstelle von DIY-Synthesizern, bietet es sich an, den einzelnen Modulen bestimmte Farben zuzuordnen, um so eine gute Übersichtlichkeit zu gewährleisten. Beispielsweise könnte man den gesamten Bereich eines Modules mit einer Farbe hinterlegen, oder man fertigt nur die Bedienelemente eines Moduls in einer bestimmten Farbe.

Abb. 83: Methoden der Farbkombination

Analoge Farbkombinationen, wie in Abbildung 83 ganz links dargestellt, liegen im Farbkreis direkt nebeneinander. Triadische Farbkombinationen findet man an den Eckpunkten eines in den Farbkreis gelegten Dreiecks.

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Abb. 84: Weitere Methoden der Farbkombination

Abbildung 84 zeigt komplementäre Farbkombinationen, diese liegen einander im Farbkreis gegenüber. Quadratische Farbkombinationen werden an den Eckpunkten eines in den Farbkreis gelegten Quadrats gefunden.

6.5.6 Gestaltgesetze der Wahrnehmung

Zu den Gestaltgesetzen der Wahrnehmung zählen unter Anderem das Gesetz der Kontinuität, das Gesetz der Nähe, das Gesetz der Ähnlichkeit, sowie die Gruppierung nach gemeinsamen Merkmalen. Alle diese Grundsätze können gut dazu eingesetzt werden, um Zusammengehörigkeiten und Gruppierungen zu verdeutlichen.

Das Gesetz der Kontinuität besagt Beispielsweise, dass Elemente die in einer Linie oder einer leicht gekrümmten Kurve aneinander gereiht sind, eher als zusammengehörend interpretiert werden, als Elemente die diese Eigenschaft nicht besitzen. Selbst wenn Teile der Linie nicht sichtbar sind oder diese sehr kurz unterbrochen wird, können die Elemente, durch das Gesetz der Kontinuität, als Gruppe empfunden werden. Liegen die einzelnen Elemente jedoch zu weit voneinander entfernt, so ist eine Zusammengehörigkeit nur schwer zu erkennen und es wird davon ausgegangen, dass die einzelnen Elemente nichts miteinander zu tun haben, bzw. in keiner Verbindung zueinander stehen. (vgl. Lidwell 2004, S.98)

Bei der Positionierung der Bedienelemente eines DIY Synthesizers, ist es wichtig darauf zu achten, diejenigen Bedienelemente in linienförmiger Abfolge zueinander zu verbauen, die zusammengehörig sind.

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Abb. 85: Gesetz der Kontinuität am Beispiel eines Tachometers

Die gekrümmte Line eines Tachometerblattes, bzw. die in Form dieser gekrümmten Linie abgebildete Zahlenreihe führt dazu, dass die Zahlenreihe als zusammengehörig empfunden wird, wie in Abbildung 85 illustriert wird.

Dies führt bereits direkt zum nächsten Gestaltungsgrundsatz, dem Gesetz der Nähe. Dieses Prinzip besagt, wie der Name schon vermuten lässt, dass Elemente die nahe beieinander liegen eher als Zusammengehörig wahrgenommen werden, als solche die dies nicht tun. Berücksichtigt man diesen wichtigen Grundsatz so ist es möglich, ansonsten oft unübersichtlich wirkende Geräte, durch sinnvolle Gruppenbildung, übersichtlicher zu gestalten und dadurch eine bessere Benutz- bzw. Bedienbarkeit zu gewährleisten. (vgl. Lidwell 2004, S.160)

Es empfiehlt sich also Bedienelemente die zu einem gemeinsamen Modul gehören, oder in einem anderen Verhältnis der Zusammengehörigkeit zueinander stehen, stets in einer entsprechenden Nähe zu realisieren.

Abb. 86: Gesetz der Nähe

Im linken Teil der Abbildung 86 werden meist drei senkrecht voneinander getrennte Gruppen interpretiert. Die Grafik in der Mitte des Bildes wird meist als eine einzige Gruppe empfunden. Am rechten Rand des Bildes werden meist wieder drei Gruppen interpretiert, diesmal jedoch horizontal voneinander getrennt.

Das Gesetz der Ähnlichkeit besagt, dass Elemente die ähnliche Eigenschaften aufweisen, das Empfinden einer Zusammengehörigkeit beim Benutzer auslösen. In absteigender

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Reihenfolge bezogen auf ihre Wirksamkeit, sind dies vor allem Eigenschaften wie ähnliche Farbe, ähnliche Größe oder ähnliche Form. Die Berücksichtigung dieses Prinzips macht vor allem dann Sinn, wenn eine Zusammengehörigkeit nicht durch das Gesetz der Nähe zu gewährleisten ist. Bei einem Synthesizer könnte man beispielsweise alle CV- Eingänge rot und alle Ausgänge blau markieren um etwaigen Verwechslungen vorzubeugen. (vgl. Lidwell 2004, S.184)

Abb. 87: Gruppierung nach Ähnlichkeit

Das Gestaltungsprinzip der Gruppierung nach gemeinsamen Merkmalen kann beim Design eines Frontpaneels auf zwei verschiedene Arten eingesetzt werden. Entweder verwendet man Felder in denen die einzelnen, zu einer Gruppe gehörenden Bedienelemente sind um deren Zusammengehörigkeit auszudrücken, oder aber man verbindet die Bedienelemente durch einen Pfad oder eine Linie. (vgl. Lidwell 2004, S.200)

Abb. 88: Gestaltungsprinzip nach gemeinsamen Merkmalen

6.5.7 Piktogramme

Piktogramme sind stilisierte Abbildungen von Parametern, Aktionen oder Konzepten, die richtig eingesetzt, eine weit längere Erklärung ersetzen können. Piktogramme sind zudem

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kulturübergreifend meist sehr ähnlich in ihrem Aussehen und können so von einer breiten Masse an Menschen richtig interpretiert werden. (vgl. Lidwell 2004, S.110)

Bei Synthesizern werden Piktogramme neben Anderen meist für die Filtersteilheit, die Wellenform oder die Art der Hüllkurve verwendet.

Abb. 89: Klassische Piktogramme

6.5.8 Hicks Gesetz

Hicks Gesetz besagt grundsätzlich, dass man umso länger braucht um eine Entscheidung zu treffen, je mehr Möglichkeiten zur Auswahl stehen. (vgl. Lidwell 2004, S.102)

Etwas was man an voll-modularen Synthesizern schätzen aber auch kritisieren kann ist, dass sie schier unendliche Möglichkeiten bieten Sounds zu generieren, sie zu bearbeiten und zu modulieren. Der Wunsch nach einem intuitiverem, besser bedienbaren Musikinstrument hat dann schließlich zur Entwicklung der halbmodularen und nicht- modularen Synthesizer geführt, welche die Möglichkeiten den Klang zu Formen stark reduzieren.

Insbesondere bei DIY-Projekten ist es leicht in die Versuchung zu geraten, den Selbstbau- Synthesizer mit so vielen Funktionen wie nur irgend möglich auszustatten. Es ist wichtig sich damit auseinanderzusetzen welche Funktion denn auch wirklich zum Musizieren notwendig ist. Denn der Akt des Musizierens ist, auch wenn es einer gewissen Technik bedarf, etwas intuitives, wo Entscheidungen meist schnell getroffen werden müssen. Zu viele Parameter sind dem Zweck einfach nicht dienlich, darum sollte man sich für die essenziellen, für den eigenen Stil passenden Elemente entscheiden, weniger ist hier, wie so oft, mehr.

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Abb. 90: Unübersichtlicher Schilderwald

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7 Do-It-Yourself

Wie bereits erwähnt, zeichnet sich Do-It-Yourself oder auch DIY durch eine gewisse Art der Einstellung bzw. Kultur aus und kann aus unterschiedlicher Motivation heraus ausgeübt werden. Im Folgenden werden einige allgemeine Aspekte des DIY-Gedankens näher beleuchtet.

7.1 DIY – Kultur und Gemeinschaft

Die Ursprünge von DIY findet man prinzipiell seit Anbeginn der Menschengeschichte. Der Mensch hat immer schon die eigenen Fähigkeiten zur Herstellung von Objekten bzw. kreativen Werken genutzt, z.B. bei der Herstellung von Werkzeugen, die das Erledigen bestimmter Aufgaben erleichtern, oder bei Höhlenmalereien als Ausdruck von individuellen Eindrücken und Erfahrungen. Das Nutzen und Gestalten der gegebenen Ressourcen und uns umgebenden Umwelt liegt somit in der Natur des Menschen.

Durch die zunehmende Industrialisierung und Modernisierung von Gesellschaften, ist der Mensch nicht mehr in dem selben Maße, an seine eigenen handwerklichen Fähigkeiten gebunden. In Massenproduktion gefertigte Konsumgüter versuchen jedes erdenkliche Bedürfnis zu befriedigen, eine Vielzahl an Arbeitsschritten und Tätigkeiten kann durch Maschinen und professionelle Dienstleister erfolgen.

Der moderne DIY-Gedanke kann somit einerseits auf dem Bedürfnis beruhen, selbst etwas zu Schaffen und seine Ideen und Kreativität zu verwirklichen, andererseits auch als eine Art von Gegenbewegung zu etablierten Systemen und Gütern angesehen werden.

Dieser DIY-Gedanke findet sich in verschiedensten Zusammenhängen wieder, z.B. im Radio-Amateurfunk der 1920er Jahre, der Punkbewegung der 1970er Jahre, bei der vor allem das Produzieren von Musik und Magazinen im Vordergrund stand, oder auch die Techno-Szene der 1990er Jahre, da durch die Verfügbarkeit von MIDI der Zugang zu elektronischer Musikproduktion wesentlich einfacher wurde. Weitere Ausformungen des DIY-

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Gedankens findet man beispielsweise beim Urban Gardening, Open-Source-Software oder der Creative-Commons-Lizenz.

Wo es einen DIY-Gedanken gibt, gibt es meist auch eine Gemeinschaft bzw. Community, innerhalb derer Ideen und Gedanken sowie Probleme und Lösungsstrategien ausgetauscht werden. Dieser Austausch geschieht beispielsweise bei regelmäßigen Treffen oder auch durch spezialisierte Magazine und Messen.

Durch die technische Weiterentwicklung des Internets kam es zu einem weiteren Aufschwung der DIY-Communities, was einerseits auf den einfachen und schnellen Zugriff zu Informationen, andererseits auf die Möglichkeit der Vernetzung und des Gedankenaustauschs mit Gleichgesinnten zurückzuführen ist. Es existieren unzählige Communities zu den verschiedensten Themen, bei denen Projekte vorgestellt und gemeinsam mit anderen reflektiert werden können. vgl. http://www.staceyk.org/hci/KuznetsovDIY.pdf, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 7, Unterverzeichnis staceyk.org bei).

7.2 Effekte und Auswirkungen von DIY

Der Prozess des Selbermachens ist im Prinzip ein Prozess des Lernens, indem man ein Ziel vor Augen hat, das es zu verwirklichen gilt. Bei dieser Verwirklichung kann man auf Probleme stoßen, für die man Lösungen finden muss bzw. Lösungen finden will, um diese Hindernisse zu umgehen und das Ziel bzw. Projekt zu realisieren. Dabei ist es wichtig sich einzugestehen, auch Fehler machen zu dürfen. Von klein auf werden Fehler als etwas Negatives, Unerwünschtes und mit negativen Folgen Behaftetes angesehen. So wird versucht, Fehler so weit wie möglich zu vermeiden, aufgetretene Fehler zu verschleiern und Herausforderungen, bei denen ein eventuelles Scheitern möglich ist, aus dem Weg zu gehen. Fehler sind allerdings etwas Unvermeidbares und eine sehr effektive Form zu lernen und Erfahrung zu sammeln. Sie können ein großes Stück dazu beitragen, aufgetretene Probleme zu lösen, Erkenntnisse zu gewinnen und auf neue Ideen zu kommen.

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Aus Sicht von Mark Frauenfelder, dem Chefredakteur des Make-Magazines, gibt es einige positive Auswirkungen, die sich für ein Individuum durch das Selbermachen von unterschiedlichsten Aufgaben ergeben.

Moderne Gesellschaften werden durch große Industrien mit den Dingen des alltäglichen Lebens, wie etwa Lebensmittel oder Kleidung, sowie mit Luxus- und Unterhaltungsartikeln versorgt. Vielen Menschen fehlt dabei der Einblick in die Prozesse, die hinter dieser Anfertigung stehen. Produkte sind austauschbar und nach Abnutzung zu entsorgen, da eine Reparatur kostspieliger wäre, als einen entsprechenden Artikel neu zu kaufen.

In selbst gefertigten Dingen steckt viel individuelle Vorstellung, Kreativität und Arbeitszeit, sodass man zu solchen Objekten meist eine viel engere Bindung hat, als zu ähnlichen käuflich erworbenen Gegenständen.

Ein weiterer Aspekt ist, dass man durch das Selbstanfertigen von Dingen einen Eindruck davon bekommt, welche Arbeit und Mühen dieser Herstellungsprozess mit sich bringt. Dadurch kann es zu einer höheren Wertschätzung von industriell gefertigten Gütern und den dahintersteckenden Apparaten und Prozessen kommen, die von einigen Menschen als selbstverständlich angesehen werden.

Handwerkliche Tätigkeiten werden von vielen Menschen immer seltener selbst durchgeführt, da diese zunehmend von professionellen Dienstleistern, übernommen werden. Das Erschaffen liegt aber in der Natur des Menschen, durch das Selbermachen gelangt man einerseits zu Übung und Erfahrung im Umgang mit den eigenen motorischen Fähigkeiten, andererseits beansprucht man auch das Gehirn und lernt neue Erkenntnisse sowie Zusammenhänge kennen. Ebenso verursacht ein gelungenes Werk bzw. abgeschlossenes Projekt ein Gefühl von Stolz und innerer Befriedigung.

Dazu kommt auch ein sozialer Aspekt, da innerhalb der verschiedenen DIY-Richtungen meist mehrere Menschen ähnliche Interessen, Vorstellungen und Ziele verwirklichen wollen. Durch den Informations- und Gedankenaustausch mit anderen in einer Community, kann man neue Ideen kreieren, gemeinsam Lösungen finden und aus den Erfahrungen anderer lernen.

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DIY gibt dem Anwender eine gewisse Art der Freiheit. Das bedeutet z.B. für einige, dass sie ihr Hobby zum Beruf machen können oder etwas mehr Unabhängigkeit von großen Konzernen haben. Es kann aber auch einfach die Freiheit sein, seinen Ideen freien Lauf zu lassen, seine Kreativität zu entfalten und dadurch ein Stück zur Selbstverwirklichung der eigenen Persönlichkeit beizutragen. vgl. http://www.huffingtonpost.com/mark- frauenfelder/home-diy-the-courage-to-s_b_589371.html, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 7, Unterverzeichnis huffingtonpost.com bei).

7.3 Synthesizer-DIY

Als Synthesizer-DIY kann jegliche Art des Eigenbaus von Geräten zur elektronischen Klangerzeugung angesehen werden. Dies erstreckt sich von kleinen elektronischen Schaltungen auf Steckbrettern, über die Modifikation von elektronischen Spielzeugen und Geräten, bis hin zu umfangreichen modularen Systemen. Sieht man von digitalen Klangsyntheseverfahren ab, stößt man beim Bauen von analogen Synthesizern auf eine Vielzahl von Herausforderungen, welche abhängig vom individuellen Erfahrungs- und Ausbildungsgrad sind. Elektronische Grundkenntnisse sowie das Lesen von Schaltplänen sind ein wesentlicher Bestandteil, jedoch ist es auch für Laien möglich, einfachere Schaltungen ohne tiefgreifendes elektronisches Wissen zu realisieren, wenn das Interesse und die Motivation dazu vorhanden ist.

Ein weiterer Aspekt kann die Gestaltung sowie Anfertigung eines Gehäuses sowie einer entsprechenden Steuer-Schnittstelle darstellen. Auch in diesem Prozess sind sowohl handwerkliches Geschick als auch Kreativität von Nöten, was sich im Wesentlichen durch Übung und Mut zum Experimentieren zustande bringen lässt.

In weiterer Folge sollen die Geräte schließlich von ihrem Erschaffer benutzt werden, sei es zur Produktion von elektronischer Musik oder sonstigen Audioproduktionen, oder aber einfach nur aus Spaß an der Sache. In jedem Fall stellen diese Anwendungsfälle kreative Prozesse dar, bei denen wie bei Synthesizer-DIY in erster Linie Spaß, Interesse und Enthusiasmus im Vordergrund stehen. (vgl. Wilson 2013, S. 3)

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Die Synthesizer-DIY Community hat wie viele andere ebenso, in Zeiten der globalen Vernetzung einen Aufschwung erlebt. Im Internet finden sich zahlreiche Webseiten, Blogs oder etwa YouTube-Videos, die sich mit dieser Thematik auseinandersetzen, Tipps bzw. Anleitungen liefern und einen Gedankenaustausch mit anderen ermöglichen.

Ein Synthesizer-DIY Projekt kann allgemein betrachtet in die Bereiche Forschung, Prototyping, Installation, Testen und Anwendung unterteilt werden, wobei die Übergänge zwischen diesen Bereichen fließend sind und die Abfolge nicht fest vorgegeben ist. Vielmehr hängen diese Tätigkeiten von einander ab und beeinflussen sich gegenseitig. So kann es zu jedem Zeitpunkt eines Projekts notwendig sein, gewisse Sachverhalte oder Ressourcen zu recherchieren, Teile der Schaltung zu Testen bzw. Ideen auszuprobieren oder Modifikationen der bisher verwirklichten Schaltung durchzuführen.

7.3.1 Forschung

Der erste Schritt, nachdem man sich eine Idee für ein Synthesizer-DIY Projekt in den Kopf gesetzt hat, ist eine Recherche nach benötigtem Wissen. Meist hat man zu Beginn keine fertige Schaltung ersonnen, sondern eine grobe Vorstellung davon, wie das Gerät im Endeffekt zur Anwendung kommen, bzw. welche Funktionen es aufweisen soll.

Zunächst muss herausgefunden werden, welche Schaltungen für den jeweiligen Verwendungszweck herangezogen werden können und ob eventuell noch Modifikationen an diesen benötigt werden. Hat man sich für eine Schaltung entschlossen, gilt es die benötigten Bauteile zu recherchieren und gegebenenfalls zu erwerben. Es empfiehlt sich, nach Möglichkeit immer ein paar Widerstände und Kondensatoren mit verschieden großen Werten sowie universell einsetzbare ICs, wie beispielsweise Operationsverstärker, bei der Hand zu haben. Werden speziellere Bauteile benötigt, ist es oftmals schon eine Herausforderung, diese aufzutreiben. Die Phase der Forschung ist sowohl zeit- als auch arbeitsaufwändig, jedoch ein wichtiger erster Schritt bei der Verwirklichung eines Projekts. Es kann zu jedem Zeitpunkt des Projekts relevant sein, sich Wissen und Informationen anzueignen, sowie nach Lösungen für auftretende Probleme zu recherchieren.

7.3.2 Prototyping

Hat man sich für die Realisierung einer bestimmten Schaltung entschlossen und die dafür notwendigen Bauteile bei der Hand, wird meist ein Prototyp der Schaltung aufgebaut, um

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diese anschließend auf ihre Funktionalität zu testen. Ein Prototyp kann sowohl auf einer Lochplatte gelötet, als auch auf einem Steckbrett aufgebaut werden. Der Einsatz eines Steckbretts bietet die Vorteile, dass man relativ schnell Schaltungen bilden kann und es einfach ist, Bauteile auszutauschen und die unterschiedlichen Ergebnisse zu beobachten. Zum Experimentieren und Ausprobieren sind Steckbretter hervorragend geeignet, bei komplexen Schaltungen jedoch wird es zum Teil sehr unübersichtlich und mitunter sehr schwierig, alle Bauteile darauf unterzubringen. Außerdem besteht die Gefahr, dass sich die Drähte zweier Bauteile berühren und dadurch einen ungewollten Kurzschluss verursachen. Ebenso können Drähte wieder aus dem Kontakt rutschen bzw. die Kontakte des Steckbretts schon so abgenutzt sein, dass kein bzw. nur ein Wackelkontakt an manchen Stellen vorhanden ist.

Bei umfangreicheren Schaltungen empfiehlt es sich, sofern die jeweilige Schaltung es zulässt, diese in mehrere kleinere Teilschaltungen zu gliedern und diese nach dem Experimentieren am Steckbrett als Prototyp auf eine Lochplatte zu Löten. Dadurch verringert sich allerdings wieder die Flexibilität bzw. wird es wesentlich zeitaufwändiger, erneut Änderungen an der Schaltung vorzunehmen. Wie eine solche Schaltung auf einem Steckbrett aussieht, zeigt Abbildung 91.

Abb. 91: Versuchsschaltung auf Steckbrett

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7.3.3 Installation

Zum Bereich der Installation kann zum Einen der fixe Aufbau der Schaltung auf einer Lochplatte, zum Anderen das Anfertigen eines Gehäuses sowie die Montage der Schaltung in diesem gezählt werden. Bei der Wahl eines Gehäuses kann man auf vorgefertigte Produkte aus Bau- und Elektronikmärkten zurückgreifen, oder seiner Kreativität freien Lauf lassen, selbst ein Gehäuse entwerfen und realisieren, oder z.B. sonstige Gegenstände zweckentfremden und die Schaltung in diesen verbauen.

In jedem Fall ist es dabei hilfreich, sich im Vorhinein Gedanken zu gestalterischen Aspekten und der Bedienoberfläche zu machen.

7.3.4 Testen

Das Testen ist ein wesentlicher Bestandteil eines jeden Synthesizer-DIY-Projekts, der sich in unterschiedlichen Zusammenhängen wiederfindet. Dies äußert sich beispielsweise beim Messen vom Bauteilen, ob diese auch wirklich dem gewünschten Wert entsprechen, bevor sie in die Schaltung integriert werden. Weist der zusammengebaute Prototyp keinerlei Funktionalität auf oder reagiert anders als erwartet oder im Testaufbau beobachtet, ist es wesentlich, die gesamte Schaltung von Anfang bis Ende zu überprüfen und die einzelnen Bestandteile auf ihre Funktionalität zu testen, um so einen eventuell falschen Aufbau oder fehlerhafte bzw. fehlende Kontakte zu ermitteln.

Weiters sollte die Schaltung über verschiedene Wiedergabesysteme getestet werden, da es hier immer wieder zu unerwarteten Ergebnissen kommen kann und eventuell noch notwendige Modifikationen der Schaltung herausgefunden werden können.

7.3.5 Anwendung

Hat man das Projekt für sich abgeschlossen und ist mit der Funktionalität, Gestaltung sowie Bedienoberfläche zufrieden, kommt es zur Anwendung des Geräts. Diese kann auf unterschiedlichste Art und Weise ausfallen, sei es zur Produktion von Musik oder Filmvertonung, als Musikinstrument im Live-Einsatz, oder einfach nur zur Freude und Unterhaltung des Erschaffers.

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7.3.6 Vorbereitung für erstes Synthesizer-DIY-Projekt

Wenn man keine Erfahrung im Umgang mit elektronischen Bauteilen hat und sich noch kein elektronisches Fachwissen angeeignet hat, man aber trotzdem unbedingt analoge DIY Synthesizer bauen will, hat man ein wenig Arbeit vor sich. Man benötigt kein Elektronikstudium, aber es gibt ein paar Grundlagen die man verinnerlicht haben sollte, bevor man darangeht eines der zahlreichen DIY-Synthesizer-Projekte zu realisieren.

7.3.6.1 Schaltbilder lesen können und verstehen

Elektronische Schaltungen werden in der Regel in Schaltbildern dokumentiert. Ein Schaltbild ist quasi eine schematische Übersicht über den Schaltkreis und zeigt den Weg den die Spannung durch die einzelnen Komponenten nimmt. Jeder elektronische Bauteil des Schaltkreises hat ein standardisiertes Symbol. Die wichtigsten davon sind in Kapitel 4 abgebildet. Eine einfache Verbindung zweier Komponenten wird beispielsweise mit einem Strich gekennzeichnet. Ein Schaltbild dient also zur Bestimmung, welche und wie viele Teile in einem gewissen Schaltkreis verbaut wurden, und wie diese miteinander in Verbindung stehen. Es entspricht jedoch weder der tatsächlichen Anordnung auf einer Platine oder einem Steckbrett, noch entsprechen die Längen der Verbindungswege des Schaltbildes denen des tatsächlichen Schaltkreises. (vgl. Wilson 2013, S. xiif) vgl. http://artsites.ucsc.edu/ems/music/tech_background/schematics/readschem.htm, zuletzt besucht 1. 8. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 7, Unterverzeichnis Schaltbilder bei).

7.3.6.2 Das Ohm’sche Gesetz kennen und verstehen

Das Grundlegendste und wichtigste Gesetz in der Elektronik U=R x I, ist essenziell in jeder Hinsicht. Geht es darum einen Ton höher oder niedriger zu machen, oder auch die Clock einer Schaltung schneller oder langsamer laufen zu lassen, so wird dies meist mit Widerständen bewerkstelligt. (vgl. Wilson 2013, S. xiif)

7.3.6.3 Verstehen wie aktive und passive Bauteile funktionieren

Es ist wichtig die Grundeigenschaften von Widerständen, Kondensatoren, Spulen, Relais, Schaltern, Transformatoren, sowie Dioden, IC´s, Transistoren und LED´s zu verstehen.

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Viele Anbieter von Elektronikbauteilen bieten auch kleine Lernpakete an, diese enthalten neben den nötigen Bauteilen und einem Steckbrett in der Regel ein Handbuch mit mehreren kleinen Projekten inklusive der benötigten Schaltbilder. Es empfiehlt sich auf jeden Fall mindestens ein Lernpaket von Anfang bis Ende durchzumachen, um wenigstens mit dem nötigsten Grundkenntnissen vertraut zu sein bevor man sich daran macht seinen ersten DIY Synthesizer zu verwirklichen. (vgl. Wilson 2013, S. xiif)

7.3.7 Essentielle, nützliche Werkzeuge beim Arbeiten an DIY-Projekten

Natürlich wäre es am Besten, man hätte ein voll bestücktes Elektroniklabor zur Verfügung, da die meisten DIY-er allerdings dem Ganzen nur als Hobby nachgehen, ist Platz und Budget meist eher beschränkt. Einige Werkzeuge dürfen dennoch nicht fehlen, einige andere wären zwar wünschenswert, können aber für den Anfang auch weggelassen, beziehungsweise durch andere Lösungen, ersetzt werden. Auf diese notwendigen Instrumente wird im Folgenden näher eingegangen und ihre Funktionen beschrieben. Ebenfalls werden Wege aufgezeigt um ein Gerät einsparen zu können.

7.3.7.1 Digitales Multimeter

Mit einem digitalen Multimeter lassen sich Spannungen, Ströme, Widerstände, Frequenzen und noch viel mehr messen. Je mehr Funktionen enthalten sind und umso genauer es misst, desto teurer sind diese Geräte. Auch die Anzahl der Nachkommastellen haben einen Einfluss auf den Preis. Da die Farbcodierung auf Widerständen etwas kryptisch ist und die Aufdrucke auf anderen Bauteilen meist sehr klein oder gar nicht vorhanden sind, erweist sich das digitale Multimeter schnell als bester Freund des DIY-ers. Wichtig bei der Arbeit mit einem digitalen Multimeter ist den Drehregler auf den richtigen Bereich einzustellen, da sonst die Messung ein ungenaues Ergebnis liefert. Zum Beispiel wenn man erwartet eine Spannung von 200mV zu messen, den Drehregler aber auf einen Messbereich von 10 V stellt, wird das Ergebnis mit großer Wahrscheinlichkeit um einiges ungenauer ausfallen, als es dies täte, würde ein Messbereich von 400 mV eingestellt sein. Was man beim Kauf eines digitalen Multimeters beachten sollte:

• mindestens 4 Stellen Display

• mindestens 2000 Zählpräzision

• 200mV oder niedriger als unterster DC Messbereich

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• Messungen essenziell: Gleichstrom und Wechselstrom, Spannung, Widerstand

• Messungen „good to have“: Kapazität, Frequenz

7.3.7.2 Handwerkzeug

Ein kleines Set an Handwerkzeug wird zur Arbeit mit elektronischen Komponenten benötigt. Da die verwendeten Bauteile meist sehr klein sind, sollten auch von den Werkzeugen eher kleinere Versionen gewählt werden. Die Mindestausstattung sollte folgende Werkzeuge beinhalten:

• Cutter Messer

• kleine schmale Greifzange

• Seitenschneider

• Pinzette

• Schraubendreher (Kreuz- und Schlitzdreher in verschiedenen Größen)

7.3.7.3 Steckplatine

Steckplatinen sind eine überaus praktikable Grundlage zum Aufbau diverser Versuchsschaltungen und gehören damit zum Brot und Butter Equipment eines DIY- Praktikers. Wie der Name schon sagt, werden die Bauteile in die Platine nur eingesteckt, ein Löten ist also nicht notwendig. Da das Löten und Entlöten beim Zusammenbau elektrischer Schaltungen im Normalfall sehr viel Zeit in Anspruch nimmt, eignet sich eine Steckplatine hervorragend um neue Schaltungen aufzubauen, um an ihnen zu experimentieren. Steckplatinen sind in verschiedenen Größen erhältlich, teilweise gibt es auch Versionen die an einem regelbaren Netzteil angebracht sind. Diese sind sehr empfehlenswert, da man speziell für Synthesizer Projekte gut brauchen kann.

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7.3.7.4 Krokodilklemmen

Krokodilklemmen erweisen sich als sehr praktisch um Verbindungen zwischen Bauteilen herzustellen, die nur temporär, oder aus Versuchszwecken verbunden werden sollen. Es gibt sie in unterschiedlichen Längen und man kann eigentlich nicht genug davon haben.

7.3.7.5 Lötstation

Lötstationen sind meist schon sehr günstig zu erwerben, worauf man jedoch in jedem Fall achten sollte, ist dass die Temperatur des Lötkolbens regelbar ist. Zu beachten ist, dass die ideale Löttemperatur zwischen 320 °C und 380 °C liegt. Idealerweise sollte auch eine adäquate Halterung für den Lötkolben, sowie ein kleiner Schwamm oder ein Drahtgeflecht zum Reinigen des Lötkolbens an der Station angebracht sein.

Abb. 92: Ideale Lötstation

7.3.7.6 Dritte Hand

Beim Löten kommt es oft vor, dass man sich in einer Situation befindet, in der eine dritte Hand nützlich wäre. Glücklicherweise gibt es ein Werkzeug, das genau diese Eigenschaft erfüllt. Es gibt dieses Werkzeug in verschiedenen Ausführungen, sogar mit Lupe und integriertem Licht, und wer es einmal benutzt wird es nicht mehr missen wollen.

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7.3.7.7 Drähte

Natürlich braucht man zum Aufbau von elektrischen Schaltungen Drähte um die einzelnen Bauteile untereinander verbinden zu können. Hierbei ist zu beachten dass zum Arbeiten mit Steckplatinen steife Drähte und zum Arbeiten mit dem Lötkolben sogenannte Schaltlitzendrähte praktikabel sind. Ein Querschnitt von 0,14 mm² der Drähte gilt als Standard bei DIY-Projekten, da diese Art Draht in den meisten DIY-Bausätzen enthalten ist. Weiters empfiehlt es sich, verschiedene Farben zu verwenden um die Schaltung übersichtlicher zu gestalten.

7.3.7.8 Oszilloskop

Es gibt analoge und digitale Oszilloskope, wobei die digitale Variante dieses Messgeräts mit einigen Zusatzfunktionen aufwarten kann. Grundsätzlich dienen Oszilloskope dem darstellen von Gleich- oder Wechselspannungen, deren Wellenformen und dem Messen von Amplituden und Frequenzen. Der zeitliche Spannungsverlauf wird dazu in einem zweidimensionalen Koordinatensystem dargestellt. Die Amplitude kann an der Y-Achse abgelesen werden, der zeitliche Verlauf und damit verbunden die Frequenz kann an der X- Achse gemessen werden.

Wichtig zu erwähnen ist, dass ein Oszilloskop zwar unumstritten nützlich, aber leider auch meist teuer ist. Umso besser ist es, dass es für dieses Gerät einen, wenn auch leider nicht ganz so genauen, Ersatz gibt. Zumindest wenn es sich um das Interpretieren eines Ausgangssignals eines Oszillators, LFO´s oder Operationsverstärkers handelt. In der heutigen Zeit steht in fast jedem Haushalt ein Computer oder Notebook. Mithilfe eines Rechners, einer Soundkarte und einer DAW lässt sich ein Oszilloskop in gewissem Maße substituieren. Um Beispielsweise die Wellenform eines Signals sichtbar zu machen, reicht es einfach ein kurzes Stück des Ausgangssignals des DIY-Synths mithilfe der DAW aufzuzeichnen. In weiterer Folge zoomt man sich soweit hinein bis die Wellenform klar ersichtlich ist. Die Frequenz kann einfach mit geeigneten Analyzer Plug-Ins abgelesen werden.

7.3.7.9 Schrumpfschläuche und Isolierband

Sollten offene Kontakte Gefahr laufen die Schaltung negativ zu beeinflussen, so macht es Sinn diese mit geeigneten Mitteln zu isolieren. Schrumpfschläuche und Isolierband sind die gängigsten und praktikabelsten Mittel dazu.

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7.4 Hardware-Hacking

Oft beginnt die Leidenschaft für elektronische Schaltungen nicht mit der Realisierung von eigenen Schaltkreisen, sondern mit dem Auseinandernehmen und Begutachten von Geräten die zur Audioausgabe fähig sind. Wenn man dann ungefähr ahnt welches Bauteil einen Sound beeinflusst, wird versucht an diesem Änderungen vorzunehmen.

Unter Hardware-Hacking versteht man im Wesentlichen das Re-funktionalisieren alter Elektronikgeräte. Anders als beim gemeinhin bekannten Software-Hacking werden hier nicht Programme in ihrer Funktion verändert, sondern eben verschiedenste elektronische Hardware-Geräte. Die Veränderungen der Funktion werden durch eine oder mehrere Modifikationen des Schaltkreises herbeigeführt. Manchmal werden bestimmte Teile einfach in anderer Reihenfolge miteinander verbunden, ein andermal werden Bauteile gegen andere ausgetauscht oder gänzlich entfernt. Der für uns interessante Teil des Hardware-Hackings beschäftigt sich vorzugsweise mit dem Manipulieren von Geräten oder Spielzeugen die zur Audioausgabe fähig sind. Beispielsweise lassen sich die Sprachausgabe von sprechenden Puppen in Lautstärke, Frequenz und Geschwindigkeit verändern, es kann aber auch aus einem alten Radio eine Art Noise-Synthesizer gebastelt werden. Die Möglichkeiten des Hardware-Hackings sind schier unbegrenzt. Oft werden neben dem Austausch von einzelnen Komponenten des Schaltkreises auch Arduino Bauteile verwendet, die einen besonders leichten und praktischen Zugang zum Hardware-Hacking bieten. Es gibt auch einige Künstler die sich auf den Bereich des Audio- und Video-Hardware-Hackings spezialisiert haben. Beispielsweise seien hier Benjamin Gaulon, die Mutoid Waste Company oder Marko Ciciliani genannt, die alle auf verschiedene Weise Hardware-Hacking betreiben, um ihrer Kunst mehr Ausdruck zu verleihen, oder teilweise eigene Kunstformen entwickelt haben.

In dem Buch "Handmade Electronic Music - The Art of Hardware Hacking" von Nicolas Collins werden einem die Grundlagen des Hardware Hackings näher gebracht und verschiedene simple Beispiele vorgestellt. Für Beginner bietet dieses Buch also eine solide Grundlage um in die Materie des Hardware-Hackings einzutauchen und erste Erfahrungen zu sammeln. Die wichtigsten Regeln die es zu beachten gilt, wenn man vor hat Audioschaltungen zu manipulieren, entstammen größtenteils dem oben erwähnten Buch und sind ebenso simpel wie essenziell.

Generell ist es wichtig, nicht zu zimperlich mit der zu Grunde liegenden Hardware umzugehen, erstens sind elektronische Bauteile in den wenigsten Fällen nicht

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unerschwinglich teuer und zweitens wird entsprechender Mut auch meist mit unerwarteten Ergebnissen belohnt. Des Weiteren ist es, besonders für Elektronik-Neulinge, wichtig nichts zu zerlegen das zur Stromversorgung nicht auf Batterien zurückgreift, da es beim Kontakt mit Wechselspannungen zu ernsthaften gesundheitlichen Problemen kommen kann. Wo wir schon beim Auseinandernehmen von Geräten sind bietet es sich an, darauf hinzuweisen, dass es immer einfacher ist Geräte auseinander zu nehmen, als diese wieder erfolgreich zusammen zu bauen. Darum ist es wichtig sich immer Notizen zu machen welche Änderungen am Gerät vorgenommen werden. Dies hat zudem auch noch zusätzlich den Vorteil, dass im Falle dass das Gerät doch seinen Geist aufgibt, die Schaltung reproduziert werden kann. Da es immer vorkommen kann, dass die Schaltung aufgrund der Modifikation nicht mehr richtig, oder gar nicht mehr funktioniert, ist es vor allem wichtig, wenn man einmal mit einem Ergebnis zufrieden ist, dieses so schnell wie möglich auf einem Datenträger aufzunehmen. Generell sollte man es vermeiden die Batterie nicht entsprechend der Polarität anzuschließen, bzw. den Schaltkreis durch zufällige Verbindungen, Beispielsweise mit einem Schraubendreher kurzzuschließen, da dies in den Meisten Fällen den Schaltkreis zerstört. Im Bereich der Elektronik kann man von Zeit zu Zeit auf interessante Erkenntnisse und Ergebnisse stoßen, wenn man die Signalkette einfach umdreht, manchmal kommt es dabei aber leider auch zu irreversiblen Schäden. Beispielhaft dafür ist es ein Mikrofon als Lautsprecher, oder einen Lautsprecher als Mikrophon zu verwenden, dies funktioniert jedoch nur mit dynamischen Mikrophonen. Beim Versuch ein Kondensatormikrophon als Lautsprecher zu betreiben kann dieses leicht Schaden nehmen oder in Zukunft jegliche Funktion verweigern. Audioverbindungen sollten zur Vermeidung von Interferenzen immer mit geschirmten Kabeln ausgeführt werden. Sollte es bei einem, gerade noch funktionierendem Schaltkreis, dazu kommen, dass er verstummt, bzw. die weitere Funktion verweigert, muss es nicht sein, dass dieser kaputt ist. In einigen Fällen reicht es die Batterie abzuschließen und sie dann erneut anzuschließen, also einen Reset durchzuführen und die Schaltung funktioniert wieder. Wenn man verschiedene Schaltkreise miteinander verbinden will, ist es immer ratsam für jeden Schaltkreis eine eigene Batterie zu verwenden, da es ansonsten oft zu unerwünschtem Rauschen, oder sonstigen ungewollten Interferenzen kommen kann. Dies betrifft vor allem Schaltungen die ihr Signal zu einem gemeinsamen Verstärker führen. Beim Arbeiten an Sound-Schaltungen ist es empfehlenswert die Funktion so früh als möglich nach jeder Änderung die man durchführt zu testen, um bösen Überraschungen vorzubeugen. Beim Arbeiten mit Steckplatinen kommt man rasch zu guten Ergebnissen, das Löten von eigenen Schaltkreisen ist jedoch noch einmal etwas Anderes. Man ist gut beraten, eine einwandfrei funktionierende gesteckte Schaltung nicht zu zerlegen, damit man bei Bedarf ein geeignetes Vorbild hat. Bei integrierten Schaltungen ist es essenziell die Stromversorgung mit den explizit dafür ausgewiesenen Pins zu verbinden,

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auch wenn die Stromversorgung aus anderen Gründen bereits auf andere Pins des IC´s geleitet wird, da ansonsten Teile des Chips oder die gesamte integrierte Schaltung nicht funktionieren. (vgl. Collins 2009, S. 306f)

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8 Dokumentation

Im Zuge der Projektarbeit im Wintersemester 2012/2013 sowie im Sommersemester 2013 wurden einige Klangerzeugungs- bzw. -bearbeitungsmodule realisiert. Diese sind im Folgenden dokumentiert und werden dabei im Hinblick auf Anwendungsmöglichkeiten reflektiert.

8.1 Atari Punk Console / APC Photosynth

Die Atari Punk Console (APC) beruht auf einem Schaltplan, der in den 1970er Jahren von Forrest Mims als „Stepped Tone Generator“ entwickelt wurde. Diese Schaltung wurde in einer leicht modifizierten Version als Atari Punk Console bekannt und erfreut sich vor allem bei Einsteigern in die Welt des Synthsizer-DIY großer Beliebtheit. Im Internet finden sich unzählige Webseiten die diese Schaltung vorstellen bzw. DIY-er, die ihre Version der Atari Punk Console präsentieren. vgl. http://makezine.com/2011/09/13/collins-lab-atari-punk- console/, zuletzt besucht 5. 8. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis makezine.com bei).

Die APC beruht auf zwei NE555 Timer ICs. Diese universell einsetzbaren ICs können durch äußere Beschaltung unter anderem als astabile, monostabile und bistabile Kippstufe konfiguriert werden. Weitere Formen sind die ICs NE556 mit zwei und NE558 mit vier NE555 Timern.

8.1.1 Funktionsbeschreibung

Ein Timer (IC1-A) ist als astabile Kippstufe konfiguriert und generiert dadurch am Ausgang ein Rechteck-Signal. Die Frequenz dieses Signals wird durch die Werte von R1, R2 und C1 bestimmt, durch verändern des Werts von R1 kann die Frequenz variiert werden.

Das Ausgangssignal des ersten Timers triggert den zweiten (IC1-B), der als monostabile Kippstufe beschaltet ist. Dieser generiert das Audiosignal, in dem er am Ausgang Impulse liefert, deren Dauer abhängig von R3 und C2 sind. Ist die Periodendauer von IC1-A größer als die Impulsdauer von IC1-B, wird der Impuls von IC1-B mit jeder Periodenpause von IC1-

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A getriggert, die Tonhöhe entspricht dann der Frequenz von IC1-A. Wird die Frequenz von IC1-A erhöht, steigt auch die Tonhöhe des ausgegeben Signals von IC1-B. Dies geschieht solange, bis die Periodendauer von IC1-A kürzer wird als die Impulsdauer von IC1-B. Dann wird IC1-B nur mehr bei jeder zweiten Schwingungsperiode von IC1-A getriggert, wodurch sich die Frequenz des Ausgangssignals von IC1-B halbiert und die Tonhöhe um zirka eine Oktave verringert wird.

In der Version des „APC Photosynth“ wurden für die Widerstände R1 und R3 lichtempfindliche Fotowiderstände benutzt. Dadurch kann die Tonhöhe durch das Spiel mit Licht und Schatten variiert werden, was eine Theremin ähnliche Steuerung ermöglicht.

8.1.2 Bauteile und Schaltplan

Folgende Bauteile wurden für den APC Photosynth verwendet:

Bauteil Bezeichnung 9V Batterieclip - 1 kΩ Widerstand R6 4,7 kΩ Widerstand R5 10 kΩ Widerstand R2, R4 500 kΩ Fotowiderstand R1, R3 100 nF Folien-Kondensator C1, C2, C3, C4 10 µF Elektrolyt-Kondensator C5 Universaldiode 1N4148 D1, D2 IC NE556 IC1 Leuchtdiode grün LED1 Schalter SPDT S1 Klinkenbuchse mono 3,5mm CV-In, A-Out Tabelle 02: Bauteile des APC Photosynth

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Abb. 93: Schaltplan des APC Photosynth

8.1.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche

Als Gehäuse für den APC Photosynth wurde aus zwei Kunststoff-Schalen eine Art aufklappbarer Koffer erstellt, dessen Größe 6,2 cm x 4,8 cm x 3,2 cm beträgt.

An der Außenseite befinden sich ein Ein/Aus Schalter, eine grüne LED um den eingeschalteten Zustand zu signalisieren, sowie jeweils eine 3,5 Millimeter mono Klinkenbuchse als Modulationseingang und Audioausgang. Im Inneren befindet sich die Lochplatte, auf welcher unter anderem auch die Tonhöhe-bestimmenden Fotowiderstande angebracht sind.

Um die Tonhöhe zu variieren, kann man beispielsweise den Deckel mehr oder weniger stark öffnen, um den Lichteinfall zu steuern. Eine weitere Möglichkeit ist es, in aufgeklapptem Zustand mit den Händen oder sonstigen Gegenständen einen Schatten über die Fotowiderstände zu werfen. Durch den Abstand zwischen dem schattenwerfenden Gegenstand und den Fotowiderständen, kann ebenfalls die Intensität des Lichteinfalls variiert werden.

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Abb. 94: APC Photosynth

8.1.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen

Aufgrund der Werte der verwendeten Bauteile umfasst der APC Photosynth einen Frequenzbereich von ungefähr 1,7 Hz bei absoluter Dunkelheit bis in etwa 500 Hz bei Sonnenlicht. Das entspricht ca. vier Oktaven im hörbaren Bereich. Dadurch ist es möglich, einfache Melodien zu spielen, allerdings können Intervalle kaum exakt bestimmt, sondern nur durch Herantasten ungefähr getroffen werden. Hinzu kommt, dass sich die zwei Timer gegenseitig beeinflussen, was zu abrupten Sprüngen in der Tonhöhe führt. Dies erschwert das Spielen von Melodien im Sinne einer fix vorgegeben Tonabfolge, kann jedoch zu interessanten klanglichen Ergebnissen führen.

In Kombination mit dem 8-Step-Sequencer kann die Tonhöhe in einem kleinen Bereich geändert werden, dadurch können rhythmische Sequenzen erzeugt werden, die in weiterer Folge noch durch das Spiel mit Licht und Schatten in der Tonhöhe variierbar sind.

Erfolgt die Änderung des Lichteinfalls auf R3 in geringem Ausmaß, kann man auch die Klangfarbe ein wenig beeinflussen, da dadurch die Pulsbreite und somit die Wellenform verändert wird.

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8.2 8-Step-Sequencer

Der 8-Step-Sequencer ist eine Schaltung zur Generierung einer Steuerspannung für diverse weitere Schaltungen, etwa einem VCO, VCF oder VCA. Diese Schaltung wird sowohl im Internet häufig auf Synthesizer-DIY Webseiten vorgestellt und findet sich auch in Literaturquellen wieder. Damit ist es möglich, eine Sequenz aus acht Schritten mit einer individuell einstellbaren Ausgangsspannung zu erzeugen. (vgl. Collins 2009, S. 207ff)

Der 8-Step-Sequencer besteht aus den integrierten Schaltungen CD4017, einem Dekadenzähler, sowie dem Timer NE555.

8.2.1 Funktionsbeschreibung

Der NE555 Timer ist als astabile Kippstufe konfiguriert und erzeugt ein Taktsignal für den Dekadenzähler. Bei jedem Impuls am Clock-Eingang schaltet der Dekadenzähler einen Ausgang weiter. An den Ausgängen 0 bis 7 des CD4017 führt der Signalweg jeweils über ein lineares 100 kΩ Potentiometer und eine Diode zum CV-Ausgang. Ausgang 8 des Dekadenzählers setzt einen Impuls an den Reset-Eingang, wodurch die Sequenz erneut gestartet wird. Mit einem weiteren Potentiometer kann man die Frequenz des NE555 Timers, also die Geschwindigkeit mit der die Sequenz abgespielt wird, einstellen. Außerdem kann man über zwei Taster an dem Reset- und invertierten Clock-Eingang eine Sequenz manuell neu starten oder pausieren.

8.2.2 Bauteile und Schaltplan

Bauteil Bezeichnung 9V Batterieclip 1 kΩ Widerstand R1, R4, R7 – R14 4,7 kΩ Widerstand R2 100 kΩ Widerstand R5, R6 100 kΩ lineares Potentiometer R15 – R22 470 kΩ logarithmisches Potentiometer R3 4,7 µF Elektrolyt-Kondensator C1

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100 nF Folien-Kondensator C2

Leuchtdiode LED1 - LED9 Universaldiode 1N4148 D1 - D8

IC NE555 IC1 IC CD4017 IC2 Schalter SPDT S1 Schalter SPST N.O. S2, S3

Klinkenbuchse mono 3,5 mm CV-Out

Tabelle 03: Bauteile des 8-Step-Sequencer

Abb. 95: Schaltplan des 8-Step-Sequencers

8.2.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche

Da der 8-Step-Sequencer, wie der Name schon sagt, aus acht verschiedenen Schritten besteht, wurde dafür eine transparente, achteckige Box gewählt. Von oben betrachtet befindet sich zentral in der Mitte das Potentiometer zur Einstellung der Taktgeschwindigkeit, an den Ecken befinden sich die acht Potentiometer zur Einstellung der Ausgangsspannungen. Schritt Nummer 1 befindet sich an der oberen Seite etwas links, die nachfolgenden Schritte verlaufen im Uhrzeigersinn um die Box herum. Durch das Gesetz der Geschlossenheit wirkt diese Anordnung fast kreisförmig. Die grünen Leuchtdioden, die den aktiven Schritt kennzeichnen, wurden auf einer eigenen Lochplatte ebenfalls achteckig angeordnet und unterhalb des Deckels im Inneren montiert. Die rote Leuchtdiode, die im

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Takt des NE555 Timers blinkt, befindet sich innerhalb des Gehäuses auf der Grundplatte, ist aber aufgrund der Transparenz der Box gut ersichtlich.

Die zwei Taster zum Pausieren und erneut Starten sind an der Oberseite etwas unterhalb des Geschwindigkeit-Potentiometers angebracht, der Ein/Aus Schalter sowie die CV-Out Buchse befinden sich dem Benutzer zugewandt an der Außenseite.

Abb. 96: 8-Step-Sequencer

8.2.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen

Der NE555 Timer generiert einen Takt im Frequenzbereich von ca. 0,3 Hz bis 27,8 Hz, das entspricht einem Songtempo von ungefähr 8,3 bpm bis 833,3 bpm. Lässt man den Sequenzer automatisch durchlaufen, ist man an binäre Taktarten gebunden. Prinzipiell hat man durch die acht Schritte einen Takt mit Achtelnoten zur Verfügung, abhängig von der Geschwindigkeit kann man einen Schritt auch als Note mit anderer Länge auffassen.

Einen ternären Takt zu erzeugen ist nur möglich, in dem man die Sequenz rhythmisch nach 3 bzw. 6 Schritten manuell zurücksetzt. Eine denkbar mögliche Erweiterung wäre ein

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Dreiweg-Schalter, um den Reset-Impuls nach sechs, sieben oder acht Schritten einzuleiten, wodurch man einen 6/8 und 7/8 Takt automatisch ablaufen lassen könnte.

In der momentanen Ausführung eignet sich der 8-Step-Sequencer, um eine Grundstruktur zu erzeugen, die man dann durch Steuerung der angespielten Geräte sowie des Sequenzers variieren kann.

8.3 Yellow Fellow

Der Yellow Fellow ist ein sechsfach Oszillator mit zwei verschiedenen Ausgängen. Die sechs Oszillatoren erzeugen Rechteckschwingungen, wobei jeweils drei Oszillatoren auf einen Ausgang geroutet sind und miteinander kombiniert werden können. Mit dem Yellow Fellow lassen sich polyphone Klänge, sowie eine Art Frequenzmodulation umsetzen.

8.3.1 Funktionsbeschreibung

Der Yellow Fellow basiert auf dem IC CD40106, dieser beinhaltet sechs invertierende Schmitt-Trigger. Ein invertierender Schmitt-Trigger liefert am Ausgang den Wert 1, in diesem Fall +9V, wenn am Eingang der Wert 0, in diesem Fall 0V, anliegt und umgekehrt. Beim Einschalten liegen am Eingang 0 Volt an, dadurch schaltet der Ausgang auf +9 Volt. Zwischen Ausgang und Eingang befindet sich ein Rückkopplungsweg aus einem 1 kΩ Vorwiderstand und einem 1 MΩ Potentiometer, über welche ein Kondensator zwischen Eingang und Masse geladen wird. Wird die Betriebsspannung erreicht, schaltet der Schmitt- Trigger auf 0V um, der Kondensator wird gegen Masse entladen und die nächste Schwingungsperiode wird eingeleitet. Durch das Potentiometer lässt sich die Zeitkonstante des RC-Glieds und somit die Frequenz der Rechteckschwingung verändern. Dieses Prinzip wurde für alle sechs Oszillatoren angewendet.

Die ersten drei Oszillatoren werden über drei Widerstände sowie drei Potentiometer zusammen gemischt, wobei man mit diesen Drehreglern den Pegel bzw. Lautstärke des jeweiligen Oszillators einstellen kann. Für diese drei Oszillatoren besteht die Möglichkeit, zwischen andauerndem Klang oder Auslösen des Klangs durch Triggerung umzuschalten.

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Die anderen drei Oszillatoren sind über drei Dioden zusammengeführt. Dadurch modulieren sich diese drei Oszillatoren gegenseitig. Im Bereich unterhalb der Hörgrenze erzeugt dies einen Gating-Effekt, befinden sich die Frequenzen im hörbaren Bereich, tritt eine Art Frequenzmodulation auf.

8.3.2 Bauteile und Schaltplan

Bauteil Bezeichnung 9V Batterieclip -

1 kΩ Widerstand R1, R2, R3, R20 4,7 kΩ Widerstand R13, R14, R15, R19 10 kΩ Widerstand R7, R8, R9 100 kΩ logarithmisches Potentiometer R10, R11,R12 1 MΩ logarithmisches Potentiometer R4, R5, R6, R16, R17, R18 100 nF Folien-Kondensator C2, C3, C4, C6, C7 10 µF Elektrolyt-Kondensator C5 120 µF Elektrolyt-Kondensator C1 Universaldiode 1N4148 D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9 IC CD40106 IC1 Leuchtdiode LED1 Schalter SPST S1 Schalter SPST N.O. S3 Schalter SPDT S2 Klinkenbuchse mono 3,5mm CV-In1, A-Out1, CV-In2, A-Out2 Tabelle 04: Bauteile des Yellow Fellow

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Abb. 97: Schaltplan des Yellow Fellow

8.3.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche

Als Gehäuse des Yellow Fellow dient eine schlichte Kartonbox in gelber Farbe. An der Oberseite befinden sich die neun Potentiometer, mit denen die Parameter der sechs Oszillatoren eingestellt werden können. Diese sind in Reihen und Spalten angeordnet und in zwei optisch voneinander unterteilte Blöcke geteilt, um die Bedienelemente der zwei verschiedenen Ausgänge leichter richtig zu unterscheiden. Darunter befinden sich auf der Seite des ersten Blocks der Taster zum Triggern sowie der Schalter zum Umschalten zwischen den verschiedenen Spielmodi.

An der dem Benutzer zugewandten Außenseite befinden sich vier Klinkenbuchsen für zweimal CV-In und Audio-Out. Diese sind ebenfalls in zwei Blöcke unterteilt, um die Zugehörigkeit der Potentiometer zu den jeweiligen Ausgängen zu verdeutlichen. Die Eingangsbuchse für eine Steuerspannung befindet sich pro Block auf der linken, der Audioausgang auf der rechten Seite. Da es die meisten Menschen des westlichen Kulturkreises gewohnt sind, von links nach rechts zu lesen, erscheint diese Anordnung der Buchsen, im Hinblick auf den Signalfluss für sinnvoll. Daneben gibt es an der rückwärtigen Seite einen Ein/Aus Schalter, sowie eine rote LED an der Oberseite links oben, die den eingeschalteten Zustand signalisiert.

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Abb. 98: Yellow Fellow

8.3.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen

Der erste Block des Yellow Fellow ermöglicht es, drei Töne miteinander zu mischen. So kann man sich damit beispielsweise Akkorde und Flächenklänge erstellen, sowie Phasing- und weitere Schwebungseffekte erreichen. Die drei Oszillatoren des ersten Blocks lassen sich in einem Frequenzbereich von ca. 17 Hz bis 12 kHz einstellen, wobei ein großer Teil des nutzbaren, auditiv wahrnehmbaren Frequenzbereichs damit umfasst wird. Mit den Lautstärke-Potentiometern können die Oszillatoren individuell zwischen dem Maximalpegel und Nullpegel geregelt werden. Mit dem SPDT-Schalter kann der Spielmodus gewählt werden. Bei einem Modus werden die Signale der drei Oszillatoren direkt an den Ausgang geleitet, dadurch wird ein andauernder Klang ausgegeben. Befindet sich der Schalter in der anderen Stellung, werden die Signale erst bei Schließen des Tasters zum Ausgang weitergeleitet.

Die Oszillatoren des zweiten Blocks sind über Dioden gemischt, wodurch sie sich gegenseitig modulieren. Einer der Oszillatoren wurde mit einem größeren Kondensator realisiert, dadurch reicht dessen einstellbarer Frequenzbereich vom Metronombereich bei etwa 0,13 Hz bis in den hörbaren Bereich bei etwa 586 Hz. Die anderen beiden Oszillatoren

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umfassen einen Bereich von ca. 17 Hz bis an die Obergrenze des auditiv wahrnehmbaren Frequenzumfangs bei ca. 18 - 20 kHz.

Eine wesentliche Beschränkung besteht darin, dass der Yellow Fellow nur in sehr geringem Ausmaß über eine Steuerspannung anzuspielen ist. Beim ersten Block wird die Tonhöhe bei maximaler Ausgangsspannung des 8-Step-Sequencers um etwa einen Halbton verändert. Beim zweiten Block lässt sich die Tonhöhe durch eine Steuerspannung etwas mehr variieren, allerdings sind die Ergebnisse nicht wirklich vorhersehbar und hängen von den Einstellungen der frequenzbestimmenden Potentiometer ab.

Allerdings kann mit dem Sequenzer eine rhythmische Betonung erreicht werden, die anschließend durch Drehen der Potentiometern variiert werden kann. Prinzipiell ist es möglich, mit den drei Oszillatoren einen Akkord zusammenzumischen. Da Variationen eines Akkords allerdings kaum sinnvoll im direkten Spiel umzusetzen sind, ist dies eher ein seltener Anwendungsfall. Es wäre allerdings denkbar, sich mit dem Yellow Fellow Samples zu erstellen, die man anschließend auf anderen Geräten nutzt.

Der Trigger-Modus erlaubt eine äußerst intuitive Steuerung, durch rhythmisches Betätigen des Tasters und Drehen der frequenzbestimmenden Potentiometer können auf einfache Weise Melodien erzeugt werden. Dabei ist es eher schwer, musikalische Intervalle auf Anhieb zu treffen, jedoch ermöglicht es dem Benutzer eine direkte Spielweise, die sich in musikalischen Kontexten nutzen lässt.

8.4 One-Octave-Oscillator

Der One-Octave-Oscillator basiert ebenfalls auf einem NE555 IC, der als astabile Kippstufe konfiguriert ist. Im Gegensatz zur Grundschaltung kann hier der Tonumfang mit dem 8-Step- Sequencer ungefähr im Bereich einer Oktave variiert werden.

8.4.1 Funktionsbeschreibung

Der NE555 Timer ist als astabile Kippstufe konfiguriert, allerdings wurden einige Änderungen an der Grundschaltung des Datenblatts vorgenommen. Zwischen dem Discharge und

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Trigger bzw. Threshold Pin gibt es zwei Leitungen für die Auf- bzw. Entladung des frequenzbestimmenden Kondensators. Diese Leitungen sind durch Dioden voneinander getrennt. Der Discharge Pin wird, im Gegensatz zur Grundschaltung, nicht mit der Betriebsspannung, sondern über einen Widerstand mit dem CV-Eingang verbunden. Zwischen dem Ausgang des NE555 und dem Trigger bzw. Threshold befindet sich ein Rückkopplungswiderstand. Dieser ist als Potentiometer ausgeführt, mit welchem die Grundfrequenz des Oszillators eingestellt werden kann. Wird dem OOO eine Steuerspannung zugeführt, verkürzt sich die Aufladezeit des Kondensators. Dadurch wird einerseits die Frequenz höher, allerdings auch die Pulsweite immer schmaler, wobei die Dauer des Impulses mit zunehmender Tonhöhe geringer wird.

8.4.2 Bauteile und Schaltplan

Bauteil Bezeichnung 9V Batterieclip - 1 kΩ Widerstand R1, R2, R8 4,7 kΩ Widerstand R4, R7 10 kΩ Widerstand R6 1 MΩ Widerstand R3 100 kΩ lineares Potentiometer R5 100 nF Folien-Kondensator C2, C3 10 µF Elektrolyt-Kondensator C1 Universaldiode 1N4148 D1, D2 IC NE555 IC1 Leuchtdiode LED1 Schalter SPST S1 Schalter SPST N.O. S3 Schalter SPDT S2 Klinkenbuchse mono 3,5mm CV-In, A-Out Tabelle 05: Bauteile des One-Octave-Oscillator

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Abb. 99: Schaltplan des One-Octave-Oscillator

8.4.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche

Das Design des One-Octave-Oscillator ist relativ schlicht ausgefallen. Als Gehäuse dient ein schwarzes Plastikcase, an dessen linker Rückseite sich ein Ein/Aus Schalter befindet. An der Oberseite befindet sich links oben eine rote LED, die auf den eingeschalteten Zustand hinweist. Die im Schaltplan abgebildete Schaltung wurde in doppelter Ausführung angefertigt. Für jeden der zwei Oszillatoren gibt es ein Potentiometer, mit dem sich die Grundfrequenz einstellen lässt, sowie einen Schalter und einen Taster. Diese sind in zwei Spalten gruppiert, um die Zugehörigkeit der Steuerbauteile zum jeweiligen Oszillator zu verdeutlichen. An der Vorderseite befinden sich vier Klinkenbuchsen als Eingänge für Steuerspannungen und Ausgänge für Audiosignale. Diese sind auf Höhe der Spalten der Steuerbauteile platziert, wobei sich die Eingänge für Steuerspannung links, die Audioausgänge rechts angeordnet sind.

Abb. 100: One-Octave-Oscillator 164

8.4.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen

Beim One-Octave-Oscillator kann die Grundfrequenz in einem Bereich von ca. 50 bis 1170 Hz variiert werden. Das entspricht etwas mehr als vier Oktaven. Das Modul kann wahlweise einen Dauerton ausgeben, oder die Tonausgabe mit einem Taster getriggert werden. Letztere Variante ermöglicht eine intuitive Art des Musizierens, wobei mit vier Oktaven im unteren bis mittleren Frequenzbereich ein musikalisch gut nutzbarer Bereich zur Verfügung steht.

Im Modus des Dauertons eignet sich der One-Octave-Oscillator, um von externen Geräten, wie z.B. dem 8-Step-Sequencer, automatisierte Steuerspannungen zu empfangen. Mit der Ausgangsspannung des 8-Step-Sequencers zwischen 0 und 7 Volt, kann die Tonhöhe in größerem Maße beeinflusst werden, als bei den bisher genannten selbstgefertigten Oszillatoren. Was in diesem Zusammenhang auffällt ist, dass die Änderungen der Tonhöhe zunehmend geringer ausfallen, je höher die Grundfrequenz des One-Octave-Oscillators eingestellt ist. Befindet sich diese im tiefen Bereich, kann man die Tonhöhe mit der Steuerspannung des 8-Step-Sequencers um etwas mehr als eine Oktave variieren. Mit etwas Feingefühl ist es dadurch möglich, eine Abfolge von musikalischen Intervallen zu erzeugen. Wird nun die Grundfrequenz des Oszillators erhöht, klingt die melodische Folge zwar immer noch ähnlich, allerdings werden die eingestellten Intervalle mit zunehmender Tonhöhe weiter verfälscht.

8.5 HP/LP-Filter

Der HP/LP-Filter ist ein Filtermodul zur Bearbeitung von Audiosignalen im Spektralbereich. Es stehen dabei ein Tiefpass und ein Hochpass zur Verfügung, die sich auch zu einer Bandsperre zusammenmischen lassen.

8.5.1 Funktionsbeschreibung

Der HP/LP-Filter besteht aus einem aktiven Tiefpass zweiter Ordnung, sowie einem aktiven Hochpass zweiter Ordnung und wurde mit dem vierfach Operationsverstärker TL074 realisiert. Zunächst wird das Eingangssignal durch die erste Operationsverstärkerstufe als invertierenden Impedanzwandler gepuffert. Dieses Signal wird zu zwei weiteren Stufen

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geleitet, wobei eine als Tiefpass, die andere als Hochpass konfiguriert ist. Die Ausgänge der beiden Filterstufen werden gemeinsam in einen Summierverstärker geleitet, wobei man mit zwei Potentiometern den Pegel vom Tief- sowie Hochpass regeln kann. Über zwei weitere Potentiometer kann die Grenzfrequenz der beiden Filter individuell eingestellt werden, wobei die Grenzfrequenz des Tiefpass von ca. 70 Hz bis 7 kHz, die des Hochpass von ca. 150 Hz bis etwas über 20 kHz variiert werden kann.

8.5.2 Bauteile und Schaltplan

Bauteil Bezeichnung 9V Batterieclip -

1 kΩ Widerstand R22 1,5 kΩ Widerstand R5, R7, R11, R13 4,7 kΩ Widerstand R1, R2, R9, R10, R23, R24 2,2 kΩ Widerstand R15, R17, R19, R20, R21 10 kΩ Widerstand R3, R4 100 kΩ lineares Potentiometer (Mono) R16, R18 100 kΩ lineares Potentiometer (Stereo) R6, R8, R12, R14 10 nF Folien-Kondensator C5, C6, C7, C8 10 µF Elektrolyt-Kondensator C4, C9 47 µF Elektrolyt-Kondensator C2, C3 220 µF Elektrolyt-Kondensator C1 IC TL074 IC1 Leuchtdiode LED1 Schalter SPST S1 Klinkenbuchse mono 3,5mm A-In, A-Out Tabelle 06: Bauteile des HP/LP-Filter

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Abb. 101: Schaltplan des HP/LP-Filter

8.5.3 Design Gehäuse und Benutzeroberfläche

Das Gehäuse des Filtermoduls ist ein graues Plasitkcase. Im Generellen ist das äußere Design sehr schlicht, dem Benutzer stehen vier Drehregler zum Einstellen der klangbestimmenden Parameter zur Verfügung. Diese sind in Zeilen angeordnet und entsprechend gekennzeichnet. Daneben gibt es einen Ein/Aus Schalter an der Rückseite, eine LED zur Darstellung des aktiven Zustands, sowie einen Audioeingang auf der linken, einen Audioausgang auf der rechten Seite.

Abb. 102: HP/LP-Filter

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8.5.4 Möglichkeiten der Anwendung und ihre Grenzen

Die Frequenzbereiche, in welchen die beiden Filter ihre Grenzfrequenz variieren können, umfassen den wichtigsten Bereich des auditiv wahrnehmbaren Spektrums. In dem der Pegel eines Filters komplett herunter geregelt wird, kann man den HP/LP-Filter wahlweise als Hochpass oder Tiefpass benutzen. Indem die Ausgangssignale beider Filter zusammengemischt werden, lassen sich ebenfalls eine Bandsperre sowie ein Bass/Höhen- Equalizer realisieren. Durch das Drehen der Potentiometer können auch „Wah Wah“ Effekte erzeugt werden.

Bei diesem Filtermodul gibt es keine Möglichkeit, die Resonanz des Filters zu regeln. Ebenfalls ist es nicht möglich, die Parameter Grenzfrequenz und Mischpegel über Steuerspannungen zu beeinflussen. Der HP/LP-Filter eignet sich, um Audiosignale in der spektralen Zusammensetzung zu bearbeiten und dadurch die Klangfarbe der erzeugten Sounds zu verändern. So kann beispielsweise einem scharf klingenden Rechtecksignal durch Tiefpassfilterung ein weicherer Klang verschafft werden.

8.6 Noise Toaster

Der Noise Toaster ist ein nicht-modularer, bzw. normalisierter Synthesizer, dies bedeutet dass es keine Möglichkeit gibt die Module mittels Patchkabeln miteinander zu verbinden. Die einzelnen Module sind intern miteinander verbunden und man kann das Signal mittels mehrerer Schalter vom VCO über die gewünschten Module bis zum Ausgang leiten. Die Stromversorgung erfolgt über eine 9 V Blockbatterie, kann bei Bedarf aber auch über eine andere 9 V Gleichspannungsquelle erfolgen. Der Synthesizer ist relativ simpel gehalten, und eignet sich sehr gut für Beginner als Einsteigerprojekt.

8.6.1 Die Module

Der Noise Toaster besteht aus sieben Hauptmodulen, die zur Klangerzeugung und Klangformung dienen.

• Rauschgenerator (White noise generator)

• Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)

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• Resonanzfähiger Spannungsgesteuerter Tiefpass-Filter (VCF)

• Spannungsgesteuerter Verstärker (VCA)

• Niederfrequenzoszillator (LFO)

• Attack - Release Hüllkurvengenerator (AREG)

• 1 Watt Verstärker

Abb. 103: Blockdiagramm Noise Toaster

8.6.2 White noise generator

Das Ausgangssignal des white noise generators kann mittels Eingangssignal-Wahlschalter in den Signaleingang des Filters geleitet werden. Mit der Hilfe des Rauschgenerators ist es möglich Geräusche, wie beispielsweise den Sound von einer Meeresbrandung, Wind, Explosionen, oder jedes andere auf white-noise basierende Geräusch nachzubilden. (vgl. Wilson 2013, S. 59)

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8.6.3 Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)

Der spannungsgesteuerte Oszillator erzeugt Rampen- und Rechteckschwingungen. Die Rampenfunktion ist das gespiegelte Abbild einer Sägezahn Funktion, die Rechteckschwingung des Noise-Toasters zeichnet sich dadurch aus dass ihr Duty-Cycle ca. 50 % beträgt. Jede dieser Wellenformen kann einzeln mittels Eingangssignal - Wahlschalter in den Signaleingang des Filters geleitet werden. Will man keines der beiden Signale des Oszillators hören so muss der Wahlschalter auf off stehen. Der VCO verfügt über eine Tonhöhenregelung die mit einem Drehpotentiometer bedient wird. Der Frequenzbereich erstreckt sich von wenigen Klicks bis weit über 10 kHz. Es ist auch möglich, das Signal des Oszillators zu modulieren, dies wird durch LFO- bzw. Hüllkurvenmodulation realisiert. Die Stärke der jeweiligen Modulation, die sogenannte Modulationstiefe, ist über zwei voneinander getrennte Drehpotentiometer möglich. Will man eine Hüllkurvenmodulation erzeugen, so muss diese erst mittels Umlegen des Schalters AR Mod aktiviert werden. Der letzte Schalter des Oszillator Moduls ist der Sync - Schalter, mit seiner Hilfe lassen sich sehr interessant klingende Klangfarbenveränderungen vornehmen. Am deutlichsten hörbar ist der Effekt wenn man den LFO sehr schnell oszillieren lässt und gleichzeitig die Tonhöhe des Oszillators wiederholt rauf und runter geregelt wird. (vgl. Wilson 2013, S. 59)

8.6.4 Resonanzfähiger Spannungsgesteuerter Tiefpass-Filter (VCF)

Der spannungsgesteuerte Tiefpass-Filter akzeptiert das Ausgangssignal des VCO´s und das Ausgangssignal des White noise generators als Eingangssignal. Die Regelung der Grenzfrequenz (Cutoff) wird abermals über einen Drehpotentiometer bewerkstelligt. Je höher die Grenzfrequenz eingestellt wird, umso mehr, der ursprünglich im Signal vorhandenen Obertöne, lässt der Filter zum Ausgang durch, dies funktioniert auch vice versa. Die Resonanz wird über einen Drehpotentiometer geregelt und bestimmt wieviel Signalanteil rückgekoppelt wird. Je höher die Regelung der Resonanz, umso mehr harmonischer Charakter wird dem Signal beigemengt. Die Grenzfrequenz kann von zwei Quellen moduliert werden. Einerseits ist es möglich die Grenzfrequenz vom LFO modulieren zu lassen, andererseits ist es auch möglich den Hüllkurvengenerator zur Modulation heranzuziehen. Die Modulationstiefe ist wieder über einen Drehpotentiometer regelbar. (vgl. Wilson 2013, S. 60)

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8.6.5 Spannungsgesteuerter Verstärker (VCA)

Der im Synthesizer verbaute simple spannungsgesteuerte Verstärker wird über die Steuerspannung des Hüllkurvengenrators gesteuert, durch umlegen des Schalters auf die Stellung "Bypass" kann diese Modulation umgangen werden. (vgl. Wilson 2013, S. 60)

8.6.6 Niederfrequenzoszillator (LFO)

Am LFO lassen sich drei, durch Schalter wählbare, Wellenformen einstellen.

• Rechteckschwingung

• differenzierte Rechteckschwingung

• integrierte Rechteckschwingung

Abb. 104: Integrierte, differenzierte und ungefilterte Rechteckschwingungen

Die Frequenz des LFo´s lässt sich mit einem Drehpotentiometer in einem Bereich von ca. 0,75 Hz bis zu über 230 Hz regeln. Der Ausgang des Signals kann mithilfe eines Wahlschalters entweder den Oszillator oder den Filter modulieren.

8.6.7 Attack- Release Hüllkurvengenerator (AREG)

Der Zweiphasenhüllkurvengenerator moduliert einerseits wie schon weiter oben erwähnt den Verstärker, andererseits ist er aber auch darauf ausgelegt bei Bedarf den Oszillator oder auch den Filter zu modulieren. Attack und Release Zeiten werden mit zwei getrennten Drehpotentiometern eingestellt. Attack regelt wie schnell die Voltkurve steigt und Release wie schnell sie wieder zu null gelangt. Die Attack und Releasezeiten sind in einem Bereich von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden stufenlos regelbar. Weiters ist es möglich den Hüllkurvengenerator manuell zu gaten, dazu ist es wichtig dass der Wahlschalter auf die entsprechende Position gestellt wird. Unter dem Regler der die Attack Zeit regelt befindet sich ein Knopf zum manuellen Gaten, solange man ihn gedrückt hält wird

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die Voltkurve nach eingestellter Zeit bis zu ihrem Maximum steigen, erst wenn der Knopf nicht mehr drückt wird, beginnt die eingestellte Release Zeit. Stellt man den Wahlschalter hingegen auf Repeat, so arbeitet der Hüllkurvengenerator ähnlich einem LFO, dessen Wellenform und Frequenz sich durch die Regler für Attack und Release verändern lassen.

8.6.8 1 Watt Verstärker

Der durch eine Batterie versorgte Verstärker dient der Ausgabe auf dem eingebauten Lautsprecher, und erhöht somit die Mobilität des Synthesizers erheblich. Steckt man ein Klinkenkabel in die Ausgangsbuchse, so wird der 1 Watt Verstärker vom Signalweg ausgekoppelt. Jedoch kann mit dem Volume-Regler, der wieder als Drehpotentiometer ausgelegt ist, sowohl beim Betrieb über den internen Lautsprecher, als auch beim Betrieb über den Klinkenausgang, die Ausgangslautstärke geregelt werden.

8.6.9 Schaltpläne und Funktionstests

Im Folgenden werden die Schaltpläne der einzelnen Module des Noise Toasters beschrieben. In allen nachfolgenden Schaltplänen werden der positive Pol der Batterie als BP, sowie der negative als BN bezeichnet.

Aktive Komponenten Menge Beschreibung Wert Bestimmung 2 LM324 Quad Low Power OP Amp 14 Pin DIP U1, U2 1 LM386N4 (oder N3) Low Voltage 8 Pin DIP U3 Audio Power Amp 1 2N3906 PNP Transistor T092 Q10 4 2N5457 N Channel JFET T092 Q1, Q7, Q8, Q9 (eventuell auch BF245C) 5 2N3904 NPN Transistor T092 Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 3 1N914 Hochgeschwindigkeits DO-35 D1, D2, D3 Diode 1 Rote LED LFO Rate 2 14 Pin IC Sockel 1 8 Pin IC Sockel

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Widerstände und Potentiometer 7 Linearer Potentiometer 100 K R1, R13, R20, R28, R29, R38, R66 3 Linearer Potentiometer 1 M R49, R51, R53 3 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 2 M R5, R16, R30 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 300 K R7 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 36 K R21 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 15 K R18 2 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 39 K R39, R40 3 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 3 K R48, R65, R70 5 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 4,7 K R22, R23, R37, R42, R54 2 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 4,7 M R33, R35 3 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 470 K R10, R19, R41 2 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 47 K R27, R36 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 75 K R2 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 820 Ohm R50 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 10 Ohm R69 12 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 100 K R14, R24, R25, R31, R44, R45, R47, R55, R58, R59, R60, R67 11 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 10 K R4, R6, R9, R12, R15, R17, R26, R32, R52, R61, R62 2 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 150 K R63, R64 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 3 M R34 2 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 1 M R8, R46 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 200 Ohm R57 2 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 20 K R68, R56 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 270 K R3 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 27 K R43 1 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 2 K R11

Kondensatoren 2 Kondensator Aluminium Bipolar 1 µF C17, C21 3 Keramikkondensator 0,001 µF C2, C9, C10 1 Keramikkondensator 0,047 µF C24 8 Keramikkondensator 0,1 µF C3, C4, C5, C7, C8,, C11,

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C12, C20 1 Keramikkondensator 100 pF C1 1 Keramikkondensator 0,01 µF C6 3 Keramikkondensator 10 µF C13, C14, C25 2 Keramikkondensator 1 µF C16, C19 1 Keramikkondensator 4,7 µF C18 1 Elekrtrolytkondensator 220 µF C22 3 Elekrtrolytkondensator 470 µF C15, C23, C26

Zubehör 1 Lautsprecher ca. 2 1/4" 8 Ohm 1 SPK1 W 2 Schalter SPDT (Mitte Aus) SPDT C. S3, S6 O. 2 Schalter SPDT SPDT S8, S9 6 Schalter SPST SPST S1 - S5, S7, S11 1 Schalter SPST N. O. Taster SPST S10 1 Klinkenbuchse 6,3 mm mit no J1 connection Schalter 1 9 V Alkaline Batterie B1 1 9 V Batterieanschluss 1 9 V Batteriehalter 1 Gehäuse

Tabelle 07: Bauteile des Noise Toaster

8.6.10 Betriebsspannungsquelle

Eigentlich ist der Synthesizer für einen Betrieb mit einer 9 V Blockbatterie ausgelegt, im Bedarfsfall kann diese jedoch auch durch eine reine 9 V Gleichspannungsquelle ersetzt werden.

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Abb. 105: Schaltplan der Stromversorgung

Der Kondensator C23, dient dazu die Batterie mit einem Ladungsreservoir zu unterstützen, wenn die Schaltung kurze Stromspitzen fordert. Wenn die Batterie schwächer wird, hilft der Kondensator mit und liefert den benötigten Strom.

Mit Hilfe des Kondensators C15 und den Widerständen R37 und R42 wird eine virtuelle Masse erzeugt. Die beiden Widerstände bilden wie hier abgebildet einen Spannungsteiler, der Kondensator lädt sich bis zur Hälfte der Betriebsspannung.

Bei den Kondensatoren C13 und C14 ist es wichtig, dass sie nahe der Stromversorgungs- anschlüsse von U2 verbaut werden. Sie dienen dazu die Funktion des Operationsverstärkers zu stabilisieren. (vgl. Wilson 2013, S. 95)

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8.6.11 Spannungsgesteuerter Verstärker

Abb. 106: Schaltplan des VCA

Der beim Noise Toaster verwendete Verstärker fällt in die Kategorie der lo-fi Verstärker, da er die Wellenform, wenn auch nur in erträglich geringem Maße, verzerrt.

Das Herzstück dieser Schaltung bildet der 2N5457 N-Channel JFET Transistor, der in VCR (voltage-controlled resistor) Modus betrieben wird.

8.6.12 AR Hüllkurvengenerator

Abb. 107: Schaltplan des Hüllkurvengenerators

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Wird der Schalter S8 in die Position "Manual" gebracht, und durch pressen des Knopfes S10 der Schalter "Manual Gate" geschlossen, so wird vom Hüllkurvengenerator eine Spannung abgegeben die in Richtung BP strebt. Die Geschwindigkeit mit der die Spannung steigt wird mit dem Potentiometer R51 eingestellt.

Wird der Knopf S10 losgelassen und dadurch der Schalter geöffnet, sinkt die Spannung über eine gewisse Zeitspanne wieder zurück in Richtung BN. Diese Zeitspanne kann mit dem Potentiometer R53 geregelt werden.

Um die Möglichkeit zu haben mit dem Hüllkurvengenerator auch VCF oder VCO zu modulieren, ist es notwendig, das mit ARG in einem Kreis gekennzeichnete Signal mit den Schaltern bei VCO und VCF und deren Modulationstiefe - Reglern am Bedienpaneel zu verbinden.

8.6.13 Niederfrequenzoszillator (LFO)

Abb. 108: Schaltplan des LFO

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Das Herzstück des LFO bildet ein Komparator dessen Ausgang einerseits den Spannungs- Schwellenwert regelt und andererseits, den für das Timing zuständigen Kondensator, mit Strom versorgt und diesen lädt und entlädt.

Auch wird wieder ein Spannungsteiler benötigt, diesen formen in dieser Schaltung R59 und R55. Die Hälfte der Betriebsspannung wird nun zum nicht invertierenden Eingang von U2-C (Quad Operationsverstärker) geführt. U2-C liefert an seinem Ausgang ein Rechtecksignal, dieses kann direkt an den Ausgang des LFo´s weitergeleitet werden. Um diese Wellenform nun in die einer integrierten Rechteckschwingung umzuformen, ist es nötig das Signal mit einem Tiefpassfilter zu beeinflussen. Den Filter bilden hier R59 und C19.

Die Wellenform der differenzierten Rechteckschwingung wird durch eine Hochpassfilterung bewerkstelligt.

8.6.14 Voltage-Controlled Oscillator

Abb. 109: Schaltplan des VCO-CV Mixer

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Der Oszillator basiert auf einer Rampenwellenform. Diese ist sehr üblich in der Welt der modularen Synthesizer, häufig wird sie als Ursprung verwendet aus der dann andere Wellenformen geformt werden. Die Rampenform wird dadurch erzeugt, dass ein Kondensator über eine gewisse Dauer geladen wird, und dann abrupt entladen wird.

Der U1-C (LM324 Quad Operationsverstärker) wird, als invertierter Summierer, dazu verwendet um die drei unterschiedlichen Steuerspannungen zu mischen, welche die Frequenz des Oszillators modulieren.

Der Potentiometerwiderstand R1 wird dazu verwendet um die Grundfrequenz des Oszillators einzustellen. Die beiden Enden des Potentiometer werden mit BP bzw. BN verbunden, dadurch liefert der Schleifer Spannungen in einem Bereich von -4,5 V bis zu +4,5 V, bezogen auf die virtuelle Masse, an den nicht invertierenden Eingang von U1-C. Die niedrigste Spannung bestimmt somit die niedrigste mögliche Frequenz, sowie die höchste Spannung mit der höchsten Frequenz einhergeht.

R13 ist für die Modulationstiefe des LFO zuständig und führt eine Steuerspannung zu U1-C. In der minimalen Stellung wird BN an den Summierer geliefert, dies entspricht keiner Modulation. Ist die Stellung auf Maximum, so wird der gesamte Ausgang des LFO an den Summierer weitergeleitet.

R20 wird verwendet um die Modulationstiefe des Hüllkurvengenerators zu regeln. Die Funktion der Schaltung ist der Modulationstiefe des LFO ähnlich.

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Abb. 110: Schaltplan des VCO Wellengenerators

Da die Amplituden der Modulationsquellen sehr unterschiedlich zueinander sind, ist es notwendig, verschieden Werte für die summierenden Widerständen R2, R14 und R21 zu wählen. Um ungewollte Modulationen, die durch andere Elemente der Schaltung verursacht werden könnten, zu vermeiden, hat der Oszillator seine eigene virtuelle Masse.

Wird Strom in den Kollektor von Q4 geführt, führt dies dazu, dass Strom aus dem nicht invertierenden Eingang von U1-A gezogen wird, welcher als Integrator arbeitet. Dadurch steigt die Spannung am Ausgang von U1-A rampenförmig an.

Wie schnell die Spannung steigt wird durch die Menge an Strom bestimmt die von Q4 aufgenommen wird. Je mehr Strom von Q4 aufgenommen wird umso schneller steigt die Spannung am Ausgang von U1-A und umso höher ist die Frequenz des Oszillators.

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8.6.15 Rauschgenerator

Abb. 111: Schaltplan des Rauschgenerators

Wenn der Emitter eines NPN Transistors die Durchbruchsspannung übersteigt, verhält sich der Transistor ähnlich einer Zener Diode. Zener Dioden haben die Eigenschaft, dass sie weißes Rauschen generieren, wenn die Durchbruchsspannung erreicht wird. Die Amplitude des so entstandenen weißen Rauschens ist aber sehr klein, und muss zum weiteren Einsatz im Synthesizer verstärkt werden.

Die Amplitude des Signals wird durch einen zwei stufigen Transistorverstärker vergrößert. Die erste Stufe ermöglich einen Verstärkungsfaktor von 250, die zweite Stufe einen Verstärkungsfaktor von drei. Gemeinsam wird somit ein Verstärkungsfaktor von 750 bewerkstelligt, dies führt zu einer Amplitude Spitze-Spitze (Ass) von ca. 1,5 V.

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8.6.16 Audio Verstärker

Abb. 112: Schaltplan des Audioverstärkers

Der Audio Verstärker, der dazu verwendet wird den kleinen eingebauten Lautsprecher zu versorgen, basiert auf dem LM386 hier mit U3 gekennzeichnet.

Der Tip-Bereich der Klinkenbuchse ist über den Kondensator C21 mit dem Schleifer von R66 verbunden, welcher der Lautstärkenregelung dient.

Wenn keine Klinke in J1 steckt, wird der Stromkreis geschlossen und Strom durchfließt den internen Audioverstärker.

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8.6.17 Spannungsgesteuerter Tiefpassfilter

Abb. 113: Schaltplan des VCF

Im Noise Toaster ist ein spannungsgesteuerter aktiver Tiefpassfilter verbaut. Dieser wird wegen der beiden Kondensatoren und dem Widerstand, die im Feedback Weg verbaut sind, "T" Filter genannt, da dies der Form des Buchstabens T ähnelt. Den Kern dieser Schaltung bildet abermals der Quad Operationsverstärker LM324, hier bezeichnet mit U2-A.

Die Kondensatoren C9 und C10 sowie der Widerstand R35, bestimmen die Filtereigenschaften.

Die Cutoff-Frequenz erhöht sich, wenn der Widerstand zwischen den beiden Feedback Kondensatoren und der virtuellen Masse verringert wird. Die Cutoff-Frequenz wird mit R28 gesteuert. Damit die Cutoff-Frequenz spannungsgesteuert moduliert werden kann wird Q8 im VCR Modus betrieben.

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8.7 Bleep Drum

Abb. 114: Bleep Drum

Der Bleep Drum ist ein Selbstbausatz zum Bau eines Lo-Fi-Drumcomputers, der auf einer ähnlichen Technik wie Arduino basiert. Das Herzstück dieses Geräts bildet der ATmega328 Mikrocontroller. Dieser IC funktioniert wie ein kleiner Computer, er kann mithilfe von entsprechendem Code in C oder C++ programmiert werden. Der Drum Computer beinhaltet einen Sequencer und vier Samples, zwei dieser Samples lassen sich in ihrer Tonhöhe variieren. Jedes dieser Samples ist einer eigenen Taste auf der Bedienoberfläche zugeordnet. Werksmäßig ist der gelbe Taster mit Kick-Drum, der grüne Taster mit Clap, der blaue mit Tom, sowie der rote mit High Hat Sounds belegt. High Hat und Tom lassen sich mit den zwei Potentiometern in ihrer Tonhöhe verändern. Mit Hilfe des ATmega Chips lassen sich vier kurze Sequenzen aufnehmen und wiedergeben. Es ist auch möglich seine eigenen Samples im Gerät zu speichern, hierfür stehen ca. 24 Kilobyte zur Verfügung. Da dieser Speicherplatz sehr gering ist, ist es notwendig die Samples in eine niedrigere Bittiefe und Samplerate zu konvertieren. Bei einem Monosignal mit einer Samplerate von 22 kHz und einer Bittiefe von 8 Bit erhält man innerhalb einer Sekunde eine Speicherbelastung von 21,484 KB.

BR = n*fs (bit/s) 8*22000 = 176000 bit/s 176000/8 = 22000 Byte/s 22000/1024 = 21,484 KB/s

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In diesem Format ist es also möglich, etwas mehr als eine Sekunde Audiomaterial auf dem Bleep Drum zu speichern. Die Verletzung des Nyquist´schen Abtasttheorems ist einer der Gründe, warum dieses Gerät als lo-fi Drumcomputer einzustufen ist. Es ist möglich, bis zu vier verschiedene Sequenzen aufzunehmen und abzuspielen. Die einzelnen Sequenzen werden mit gedrücktem Shift-Taster plus entsprechender Farb-Taste ausgewählt. Das Tempo in dem die Wiedergabe oder Aufnahme erfolgt, wird mit dem Tap-Tempo-Taster eingetippt. Auch ein umgekehrtes Abspielen und Aufnehmen der Samples ist möglich, hierzu müssen die Taster Shift und Play gleichzeitig gedrückt werden. Mit der Tastenkombination Play und Record lässt sich die aktuelle Sequenz löschen. Will man nur eine der vier Samplespuren löschen so muss man die Taster Shift, Record und die entsprechende Farb- Taste drücken. Des Weiteren verfügt der Drum Computer über den sogenannten Noise Mode 30XX, um diesen zu aktivieren muss beim Einschalten des Gerätes der Shift Taster gedrückt werden.

Abb. 115: Platinen Layout Bleep Drum

An der Platine sind noch optionale weitere Lötpunkte vorhanden, diese dienen der Erweiterung bzw. dem Hacken des Gerätes. So sind beispielsweise die Lötpunkte Nr. 4 - 8 dafür zuständig um die vier Samples von einer externen Quelle triggern zu können. Die Lötpunkte 9 und 10 sind dazu bestimmt, serielle Kommunikation zu empfangen bzw. zu schicken, hier ist es möglich einen Midi-Schaltkreis zu entwickeln und anzuschließen. Die

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Lötstelle 12 ist für einen globalen Reset vorgesehen. An den Lötpunkten 3 und 11 ist es möglich, 5 V bzw 9 V Ausgangsspannung abzunehmen. Der Lötpunkt Nr. 1 steht mit der Masse des Gerätes in Verbindung.

Abb. 116: Platinen Layout Bleep Drum

Abb. 117: Schaltplan des Bleep Drum

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Aktive Komponenten Menge Beschreibung Wert Bestimmung 1 ATMEGA328 28 Pin DIP U1 1 MCP4901 8 Pin DIP U2 1 78105 Transistor 78105 Q1 1 Resonator 16 MHz C3

Widerstände und Potentiometer 2 Linearer Potentiometer 10-20 K R6, R7 5 Widerstand 1/4 Watt 5% Toleranz 1 K R1-R5

Kondensatoren 1 Elekrtrolytkondensator 10 µF C1 2 Elekrtrolytkondensator 220 - 100 µF C2

Zubehör 1 IC Sockel 28 Pin U1 1 LED RGB 4 Taster, 4 versch. Farben 12mm 4 Taster 6mm 1 Klinkenbuchse 3,6 mm stereo 1 IC Sockel 8 Pin U2 1 Schiebeschalter SPDT 1 Batteriehalter 9V Blockbatterie

Tabelle 08: Bauteile des Bleep Drum

8.8 s’kastl

Das „s’kastl“, so wurde der selbstgebaute Klangerzeuger genannt, wurde im Zuge des Diplomprojekts für die Diplomarbeit entwickelt. Der Synthesizer hat sich das klassische subtraktive Prinzip der Klanggestaltung zu Nutze gemacht. Als Grundwellenformen werden Rechteckschwingungen genutzt, die des Weiteren dann in den Filter gelangen. Anschließend geht das Signal noch durch ein kleines Phaser-Modul, was den Klang etwas fülliger und effektreicher machen kann. Zu guter Letzt wird der Pegel dann durch den kleinen Verstärker angeglichen und zum Audioausgang gebracht. Durch einen Control-Voltage-

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Eingang kann einer der Oszillatoren eine Sequenz ausführen. Betrieben wird dieser Klangerzeuger mit einem 9V Netzteil. Durch vorheriges Prototyping an Steckplatinen wurde dieses Projekt verwirklicht und anschließend auf Lochrasterplatinen gelötet. Schlussendlich wurde auch das grafische Erscheinungsbild selbst entworfen.

Die vier Hauptmodule dieses Klangerzeugers, welche aus verschiedenen Schaltungen bestehen, bilden somit das Endergebnis, nämlich das „s’kastl“. Im nächsten Absatz werden die Module genauer beschrieben.

8.8.1 Aufbau

8.8.1.1 Oszillator

Das Oszillator-Modul besteht aus sechs verschiedenen Oszillatoren, welche zusammen gespielt oder einzeln genutzt werden können. Als Grundwellenformen können diese sechs Oszillatoren nur die Rechteckschwingung. Das Hauptmodul von Oszillator 1 besteht aus einem 40106 IC CMOS Hex Schmitt Trigger Chip. In diesem IC sind bereits sechs Oszillatoren verschaltet, welche aber noch angepasst werden mussten. Aus diesem IC wurden schlussendlich drei Oszillatoren genutzt, wobei einer davon unterschiedlich ist und als Modulator genutzt wird. Diese drei Oszillatoren können eine Frequenzmodulation emulieren um polyphon spielen zu können. Das erzeugte Signal wird dann mit drei regelbaren Vorverstärkern zum Filter weitergegeben. Die nächste Grafik zeigt die Pin-outs des 40106 IC.

Abb. 118: Pin out von 40106 IC

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Zur Tonhöhensteuerung wurde ein Potentiometer zwischen Eingang und Ausgang genutzt. Die folgenden Abbildungen zeigen die Oszillator-Schematik und die auf einem Steckbrett gebaute Schaltung in einfacher Form.

Abb. 119: Einfache Form des IC 40106 Oszillators

Zusätzlich wurde noch durch verschiedene Widerstände die obere Frequenz, welche durch das Potentiometer gesteuert wird, festgelegt. Die Kondensatoren die zur Masse gehen sind für die Grundfrequenz zuständig. Weitere Widerstände wurden genutzt um mit gleichem Pegel zu den Vorverstärkern zu gelangen. (vgl. Collins 2009, S. 129ff)

Der Oszillator 2 ist ähnlich dem Ersten, jedoch wurde hier ein 4093 IC Quad NAND Gate benutzt. Dieser Chip hat vier identische NAND Gates und gehört ebenfalls zur Familie der Schmitt Trigger CMOS Chips. Die nächste Grafik soll das Innenleben eines 4093 Chips veranschaulichen.

Abb. 120: Pin-out des IC 4093

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Der Oszillator 2 im „s’kastl“ nutzt zur Modulation zwei zuschaltbare Photowiderstände die sich gegenseitig modulieren können. Durch das Lichtverhältnis der Umgebung werden die Photowiderstände, ähnlich wie es bei den Potentiometern wäre, zur Tonhöhensteuerung genutzt. Ein regelbares Potentiometer wird hier zusätzlich eingesetzt, nämlich zur Temposteuerung des Modulators. Die nächste Abbildung soll diese Art der Ansteuerung in einfacher Form grafisch zeigen. (vgl. Collins 2009, S. 152ff)

Abb. 121: Gated Oszillator auf Prototype-Steckplatine

Oszillator 3 wurde mit einem CD4046 IC Chip bewerkstelligt. Dieser zeichnet sich durch einen VCO-Eingang aus, und kann daher sehr gut per Steuerspannung angespielt werden. Durch einen Dreifachschalter kann zwischen zwei Modi umgeschaltet werden, wie die Ansteuerung erfolgen soll. Durch ein Potentiometer kann zusätzlich die Tonhöhensteuerung variiert werden. Auch dieser Oszillator geht schließlich zuerst auf einen Vorverstärker und dann weiter zum Filter. Die nächste Grafik zeigt die PIN-Belegung eines CD 4046 IC Chip. (vgl. Collins 2009, S. 209)

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Abb. 122: Pin-out des IC 4046

Um schlussendlich auf ein optimales Signal zu kommen, sind wieder Widerstände und Kondensatoren eingesetzt worden. Die Abbildung 120 zeigt genau wie der 4046 Chip zur Ansteuerung eingesetzt werden kann.

Abb. 123: Oszillator 3 Schaltung

Diese drei oben erwähnten IC’s wurden also als Hauptbestandteil des Oszillators gewählt. Zur Frequenzsteuerung sind bei Oszillator 1 zweimal ein 1 Megaohm-Potentiometer verantwortlich. Bei Oszillator 2 machen dies die Photowiderstände, bei Oszillator 3 wiederum ein 1 Megaohm-Potentiometer. Oszillator 1 erhält zur Modulationsteuerung einen 100k- Potentiometer, sowie auch Oszillator 2, zur Temposteuerung des Modulators. Diese gesamten Signale werden einzeln, also sechsmal, zu einem einfachen Vorverstärkermodul geroutet. Das Vorverstärkermodul nutzt einen 4069 IC Chip, womit schließlich die Signale zusammenaddiert werden, wo weiters die Verarbeitung der Klangfarbe gemacht werden kann.

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Die nächsten Bilder zeigen Originalfotos von der Entwicklungsphase des Oszillatormoduls.

Abb. 124: Oszillator 3 in der Prototyping-Phase

Abb. 125: Oszillatorplatine in der Entwicklungsphase

8.8.1.2 Filter

Die vom Oszillator erzeugten Signale werden nun weiter in den Filter geschickt. Die Flankensteilheit des Filters beträgt 12dB pro Oktave. Das Herzstück für diese Schaltung ist ein Operationsverstärker, nämlich der LM 13700. Für die Regelung der Klangfarbe werden ein Potentiometer für die Grenzfrequenz und weiterer Potentiometer für die Resonanzfrequenz genutzt. Zusätzlich sind mit dem Filter noch zwei verschiedene Modi schaltbar. Ein Schalter wird für den Typ des Filters benutzt. Dieser kann zwischen Bandpass

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und Hochpass umgeschaltet werden. Der zweite Schalter ist für das Zuschalten der Steuerspannung auf den Filter zuständig. vgl. http://www.magicmess.co.uk/electronics/12dbfilter.php, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis magicmess.co.uk bei).

Die nächste Grafik zeigt den schematischen Aufbau des 12dB Filters.

Abb. 126: 12dB Filter Schematik

Abb. 127: 12dB Filter in der Entwicklungsphase

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8.8.1.3 Phaser

Der Phaser, der nach dem Filter geschalten wurde, ist ein vorgefertigter Bausatz. Eigentlich war dieses Modul als kompletter Bausatz als Gitarreneffektgerät gedacht. Es wurden aber nur die Platine und die nötigen Bauteile gekauft um dies in diesem Synthesizer effektvoll zu nutzen. Anstatt einem Fußschalter wurde der Phaser mit einem Umschalter bestückt. Das ursprüngliche Case wurde ebenfalls nicht bestellt, da die Platine wichtiger Bestandteil des „s’kastl“ ist. Der Phaser kann per Schalter zugeschaltet oder auch einfach nur durchgeschliffen werden. Bei zugeschalteter Stellung ist er über zwei Potentiometer regelbar. Einer dieser Regler ist für die Tiefe, also wie stark der Effekt eingreift, der andere ist für das Tempo des Modulators zuständig. Die nächste Abbildung zeigt die fertig gebaute Platine. vgl. http://diy.musikding.de/wp-content/uploads/2013/06/phaserwire.pdf, zuletzt besucht 29. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis musikding.de bei).

Abb. 128: Phaserplatine

8.8.1.4 Verstärker

Der Verstärker ist das letzte Glied in der Signalkette und ist schlussendlich für den optimalen Output zuständig. Das durchgeschliffene Signal vom Phasermodul, mit oder ohne Effekt, kommt hier schließlich an zur Weiterverarbeitung. Bewerkstelligt wird dies mit einem Operationsverstärker, den LM 386N-3. Das ankommende Signal wird nun per Potentiometer, der für die Lautstärkenregelung zuständig ist, geregelt und dann zum Audioausgang weitergeleitet. Die nächste Grafik zeigt das Pinout des LM 386. (vgl. Collins 2009, S. 247)

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Abb. 129: IC LM386 Pin out

Die folgende Abbildung zeigt die einfache Schaltung des Verstärkers in der Entwicklungsphase.

Abb. 130: Verstärkerplatine in der Entwicklungsphase

8.8.2 Design

Das äußerliche Erscheinungsbild wurde einfach, wie es bei einem DIY-Projekt üblich ist, selbst entwickelt. Hierzu wurde die Frontplatte des Gerätes abgemessen und dann die Maße im Adobe Photoshop übernommen. Genaues messen, wegen den Abständen der Schalter und Potentiometer auf der Frontplatte, und ein gut aufgeteiltes System, wie die Potentiometer zu erreichen sind, waren essenzieller Bestandteil des Designs. Die wichtigsten Grundlagen von Design und Usability, die in Kapitel 6 beschrieben sind, wurden hierbei beachtet. Dieses Design wurde dann per Aufkleber auf die Frontplatte geklebt und

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diese anschließend für die Montierung der Schalter und Potentiometer vorgebohrt. Das nächste Bild soll das Design in digitaler Form zeigen.

Abb. 131: Äußerliches Erscheinungsbild ohne Potentiometer und Schalter

8.9 Shruti

Der Shruti ist ein Instrument, genauer gesagt ein hybrider Synthesizer, aus dem Hause Mutable Instruments, der als DIY-Projekt direkt von der Webseite des Anbieters zu einem relativ günstigen Preis zu bestellen ist. Entworfen und Entwickelt hat es Olivier Gillet aus Frankreich, der unter anderem noch weitere DIY-Klangerzeuger anbietet. Im Teil der Interviews wird Olivier und seine angebotenen DIY-Projekte von Mutable Instruments näher betrachtet. Nun aber wieder zum Shruti, der selbst als DIY-Klangerzeuger als Bausatz bestellt und anschließend gebaut wurde.

8.9.1 Einleitung

Der Shruti ist, wie schon oben erwähnt, ein hybrider monophoner Synthesizer. Das heißt, Teile davon sind Digital und andere nutzen die analoge Technik. Er bietet eine sehr große Palette an digital erzeugten Wellenformen und Modulationsmöglichkeiten an, die des Weiteren durch den analogen Filterteil verarbeitet werden. Das ganze zusammengebaute Gerät ist kompakt, mit einem schönen durchsichtigen Außendesign, und ist nicht so schwer

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zu bauen, also für Anfänger der DIY-Klangprojekte, relativ einfach zu bewerkstelligen. Der Shruti ist also nicht in einem konventionellen Geschäft zu kaufen, sondern ist nur als DIY- Bausatz bei Mutable Instruments zu haben. Ebenso wichtig zu erwähnen ist, dass dieser DIY- Synthesizer relativ vielseitig ist und relativ gute Klänge kreiert, und somit sicherlich in der großen Liga von Waldorf-Klängen etc. mithalten kann. Und das für einen günstigen Preis und einen guten Willen dieses Gerät zu bauen. Die nächste Abbildung zeigt den Shruti in zusammengebauter Form. vgl. http://mutable-instruments.net/shruthi1, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis mutable- instruments.net bei).

Abb. 132: Der Shruti

8.9.1.1 Digital

Der digitale Teil dieses Geräts benutzt einen 8-bit Microcontroller der zwei Oszillatoren und einen Sub-Oszillator dazu auffordert zu spielen. Dies erlaubt eine aliasing-freie analoge Wellenform zu kreieren. Ebenfalls können Wavetable, Sinewave-Bitcrushing, Formant Synthesis, Distortion und weitere, über die digitalen Algorithmen erzeugt werden.

8.9.1.2 Analog

Nach dem digitalen Teil wird alles weitere analog verarbeitet. Hierfür ist wie in den meisten Standardgeräten des Shruti eine Filtersektion eingebaut, in diesem Fall ist es der SMR-4 mkII Filter, der ein warmer 4-pole Low-pass Filter ist. Es wird hierfür eine eigene Platine benötigt, die am unteren Teil des Shruti verbaut wird. Sollte dieser Filter nicht genügen, gibt es die Möglichkeit durch leichtes abmontieren den Filter durch ein anderes Filterboard zu

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ersetzen. Es sind auf der Webseite von Mutable Instruments einige verschiedenste Filterboards erhältlich, die in ihrer Funktion noch etwas näher vorgestellt werden.

Zusätzlich sollte noch erwähnt werden, dass das Filterboard einen zusätzlichen Input anbietet, um Audiosignale durch den Filter schicken zu können. Externe Signale können somit zur Verarbeitung, zum Beispiel zur Ansteuerung durch den digitalen LFO, genutzt werden. vgl. http://mutable-instruments.net/shruthi1, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis mutable-instruments.net bei).

8.9.2 Shruti Filter Boards

Wie schon oben erwähnt, gibt es zwei Platinen, die Digitale als Kontrollsektion, und den analogen Filterteil. Insgesamt werden sieben verschiedene Filterplatinen auf der Webseite angeboten die jeweils eine eigene Charakteristik aufweisen. Der SMR4-mkII Filter ist der Klassiker, welcher auch bei einer Bestellung als Standard ausgeschickt wird. Dieser Filter ist ein klassischer 4-pole Filter der ähnlich dem eines Roland SH oder eines Minimoog klingt. Er ist besonders gut geeignet für analoge Bass- und Lead-Klänge. Dieser Filter lässt sich ebenfalls gut erweitern, indem man zum Beispiel einen Bandpass hinzuschalten kann. Durch die Erweiterungen kann dieses Gerät zu einem sehr komplexen Klangmonster werden. vgl. http://mutable-instruments.net/shruthi-filters, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis mutable-instruments.net bei).

Hier im Überblick die erhältlichen Filtertypen:

Abb. 133: Erhältliche Filtertypen für den Shruti

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8.9.3 Spezifikationen

Zu den Spezifikationen muss gesagt werden, dass dieses Gerät, obwohl es nicht sehr groß ist, einen relativ großen Funktionsumfang aufweist. Die Funktionen werden hier in kurzer Form erläutert.

Wie schon erwähnt, hat der Shruti zwei digitale Oszillatoren die eine Vielfalt an Wellenformen durch den digitalen Microcontroller erzeugen können. Des Weiteren gibt es eine Mixer-Sektion, welche die Klänge mit verschiedenen Mix-Algorithmen, zusammenführen. Eine Besonderheit sind sicherlich die austauschbaren Filterplatinen, wie schon oben erwähnt. Eine recht große Anzahl an Modulationsmöglichkeiten bieten die zwei frei zuweisbaren LFO’s und Hüllkurvengeneratoren. Durch die Modulationsmatrix sind hierbei zwölf verschiedene Quellen anzuspielen. Welche sonstigen Leistungen können mit dem Shruti umgesetzt werden? Er hat einen Tempo Generator, einen sehr guten Arpeggiator und einen besonders interessanten intuitiven Sequenzer der speziellen Art. Zur Ansteuerung kann auch das miteingebaute MIDI-Teil benutzt werden, welches einen IN- und OUT-Port aufweist. Weitere Anschlüsse sind CV-Inputs und CV-Outputs, einen ISP Anschluss für die Firmware-Updates, Audio in und out und ein Netzteilanschluss für 7,5V - 9V. Zur Kontrolle werden sechs Navigationsknöpfe benutzt, acht grüne LED’s zur visuellen Hilfe, vier Potentiometer für die Bearbeitung der Klänge sowie ein rotierender Potentiometer zur Auswahl der zu steuernden Parameter. Zur visuellen Hilfe wurde ein 2x16 Zeichen großes LCD Display eingebaut. vgl. http://mutable-instruments.net/shruthi1/specs, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis mutable-instruments.net bei).

8.9.4 Aufbau

8.9.4.1 Controller Board

Das digitale Controllerboard wird durch einen Hauptmicrocontroller, den ATMega644p, gesteuert. Des Weiteren sind Drehregler, Tastknöpfe, LEDs, ein LCD Display und ein kleines MIDI Interface am Controllerboard angebracht. Geregelt wird das Ganze durch das 5V Netzteil, das am analogen Filterboard angebracht ist. Die Bauteile werden an beiden Seiten der Platine angelötet. Durch das gut durchdachte Platinenlayout, werden sich keine elektrischen Teile gegenseitig beeinflussen. Das LCD Display muss jedoch als letztes Teil verlötet werden, da aufgrund der gegenüberliegenden Seite der ATMega Chip befestigt ist.

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Die nächsten Abbildungen zeigen die beiden Seiten des Platinenlayouts.

Abb. 134: Platinenlayout oben

Abb. 135: Platinenlayout unten

Der nächste Teil ist es nun die richtigen Teile an den richtigen Platz zu bringen. Dies ist ebenfalls relativ einfach zu bewerkstelligen, da die genauen Bezeichnungen auf der Platine

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bereits gekennzeichnet sind. Zur Hilfe wird trotzdem die Anleitung auf der Mutable Instruments Webseite genutzt. Die genauen Bauteile die am Controllerboard des Shruti zu verlöten sind stehen in der nachfolgenden Tabelle. vgl. http://mutable- instruments.net/shruthi1/build/digital, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD- ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis mutable-instruments.net bei).

Index Beschreibung Wert Anzahl X1, X2 MIDI Anschlüsse - 2 R20 Widerstand 1% 68 1 R2-R9, R18, R19 Widerstand 1% 220 10 R15, R16 Widerstand 1% 2.2k 2 R1, R14 Widerstand 1% 10k 2 R21 Trimmer 5k 1 D1 Diode 1N 4148 1 RN1 Widerstandnetzwerk 10k 1 C6, C7 Keramik Kond. 18p 2 C1-C5, C8-C10 Keramik Kond. 100n 8 IC Sockel DIP 8 2 IC Sockel DIP 40 1 Q1 Quartz 20Mhz 1 ATMega 644p ATMega 644p 128kb oder mehr 1 IC 2 74hc165 1 IC 3 74hc595 1 IC 4 AT24C128B od. 1 24LC128I/P OK1 6N137 1 Led 1-8 LEDs 8 Inc/dec Klickbarer Encoder 1 20 od. 24 steps S1-S6 Schalter 6 S1-S6 Tastenknöpfe 6 Editieren 1-4 Potentiometer lin 10k 4 Drehknöpfe 4 Drehknopf ohne 1 Markierung LCD Display 2x16, 1 HD44780 kompatibel Connector männlich 1 1x16 für LCD

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Connector männlich 1 1x8 für Board Connector männlich 1 2x3 für ISP

Tabelle 09: Bauteile des digitalen Controllerboards des Shruti

Nach dem die Platine fertig gelötet ist, kann nun anschließend die Filterplatine zusammengebaut werden.

8.9.4.2 Filter Board

Das Filterboard ist nun nur mehr einseitig mit den Bauteilen zu bestücken. Beginnen sollte man mit dem Teil der für die richtige Stromversorgung zuständig ist, um anschließend an den integrierten Schaltkreisen zu messen, ob die richtige Spannung von 5V vorliegt. Ist dies erfolgreich gelungen, können die vielen Kondensatoren und Widerstände an der Platine angebracht werden. Anschließend werden noch die zwei Audiobuchsen angelötet, bevor es zu den ICs geht. Es werden hier hauptsächlich Operationsverstärker genutzt, wie zum Beispiel den für Filterschaltungen gerne eingesetzten LM 13700, welcher hier an diesem Board dreimal eingesetzt wird. Zu guter Letzt kann man nun alle ICs in die richtigen Sockel geben, und das Filterboard sollte danach noch über den Trimmer die richtige Volt pro Oktave Einstellung bekommen, um das ganze anschließend auf das Controllerboard stecken zu können. Die nächste Abbildung zeigt das Platinenlayout des analogen Filters.

Abb. 136: Platine des mkII-Filters

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Die gesamte Anleitung mit Schematik und Bauteilliste wird hier nicht angeführt, denn dies würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen, bzw. sind auf der Webseite von Mutable Instruments die genauen Beschreibungen nachzulesen. vgl. http://mutable- instruments.net/shruthi1/build/smr4mkII, zuletzt besucht 28. 7. 2013. (Kopie liegt der Arbeit CD-ROM im Verzeichnis Kapitel 8, Unterverzeichnis mutable-instruments.net bei).

Der fertig zusammengesteckte DIY-Synthesizer im schicken durchsichtigen Design ist hier zu sehen.

Abb. 137: Der fertige Shruti

8.9.5 Erweiterungen

Eine Besonderheit des Shruti ist die Möglichkeit, technische Erweiterungen direkt auf der Platine vornehmen zu können. Auf der Filterplatine sind dafür gekennzeichnete Stellen, um zum Beispiel aus dem 4-poligen Filter einen 2-poligen Filter zu formen. Mittels eines Widerstands, der an dieser besagten Stelle anzulöten ist, kann man dies machen. Zusätzlich kann man auch einen Schalter dazwischen bringen um zwischen den zwei Modi umzuschalten. Eine zusätzliche Erweiterung bietet die „extra CV“ -Stelle, wo eine Steuerspannung zur Kontrolle des Cut-off Reglers vorgenommen werden kann.

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Diese Erweiterungen werden von Mutable Instruments angeboten und auch für die etwas fortgeschrittenen DIY-Leute empfohlen. Eine Besonderheit dieses Geräts ist es, dass diese „Hacks“ quasi unterstützt werden. Die Möglichkeit, die von Mutable Instruments kommt, die Erweiterungen zu machen, ist der Creative Commons Licence zuzuschreiben, was es schlussendlich zu einem erfolgreichen DIY-Projekt macht.

8.9.6 Einsatz

Dieses Gerät bietet von Beginn der Bauphase bis hin zum Einsatz im Studio große Freude. In der Bauphase konnte viel gelernt werden wie so ein DIY-Klangerzeuger zu bauen ist. Besonders um diesen günstigen Preis ein Gerät zu bauen, was schlussendlich eine enorme Palette an Sounds und Möglichkeiten bietet, kann nur wärmstens empfohlen werden.

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9 Interviews

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden zwei Interview-Fragebögen erstellt, welche an ausgewählte Personen gesendet wurden. Es wurden dabei sowohl professionelle Hersteller, als auch an DIY-er und Hersteller für DIY-Kits im Bereich der Synthesizer in Betracht gezogen, wobei ein Fragebogen auf professionelle Hersteller, der andere auf Personen aus dem DIY-Bereich abgestimmt wurde.

Von neun verschickten Fragebögen wurden drei beantwortet retourniert. Diese stammen von Dieter Döpfer von Doepfer Musikelektronik, einem namhaften Hersteller auf dem Bereich analoger Modular-Systeme, Olivier Gillet von Mutable Instruments und Ray Wilson von Music From Outer Space, Hersteller von Synthesizer DIY Bausätzen und Betreiber spezifischer Webplattformen.

Im Folgenden werden einige Aspekte und Antworten aus den Interviews zusammengefasst dargestellt. Die Fragebögen, sowie die vollständigen Antworten der Interviews, sind im Anhang zu finden.

Eine Gemeinsamkeit die sich in den drei Interviews findet ist, dass die Hersteller alle ein ausgeprägtes Interesse für Musik bzw. musikalischen Background haben, sowie über eine Ausbildung im technischen Bereich verfügen. Dies kann man als Grundvoraussetzungen ansehen, wobei auf dem Gebiet des DIY eine technische Ausbildung auch durch Interesse und Selbststudium ersetzt werden kann.

Der Entwicklungsprozess des Prototyping wird ebenfalls sehr ähnlich beschrieben. Zunächst wird eine elektronische Schaltung in einer Simulationssoftware erstellt und auf ihre Funktion getestet. Danach erfolgt je nach Komplexität der Schaltung ein erster Aufbau auf einem Steckbrett oder die Produktion einer ersten Platine. Danach wird die Schaltung erneut getestet und eventuelle Modifikationen daran vollzogen, bis ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht ist. Anschließend wird das optische Design von Gehäuse und Benutzeroberfläche konzipiert.

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Bei der Gestaltung des Interface lautet die Devise „form follows function“, wobei auch auf einen intuitiven und logischen Aufbau der Benutzeroberfläche Wert gelegt wird. Die Herausforderung besteht darin, bei einer großen Anzahl an Parametern die Übersichtlichkeit zu bewahren. Bei Produkten, die als DIY Bausätze konzipiert werden, ist es wichtig, bei der Wahl der Bauteile für eine Schaltung darauf zu achten, dass diese universell und leicht erhältlich, sowie für den Anwender zu benutzen sind. Es kommt vor, dass die Produktion von speziellen elektronischen Bauteilen eingestellt wird, oder diese nur noch als Surface-Mount- Device produziert werden, was sie für den Einsatz im DIY Bereich ausschließt.

Zu den Vor- und Nachteilen zwischen analoger und digitaler Klangsynthese gibt es auch ähnliche Meinungen. So zeichnen sich analoge Geräte durch die haptische Bedienung aus, bei der echte Schalter und Knöpfe bedient werden und damit ein direkter und fein aufgelöster Einfluss auf den Klang genommen wird. Die Vorteile der digitalen Ebene liegen in der Speicher- und Reproduzierbarkeit. Die klanglichen Unterschiede zwischen analogen und digitalen Systemen werden zunehmend kleiner, wobei dem analogen Klang nach wie vor etwas mehr „Wärme“ zugeordnet wird und einige spezielle analoge Synthese- und Modulationsverfahren bisher auf digitaler Ebene noch nicht zufriedenstellend umgesetzt werden konnten.

Die Innovation im Bereich des Synthesizer DIY wird in den Bereichen der künstlerischen Ausdrucksweise, in Ansteuerungsmöglichkeiten abseits von Klaviatur und Drehknöpfen, sowie durch die Kombination von analogen mit digitalen Elementen gesehen. Des Weiteren können im Bereich des DIY unkonventionelle Ideen ausprobiert werden, die große Hersteller, aufgrund einer zu geringen Nachfrage, nicht umsetzen würden.

Im Allgemeinen wird ein neuer Aufschwung am Interesse von analogen Klangerzeugern, sowie ein stetiges Wachstum der Synthesizer DIY Communities beobachtet, wobei hier die Entwicklung und flächendeckende Verbreitung des Internet einen wesentlichen Beitrag dazu leistet.

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10 Schlussworte

10.1 Conclusio

Nachdem sich die Verfasser dieser Arbeit nun etwas mehr als ein Jahr mit DIY-Elektronik- Schaltungen beschäftigten, größtenteils im Zuge der Diplomarbeit, aber zu einem Teil auch aus reiner Leidenschaft bzw. als Hobby, kommen sie zu dem Schluss, dass es durchaus möglich ist kleine Klangerzeuger im Eigenbau zu realisieren. Vor Allem erste Erfolge sind meist schnell erreicht, beispielsweise ist eine einfache Oszillator-, Filter-, oder auch Verstärker-Schaltung meist mit wenigen Bauteilen und nur geringem Aufwand realisierbar. Leider sind in diesem Sinne als einfach zu betrachtende Schaltungen meist mit sehr vielen Einschränkungen verbunden bzw. fallen in die Kategorie lo-fi. Schwierig wird es jedoch meist, wenn man versucht etwas kompliziertere Schaltungen zu bauen bzw. diese selbst zu entwickeln. Will man beispielsweise einen Filter der neben der simpel zu realisierenden Grenzfrequenz auch noch Resonanzfähig ist und sich durch Steuerspannung modulieren lässt, so wird die Angelegenheit schon ungemein komplizierter. Besonders das Internet macht einem den Einstieg in die Audio-DIY-Elektronik leicht. Hier finden sich zahlreiche Quellen für Schaltungen die sich in ihrem Schwierigkeitsgrad stark unterscheiden. Es gibt zahlreiche Schaltungen die sich hervorragend als erstes Projekt eignen, bzw. auch von Anfängern leicht umgesetzt werden können. Es gibt aber auch Schaltungen, die so fortgeschritten sind, dass sie ohne sehr tiefgreifendes Wissen nicht zu realisieren sind und auch nach einem Jahr der Beschäftigung in dem Feld der DIY-Elektronik noch viel zu kompliziert anmuten. Einige Schaltpläne die im Internet kursieren, sind schon sehr alt, bzw. werden die darin verwendeten Bauteile schlicht nicht mehr hergestellt. Es ist oft sehr schwierig geeignete, äquivalente Bauteile zu finden, um solche Schaltungen trotzdem realisieren zu können. Da die meisten Elektronischen Geräte heutzutage industriell von Maschinen zusammengebaut werden, werden viele IC´s heutzutage nur mehr in der sehr kleinen SMD-Form hergestellt. Diese extrem kleine Bauform macht es für Hobby- Elektroniker oft sehr schwer, bzw. fast unmöglich mit ihnen zu arbeiten. Einige DIY- Elektroniker haben in ihrem Hobby einen neuen Geschäftszweig gefunden und verkaufen DIY-Kits zum Zusammenbau von elektronischen Schaltungen. Diese beinhalten meist neben einer Platine alle benötigten Bauteile. Die Platine muss hier nur mehr mit den Komponenten bestückt werden. Einige Audio-DIY Hersteller konnten dies bereits zu ihrer Haupteinnahmequelle machen, andere nutzen den Vertrieb von Kits oder fertig zusammengebauten Geräten als Nebenverdienst. Kits eignen sich besonders gut für Anfänger, aber auch bei komplizierten Schaltungen bietet es sich an, auf ein Kit

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zurückzugreifen, falls ein solches vorhanden ist. Das Zusammenbauen eines Kits geht meist schnell von der Hand und man hat sozusagen eine Garantie, dass die Schaltung am Ende auch funktioniert. Bei selbstentwickelten, aber auch bei auf Lochplatten nach einem Schaltplan nachgebauten Schaltungen, ist dies leider nicht immer der Fall. Noch einen Schritt komplizierter wird es, wenn man bereits einige eigene Module entwickelt hat und vorhat diese miteinander zu kombinieren, um sie in einem gemeinsamen Gerät zu verbauen. Auch wenn die entwickelten Module einzeln gut funktionieren, müssen diese wenn sie im Kontext miteinander funktionieren sollen, meist noch an mehreren Stellen modifiziert werden. Große Hersteller wie KORG, MOOG, ROLAND und viele andere haben meist alle Klangbestimmenden Module bereits zu Perfektion gebracht, es fehlt aber dennoch oft der Mut dazu wirklich innovative Features in einem Gerät zu implementieren. Dies ist wahrscheinlich auf die Kosten einer Produktentwicklung zurückzuführen, man kann es sich schlicht nicht leisten ein Gerät zu entwickeln, dass dann am Markt keine, oder nur sehr wenige Abnehmer findet. Genau der Mut zur Innovation ist der große Vorteil von DIY, hier ist zwar im Gegensatz zu industriell gefertigten Geräten, die Klangerzeugung oft nicht perfektioniert, jedoch ist es ein Leichtes innovative Steuermöglichkeiten für ein einziges Gerät zu entwickeln. Da diese Geräte ja meist nur für einen selbst gebaut werden, oder wenn doch nur in sehr geringer Stückzahl oder überhaupt nur bei Vorbestellung gefertigt werden. Beispielsweise wird in DIY-Synthesizer Projekten oft die Tonhöhe mithilfe der Helligkeit geregelt, dies wird mit photoelektronischen Elementen realisiert, oder die Ansteuerung erfolgt nicht über eine normale Klaviatur, sondern wird über einen Ribbon- Controller, einen Draht der über einer Metallplatte gespannt ist, oder über andere innovative Möglichkeiten realisiert. Genau diese kleinen innovativen Gimmicks sind es, die sich die großen Hersteller noch abschauen könnten um ihre Geräte noch interessanter zu gestalten. Mit Hilfe von digitalen Technologien lassen sich auch einige Effekte bzw. Geräte leichter realisieren, als dies mit rein analogen Bauteilen möglich wäre. Beispielsweise legt die Physical-Computing-Plattform Arduino noch mehr Macht in die Hände von DIY-Entwicklern, auch wenn dazu grundlegende Programmierkenntnisse vorhanden sein müssen, was nicht jedem Hobby-Elektroniker liegt. Schließlich verhält es sich beim Programmieren ähnlich wie beim Realisieren von elektronischen Schaltungen. Erste Ergebnisse und damit verbunden erste Erfolgserlebnisse sind schnell und einfach zu erreichen, will man jedoch etwas sehr Fortgeschrittenes realisieren so wird man sich schon sehr intensiv mit der Materie des Code- schreibens beschäftigen müssen um ein zufriedenstellendes Ergebnis hervorzubringen.

Im Zuge der Diplomarbeit erhielten die Verfasser einen Einblick in die umfangreiche Welt der analogen Synthesizer und DIY-Audio-Geräte und haben auch einige simple Geräte selbst realisiert. Von einfachen kleinen Schaltungen bis zu voll ausgestatteten Modularsystemen ist

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es ein sehr weitreichendes Spektrum, welches nicht in allen Teilbereichen beleuchtet werden konnte. Es wurde dennoch versucht einen guten Überblick bzw. Einblick in die Technologie, Anwendung und Geschichte der analogen Synthesizer und DIY-Klangerzeuger zu bieten. Im Zuge dieser Arbeit konnten mehrere DIY-Sound-Module realisiert werden. Diese reichen in ihrer Komplexität und Klangqualität zwar nicht ganz an die von namhaften Herstellern heran, einem Einsatz in musikalischem Kontext tut dies aber keinen Abbruch. Des Weiteren stellte sich heraus, dass auch mit simplen Schaltungen und wenigen Bauteilen sowie mit begrenztem Budget sehr gute Ergebnisse erzielt werden können.

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11 Anhang

11.1 Literaturverzeichnis

Adam, Ingrid/Engesser, Hermann/Fickert, Erika/ Hartmann, Bernd/Johann, Otto/Lange, Klaus/Liebisch, Franziska/Münter, Matthias/Ohlig, Rudolf/Pfersdorff, Heike/Schulze, Gudrun/Schulze, Marianne/Solf, Kurt/Thirolf, Brigitte/Zimmer, Eleonore (1984): Das Neue Duden-Lexikon in 10 Bänden - Band 9: Schy-Tsav. Mannheim: Bibliografisches Institut Dudenverlag

Anwander, F. (2011): Synthesizer-So funktioniert analoge Klangerzeugung. 6. Aufl. PPV Medien GmbH.

Bauckholt, Heinz-Josef (2001): Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik. Vierte Auflage. München: Carl Hanser Verlag

Baumann, K./Lanz, H. (1998): Mensch-Maschine-Schnittstellen bei elektronischen Geräten. Berlin: Springer Verlag

Bannwolf, E. (2007): Usability bei Mensch-Maschine-Schnittstellen VDM Verlag Dr. Müller

Collins, N. (2009): Handmade Electronic Music-The Art of Hardware Hacking. 2. Aufl. Routledge-Taylor&Francis Group.

Dehler, Elmar/Häberle, Gregor/Philipp, Werner/Schiemann, Bernd/Schleer, Willi/Schnell, Dieter (2001): Elektronik – Grundlagen. 13. Auflage. Haan-Gruiten: Verlag Europa Lehrmittel

Goetschius, Percy (1904): Lessons in Music Form. Boston: Oliver Ditson Company

Helmholtz, Hermann (1913): Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik. Sechste Auflage. Braunschweig: Friedrich Vieweg & Sohn

Henle, H. (1990): Das Tonstudio Handbuch. 5. Aufl. GC Carstensen Verlag.

Lidwell, W./Holden K./Butler, J. (2003): Design Die 100 Prinzipien für erfolgreiche Gestaltung. Stiebner Verlag

Raffaseder, H. (2002): Audiodesign. Hamburg: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag.

210

Schmitz, R. (2004): Analoge Klangsynthese. Wizoo Publishing GmbH.

Schnabel, Patrick (2010): Elektronik-Fibel. Fünfte Auflage. Ludwigsburg: Patrick Schnabel

Schreiber, Bernd (1980): Das Synthesizer Handbuch – Synthesizer transparent gemacht. Marburg: Wenzel-Verlag

Snoman, R. (2009): Dance Music Manual. 2. Aufl. Focal Press.

Mark, Vail (2000): Vintage Synthesizers. Miller Freeman Books.

Wilson, Ray (2013): MAKE: Analog Synthesizers – A modern approach to old-school sound synthesis. Erste Auflage. Sebastopol: Maker Media Inc.

211

11.2 Internetquellen http://artsites.ucsc.edu http://bleeplabs.com http://diy.musikding.de http://fast-alles.net http://hollowsun.com http://huffingtonpost.com http://indianapublicmedia.org http://korg.com http://magicmess.co.uk http://makezine.com http://moogmusic.com http://mutable-instruments.net http://ottomen.com http://recording.de http://rolandus.com http://staceyk.org http://traxx24.com http://twitteringmachines.com http://vintagesynth.com http://wikimedia.org

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11.3 Abbildungsverzeichnis

Abb. 01: Das Tellharmonium ...... 15 Abb. 02: Moog´s Theremin ...... 16 Abb. 03: Jörg Mager an seinem Sphärophon ...... 17 Abb. 04: Das Volkstrautonium von Telefunken ...... 17 Abb. 05: Die Hammond Orgel in Originalausstattung mit integrierten Lautsprechern ...... 18 Abb. 06: Der RCA Mark II ...... 19 Abb. 07: Moog Modular von Wendy Carlos ...... 19 Abb. 08: Minimoog ...... 22 Abb. 09: Korg MS-20 ...... 24 Abb. 10: Links unten: TB-303, rechts: Drumatix, darüber: TR-808 ...... 26 Abb. 11: Module, subtraktiver Klangerzeugung ...... 28 Abb. 12: Emulation von FM-Synthese mit Oszillatoren ...... 31 Abb. 13: Sägezahnwelle ...... 35 Abb. 14: Rechteckwelle ...... 36 Abb. 15: Pulswelle ...... 36 Abb. 16: Dreieckswelle ...... 37 Abb. 17: Sinuswelle ...... 37 Abb. 18: Zusammensetzung der Wellenformen ...... 38 Abb. 19: Rauschen ...... 39 Abb. 20: Tiefpassfilter ...... 41 Abb. 21: Hochpassfilter ...... 42 Abb. 22: Bandpassfilter ...... 42 Abb. 23: Kerbfilter ...... 42 Abb. 24: Flankensteilheit von Filtern ...... 43 Abb. 25: Resonanz ...... 44 Abb. 26: Kurvenverformung durch Einsatz von Filtern ...... 45 Abb. 27: Parametersteuerung ...... 48 Abb. 28: Technische Daten von MIDI ...... 49 Abb. 29: MIDI Schaltungsmöglichkeiten ...... 50 Abb. 30: Betriebsarten von MIDI ...... 51 Abb. 31: Typische ADSR-Hüllkurve ...... 52 Abb. 32: Arten von Hüllkurven ...... 53 Abb. 33: Einsatz der Wellenformen bei LFO-Modulation ...... 55 Abb. 34: Pitchbend und Modulationwheel ...... 59 Abb. 35: Analoger Sequenzer ...... 60

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Abb. 36: Frequenzmodulation ...... 62 Abb. 37: Ablauf von Modulationen ...... 63 Abb. 38: Amplitudenmodulation ...... 64 Abb. 39: Invertierte Spannung ...... 72 Abb. 40: NOT-Funktion ...... 72 Abb. 41: AND-Funktion ...... 73 Abb. 42: OR-Funktion ...... 73 Abb. 43: EXOR-Funktion ...... 74 Abb. 44: Zählerprinzip eines analogen Sequenzers ...... 75 Abb. 45: Teiler-Prinzip ...... 76 Abb. 46: Schaltzeichen von Widerständen ...... 82 Abb. 47: Schaltzeichen von Kondensatoren ...... 84 Abb. 48: Schaltzeichen einer Spule ...... 85 Abb. 49: Schaltzeichen einer Universaldiode ...... 87 Abb. 50: Schaltzeichen einer Leuchtdiode ...... 87 Abb. 51: Schaltzeichen einer Zener-Diode ...... 87 Abb. 52: Schaltzeichen eines NPN-Transistors ...... 88 Abb. 53: Schaltzeichen eines PNP-Transistors ...... 88 Abb. 54: Schaltzeichen von Feldeffekttransistoren ...... 88 Abb. 55: Schaltplan eines Sinusgenerators mit RC-Phasenschieberkette ...... 91 Abb. 56: Schaltplan einer astabilen Kippstufe mit Transistoren ...... 92 Abb. 57: Schaltplan einer astabilen Kippstufe mit Operationsverstärker ...... 93 Abb. 58: Dreieckschwingung ...... 94 Abb. 59: Schaltplan eines Sägezahngenerators ...... 94 Abb. 60: Rauschgenerator ...... 95 Abb. 61: Schaltbilder eines Tiefpass erster Ordnung ...... 97 Abb. 62: Schaltbilder eines Hochpass erster Ordnung ...... 97 Abb. 63: Schaltbild eines Bandpass erster Ordnung ...... 98 Abb. 64: Schaltbild einer Bandsperre erster Ordnung ...... 98 Abb. 65: Schaltbild eines invertierenden Verstärkers ...... 100 Abb. 66: Schaltbild eines nicht-invertierenden Verstärkers ...... 100 Abb. 67: Schaltbild eines Impedanzwandlers ...... 101 Abb. 68: Schaltbild eines Summierverstärkers ...... 101 Abb. 69: Gängige Bauformen von Tasten ...... 118 Abb. 70: Optimaler Betätigungswiderstand und zurückgelegter Weg von Tasten ...... 119 Abb. 71: Druckknopf in ein- und ausgeschaltetem Zustand ...... 119 Abb. 72: Länge- und Breitenverhältnis und Schaltzustände von Wippschaltern ...... 120

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Abb. 73: Kippschalter und Kipphebel ...... 121 Abb. 74: Drehknöpfe in unterschiedlichen Bauformen ...... 122 Abb. 75: Drehschalter ...... 123 Abb. 76: Kontinuierliche Rändelräder ...... 124 Abb. 77: Diskrete Rändelräder bei Fotokameras ...... 124 Abb. 78: Kontinuierlicher Schieber ...... 125 Abb. 79: Schiebeschalter ...... 125 Abb. 80: Affordance bei Türen ...... 127 Abb. 81: Affordance bei Türen ...... 128 Abb. 82: Verschiedene Designs von Uhren ...... 129 Abb. 83: Methoden der Farbkombination ...... 130 Abb. 84: Weitere Methoden der Farbkombination ...... 131 Abb. 85: Gesetz der Kontinuität am Beispiel eines Tachometers ...... 132 Abb. 86: Gesetz der Nähe ...... 132 Abb. 87: Gruppierung nach Ähnlichkeit ...... 133 Abb. 88: Gestaltungsprinzip nach gemeinsamen Merkmalen ...... 133 Abb. 89: Klassische Piktogramme ...... 134 Abb. 90: Unübersichtlicher Schilderwald ...... 135 Abb. 91: Versuchsschaltung auf Steckbrett ...... 141 Abb. 92: Ideale Lötstation ...... 146 Abb. 93: Schaltplan des APC Photosynth ...... 153 Abb. 94: APC Photosynth ...... 154 Abb. 95: Schaltplan des 8-Step-Sequencers ...... 156 Abb. 96: 8-Step-Sequencer ...... 157 Abb. 97: Schaltplan des Yellow Fellow ...... 160 Abb. 98: Yellow Fellow ...... 161 Abb. 99: Schaltplan des One-Octave-Oscillator ...... 164 Abb. 100: One-Octave-Oscillator ...... 164 Abb. 101: Schaltplan des HP/LP-Filter ...... 167 Abb. 102: HP/LP-Filter ...... 167 Abb. 103: Blockdiagramm Noise Toaster ...... 169 Abb. 104: Integrierte, differenzierte und ungefilterte Rechteckschwingungen ...... 171 Abb. 105: Schaltplan der Stromversorgung ...... 175 Abb. 106: Schaltplan des VCA ...... 176 Abb. 107: Schaltplan des Hüllkurvengenerators ...... 176 Abb. 108: Schaltplan des LFO ...... 177 Abb. 109: Schaltplan des VCO-CV Mixer ...... 178

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Abb. 110: Schaltplan des VCO Wellengenerators ...... 180 Abb. 111: Schaltplan des Rauschgenerators ...... 181 Abb. 112: Schaltplan des Audioverstärkers ...... 182 Abb. 113: Schaltplan des VCF ...... 183 Abb. 114: Bleep Drum ...... 184 Abb. 115: Platinen Layout Bleep Drum ...... 185 Abb. 116: Platinen Layout Bleep Drum ...... 186 Abb. 117: Schaltplan des Bleep Drum ...... 186 Abb. 118: Pin out von 40106 IC ...... 188 Abb. 119: Einfache Form des IC 40106 Oszillators ...... 189 Abb. 120: Pin-out des IC 4093 ...... 189 Abb. 121: Gated Oszillator auf Prototype-Steckplatine ...... 190 Abb. 122: Pin-out des IC 4046 ...... 191 Abb. 123: Oszillator 3 Schaltung ...... 191 Abb. 124: Oszillator 3 in der Prototyping-Phase ...... 192 Abb. 125: Oszillatorplatine in der Entwicklungsphase ...... 192 Abb. 126: 12dB Filter Schematik ...... 193 Abb. 127: 12dB Filter in der Entwicklungsphase ...... 193 Abb. 128: Phaserplatine ...... 194 Abb. 129: IC LM386 Pin out ...... 195 Abb. 130: Verstärkerplatine in der Entwicklungsphase ...... 195 Abb. 131: Äußerliches Erscheinungsbild ohne Potentiometer und Schalter ...... 196 Abb. 132: Der Shruti ...... 197 Abb. 133: Erhältliche Filtertypen für den Shruti ...... 198 Abb. 134: Platinenlayout oben ...... 200 Abb. 135: Platinenlayout unten ...... 200 Abb. 136: Platine des mkII-Filters ...... 202 Abb. 137: Der fertige Shruti ...... 203

Abb.1: http://www.twitteringmachines.com/2011/04/thaddeus-cahills-streaming-electronic- music-service-c-1895/ Abb. 2, 8 - 10 : Mark, Vail (2000): Vintage Synthesizers. Miller Freeman Books. Abb. 3: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f1/J%C3%B6rg_Mager_playin g_on_Spherophone.jpg/493px-J%C3%B6rg_Mager_playing_on_Spherophone.jpg Abb. 4: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e3/Volkstrautonium_MIM.jpg Abb. 5: http://www.fast-alles.net/kleinanzeige/382229/hammond-orgel-original-tr-200.html

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Abb. 6: http://indianapublicmedia.org/arts/twentiethcentury-maverick-milton-babbitt-dies-94/ Abb. 7: http://www.ottomen.com/justin/2012/01/10/modern-monday-history-with-wendy- carlos-bob-moog/ Abb. 11, 12, 27 - 30, 32: Raffaseder, H. (2002): Audiodesign. Hamburg: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag. Abb. 13 - 17, 19, 31, 33 - 35: Schmitz, R. (2004): Analoge Klangsynthese. Wizoo Publishing GmbH. Abb. 18: Snoman, R. (2009): Dance Music Manual. 2. Aufl. Focal Press. Abb. 20 - 26, 37, 39 - 45: Anwander, F. (2011): Synthesizer-So funktioniert analoge Klangerzeugung. 6. Aufl. PPV Medien GmbH. Abb. 36, 38: Henle, H. (1990): Das Tonstudio Handbuch. 5. Aufl. GC Carstensen Verlag. Abb. 46 - 54: Schnabel, Patrick (2010): Elektronik-Fibel. Fünfte Auflage. Ludwigsburg: Patrick Schnabel Abb. 55, 56, 58, 59, 61 – 64, 67, 68: Dehler, Elmar/Häberle, Gregor/Philipp, Werner/Schiemann, Bernd/Schleer, Willi/Schnell, Dieter (2001): Elektronik – Grundlagen. 13. Auflage. Haan-Gruiten: Verlag Europa Lehrmittel Abb. 57, 60, 65, 66, 103 - 113: Wilson, Ray (2013): MAKE: Analog Synthesizers – A modern approach to old-school sound synthesis. Erste Auflage. Sebastopol: Maker Media Inc. Abb. 69 - 79: Baumann, K./Lanz, H. (1998): Mensch-Maschine-Schnittstellen bei elektronischen Geräten. Berlin: Springer Verlag Abb. 80 - 90: Lidwell, W./Holden K./Butler, J. (2003): Design Die 100 Prinzipien für erfolgreiche Gestaltung. Stiebner Verlag Abb. 91 – 94, 96 -102, 124, 125, 127, 130, 131, 137 : Fotos Verfasser Abb. 95, 118 – 123, 129: Collins, N. (2009): Handmade Electronic Music-The Art of Hardware Hacking. 2. Aufl. Routledge-Taylor&Francis Group. Abb. 114: http://bleeplabs.com/store/the-bleep-drum/ Abb. 115, 117: http://bleeplabs.com/bd_inst_sf/Bleep%20Drum%20PCB%20v012%20.zip Abb. 116: http://bleeplabs.com/bd_inst_sf/bleep%20drum%20instructions%20001.pdf Abb. 126: http://www.magicmess.co.uk/electronics/12dbfilter.php Abb. 128: http://diy.musikding.de/wp-content/uploads/2013/06/phaserwire.pdf Abb. 132: http://mutable-instruments.net/shruthi1 Abb. 133: http://mutable-instruments.net/shruthi-filters Abb. 134, 135: http://mutable-instruments.net/shruthi1/build/digital Abb. 136: http://mutable-instruments.net/shruthi1/build/smr4mkII

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11.4 Tabellenverzeichnis

Tabelle 01: Intervalle des Kammerton A in gleichstufiger und pythagoräischer Stimmung 113 Tabelle 02: Bauteile des APC Photosynth ...... 152 Tabelle 03: Bauteile des 8-Step-Sequencer ...... 156 Tabelle 04: Bauteile des Yellow Fellow ...... 159 Tabelle 05: Bauteile des One-Octave-Oscillator ...... 163 Tabelle 06: Bauteile des HP/LP-Filter ...... 166 Tabelle 07: Bauteile des Noise Toaster ...... 174 Tabelle 08: Bauteile des Bleep Drum ...... 187 Tabelle 09: Bauteile des digitalen Controllerboards des Shruti ...... 202

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11.5 Interviews

11.5.1 Interview Dieter Döpfer

1. Frage: Wie bist du dazu gekommen, analoge Synthesizer zu entwickeln und zu bauen?

Während meines Physikstudiums spielte ich in einer Band und hin und wieder waren Reparaturen an den Geräten nötig (Verstärker, Hallgerät, Wah-Pedal, Verzerrer, Phaser usw.) und dabei habe ich begonnen mich in die Thematik der Musikelektronik einzuarbeiten. Irgendwann war dann einmal von einem legendären Gerät namens Moog-Synthesizer die Rede (damals gabe es noch kein Internet  ) und man konnte das Instrument bei einigen Musikern hören (z.B. ELP). Der Klang hat mich so fasziniert, dass ich mich hier weiter informiert und ind die Sache eingearbeitet habe. Nach Abschluss meines Studiums habe ich mich dann entschlossen, selbständig zu machen und "irgendetwas" in diesem Bereich auf die Beine zu stellen. Weitere Details gibt es z.B. in diesem Interview der Zeitschrift KEYS: http://www.doepfer.de/hist_d.htm

2. Frage: Was gefällt dir am meisten an diesen Entwicklungsprozessen?

Die Beziehung zur Musik und der sehr direkte Entwicklungsprozess (man überlegt sich etwas, lötet etwas zusammen und bekommt ein Resultat – oder auch nicht  )

3. Frage: Wo siehst du die Unterschiede bzw. Vor- und Nachteile analoger gegenüber digitaler Klangsynthese?

Beide Welten haben ihre Berechtigung und ergänzen sich gegenseitig. Die Vorteile in der analogen Welt liegen in der Haptik ("echte" Knöpfe/Regler/Schalter/Kabel usw.) und in bestimmten Fällen definitiv auch im Sound. Der Hauptvorteil der digitalen Welt ist die Speicherbarkeit und Reproduzierbarkeit.

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4. Frage: Wo siehst du die Unterschiede bzw. Vor- und Nachteile hardwarebasierter gegenüber softwarebasierter (z.B. Plug-Ins) Synthesizer?

Diese Anwort deckt sich im wesentlichen mit Punkt 4. [sic]

5. Frage: Wie gehst du beim Prototyping vor?

Hier wird meist mit einer Simulation (z.B. Pspice) begonnen, so weit das möglich ist (für viele analoge Bausteine gibt es leider keine Pspice-Modelle). Hier kann man schon im Vorfeld sehen, ob die Idee überhaupt funktioniert. Je nach Komplexität der Schaltung wird dann ein erster Leiterplatten-Entwurf gemacht, oder bei kleineren Projekten das Ganze auf einer Lochrasterplatine getestet. Wenn alles wie gewünscht klappt, geht es dann an das endgültige Design mit Frontplatte, Leiterplatte(n), Gehäuse usw.

6. Frage: Wo siehst du Innovationsmöglichkeiten in dieser doch schon sehr ausgereiften Technologie?

Ich denke die Innovationsmöglichkeiten stecken in der Implementierung von Funktionen, die in den "alten" Modulsystemen und Synthis nicht vorhanden waren. Hierzu gehören auch digitale Funktionen (z.B. Sampling, Bit-Crunching und andere Klang-Manipulationen auf digitaler Ebene, DSP-Funktionen etc.) und alternative Schnittstellen zwischen Musiker und Equipment, d.h. nicht nur Keybaords, sondern auch Ribbon-Controller, Theremin-ähnliche Steuereinheiten, Steuerung von Synthesizer-Parametern über Licht, Drucksensoren, Beschleunigungssensoren usw. Hier gibt es neben uns mittlerweile eine ganze Reiher kleiner Firmen, die völlig abgefahrene Funktionen anbieten und frischen Wind in das Ganze bringen. Es gibt mittlerweile schon ca. 50 Anbieter und mehr als 800 verschiedene Module, die zu unserem A-100 kompatibel sind.

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7. Frage: Wie gehst du bei der Interface-Gestaltung vor? Was ist dir dabei wichtig?

Hier gehen wir bei Modulen meist sehr "technisch" vor, d.h. "form follows function". Wir lassen aber ein paar wichtige User noch einen Blick darauf werfen und veröffentlichen unsere ersten Entwürfe z.B. in der A-100 Yahoo Group als Diskussionsgrundlage. Hier sind dann oft noch Verbesserungsvorschläge gekommen, bevor die endgültige Version herauskam. Bei Stand-Alone-Geräten (wie z.B. Dark Energy oder Dark Time) steht meist zunächst die Bedienoberfläche am Anfang (wo sitzt welcher Regler, Schalter, Taster, LED usw.) und dann wird die Elektronik angepasst. Aber auch hier lassen wir ein paar Leute noch einen Blick darauf werfen. Oft fällt einem selbst etwas nicht auf, was ein anderer sofort als Nachteil erkennt.

8. Frage: Was macht deiner Meinung nach, den Klangcharakter eines analogen Synthesizers aus?

Ich will hier nicht den üblichen Spruch von der "analogen Wärme" zum X-ten Mal wiederholen, obwohl natürlich schon etwas dran ist. Aber die Unterschiede zu den digitalen Emulationen werden immer kleiner und der Endabnehmer (sprich Musik- Konsument) wird – im Gegensatz zum Musiker, der sich jedes Instrument auch "pur" anhört, wohl kaum mehr einen Unterschied in einem komplexen Musikstück hören. Es gibt aber schon noch ein paar Dinge, die den analogen Kisten vorbehalten sind. Hierzu gehören z.B. hochfrequente Modulationen (z.B. Kreuzmodulation zweier Oszillatoren, oder die lineare Filter-FM beim Dark Energy I, aber auch Thru-Zero- Modulationen) die man bisher digital noch nicht recht hinbekommt.

9. Frage: Lassen sich Tendenzen erkennen? Gibt es eine Art Comeback von analoger Hardware?

Definitiv. Die Nachfrage ist in den letzten Jahren – zumindest aus unserer Sicht– schier explodiert. Wir haben große Mühe, die bestellten Produkte rechtzeitig zu produzieren und zu liefern. Das Ganze hat aber leider auch seine Schattenseiten. Der analoge Hype führt dazu, dass viele ein Modulsystem haben wollen, weil es gerade hip ist – ohne sich darüber im Klaren zu sein, dass es schon einiger

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Einarbeitungszeit bedarf, bis man damit vernünftig arbeiten kann. Und man muss die Herangehensweise auch grundsätzlich mögen: mit uferlos vielen Strippen und Reglereinstellungen erzeugt man einen nur monophonen Klang, den man vermutlich kein zweites Mal wieder so hinbekommt (von einfachen Patches einmal abgesehen). Man kann nicht einfach ein paar hundert Presets durchhören. Jedes "Preset" muss mühsam erarbeitet werden.

10. Frage: Bist du selbst auch Anwender analoger Hardware-Geräte? Wenn ja, in welchem Kontext setzt du diese ein?

Mittlerweile leider nicht mehr. Bis vor ein paar Jahren habe ich selbst noch Musik gemacht. Wenn man aber den ganzen Tag damit zu tun hat, will man in seiner Freizeit irgendetwas anstellen, was mit Musikelektronik überhaupt nichts zu tun hat – zumindest mir geht es so.

11.5.2 Interview Ray Wilson

1. How did it come that you decided to participate in the DIY Soundgear scene?

I was drawn to electronic music as a teenager and collected mainly works by synthesists that were electrifying classical music (Carlos, Kazdin, Tomita etc) or using synths in rock music (ELP, Yes). I started to tinker with electronics and eventually developed a real affinity for it. After I could finally afford a synthesizer I started to wonder how they worked and started to read everything I could get my hands on to begin to understand synthesizer circuitry. I started developing some of my own circuits and sold kits for a while back in the 1970's. I kept developing synth module circuits and eventually started to publish my work online. It began to attract interest and I started selling PC boards to support the projects. I kept researching and designing and voila – Music From Outer Space was born and continues to thrive.

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2. What do you like most at DIY projects? Planning, building, testing, improving?

That's a difficult question to answer. Each phase of development has it's own allure. If I was pressed though I'd say the testing phase in which you either build the circuit on a breadboard and tweak – tweak – tweak or you have a prototype PC board fabricated and after it's populated you face the moment of truth – will eveything work? Seeing a prototype PC board pass it's testing and work the way you hoped it would is very satisfying.

3. What drives you to build your own gear?

Knowing that you can design and build something that sounds like it came from a Moog synthesizer. Often there are technical challenges you need to overcome in order to put together a design that works well and that people will want to buy. All in all it is the challenge of the design followed by the positive feedback that I receive from many builders.

4. Which Sound tools did you build yet, and which are you most pride of and why?

I have built every project on the MFOS site (many several times) but my synthesizer pride and joy is my huge modular. I'm also very partial to the Sound Lab Mark II. It is a really nice sounding little synthesizer with some very nice features.

5. Why did you decide to go the analogue way? Did programming your own virtual synthesizers come across your mind?

Analogue circuitry is more earthy to me than digital synthesis. Digital synthesis (while very impressive) puts another layer between the musician and what reaches the ears of listeners. I like the feel of real knobs versus virtual ones and I find physical synths whose rich feature set is hidden behind an inadequate character display and digital pot to be highly frustrating. With my analog synth each funtion has a clearly marked knob and when I turn it I get instant electronic gratification.

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6. How do you approach prototyping or building new stuff?

I'll come up with an idea that interests me and then I'll research it to see how other people are implementing the application. For example I'm currently working on a Vocoder design and I've looked at what others have done to see how many bands they used, how they spread the frequencies, what Q did they use, etc. After that I design my circuit and slap it on a breadboard or have a prototype PC board fabricated. I keep tweaking it until I'm happy with the sound and then I document everything and publish it on the Music From Outer Space website.

7. Isn´t it easier to buy prebuilt stuff?

I have some commercial synthesizers. I've always been partial to Korg so I have a couple of Korg polyphonic units and I use them in my recording work. However, building my own synths gives three pleasures – 1) building it - 2) playing it – 3) knowing I built it.

8. What are your rules for designing the inner life of a synthesizer, what seems important to you to consider?

These days I try to design modules and sound generators that people can find the parts for. Many useful electronic components are going out of production way too fast these days. With the masses crying out for smaller and more capable phones the industry is going away from making components people can actually work with. The other thing I try to consider is low power consumption where possible and of course giving the module features people will find useful.

9. How do you approach interface design and what do you consider to be most important?

I try to make the interfaces as intuitive and logically laid out as possible. I find LEDs a useful feedback element in many designs. I also try to use components people can find easily. Lastly I try not to overcrowd the control or module panel (too badly).

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10. Where do you see possibilities of innovation in this technically mature field?

You can always find a way to do something to a waveform that no one else has thought of yet. There are endless possibilities for controllers, interactive art and performance art. The only limit is a designer's imagination.

11. Which steps do you consider to be most important in terms of hardware hacking?

To be honest I have very little experience with hardware hacking. I have heard some incredible sounds come out of some of the creations people have come up with using hardware hacks on YouTube.

12. Do you think there is a typical DIY sound? If yes how would you describe it?

I would have to say no. There are so many people building unique sound makers with such widely varied backgrounds that the range of sounds is nearly infinite.

13. Which are the most underrated fields of application of diy synthesizers?

I'm not sure I understand the question but here goes. I have not seen a diy keyboard controller design that supports polyphony. Such a keyboard controller would require a microcontroller to coordinate the keyboard activity and latch the notes logically and musically.

14. Do you see tendencies? Is there something like a comeback of analogue hardware?

Absolutely from a diy perspective but manufacturers aren't coming back into the analog fold completely yet. Some companies (Korg, Roland, Moog) are making digital hardware replicas of some of their popular analog products of the past but the circuitry is not the same as it was back in the analog heydays. They're using computers and DSP along with some analog synth circuitry.

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15. Where do you see differences or (dis-)advantages between analogue and digital sound synthesis?

The main advantage of the digital units is their compactness. You pick it up and you're ready to go. With the analog synth you have several cabinets, patch cords, keyboard controller, sequencer, etc. My huge modular stays in my studio.

16. How does the internet influence the DIY -Synthesizer scene?

In a word – hugely. Without the internet synth-diy would be relegated to a few interested individuals that subscribe to electronics magazines and read a lot of books about electronics. With the internet – anyone in the world can build a diy analog synthesizer if they have the interest. You can learn everything you need to do it right on line. No need to go to several libraries to find the elusive synthesizer do-it-yourself books with parts that can't be obtained anymore. There are hundreds of sites dedicated to synth-diy but of course I'm very partiial to musicfromouterspace.com :-)

11.5.3 Interview Olivier Gillet

1. Question: How did it come that you decided to participate in the DIY Soundgear scene? When did you start building your own stuff?

The question makes it sounds like a decision: "okay, from now on I'll be part of the DIY soundgear scene". I don't think things happen like that... In my case, I started building things for myself in my little corner, mostly to teach myself about electronics - I didn't even know there was a "scene" (if I had, I would have started right away by modular gear because 90% of synth DIY is all about modules). I did not join forums nor checked for prior art. I started talking about my project and a group of people curious about what I was doing gathered. Since they wanted to build the same thing I decided to sell kits.

2. Question:

DIY-Why? What drives you to build your own gear? What do you like most at DIY projects? Planning, building, testing, improving?

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Actually I am not a big fan of DIY! I wanted to learn electronics and the best way to do was to build things myself. Now that I am more experienced with electronics, I have a company in germany build my prototypes - I avoid soldering because it hurts my lungs. I have never built another project from someone else - just built my own prototypes when I started and that's it. To me, the real appeal of DIY is that one can design a product and start a business with very little capital and investment. To make things clear: I am not a DIYer but I design for DIYers.

3. Question: Which Sound tools did you build yet, and which ones are you most proud of? Which were the most challenging ones?

I have designed the following products: - Shruthi, a hybrid monosynth with several variations of its analog filter board. - Anushri, an analog monosynth with a low-fi digital drum machine. - Ambika, a 6-voice hybrid polysynth.

I emphasize on "designing a product" rather than "building a thing". It's not a matter of building something for myself - that's the easy part. It's a matter of coming up with something hundreds of people will be able to buy and build - this is a different process and requires a different set of skills! The hard work is in: * "Reproducibility" - make sure people will understand how to build your project without ambiguity or hard to find parts. For example, projects with wiring are less reproducible than projects with PCB-mounted parts. Or the parts you use must be easily and widely available, even if sometimes a custom/rare part would make things easier or better looking. * Documentation * Kit production * Support * Support! * Support!!

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* Support!!!

So when you have finished your prototype and it works you can say "yeah, I've done 10% of the work". Sadly, this is where most people stop.

Ambika was the most challenging - the design took nearly a year to be "just right". After I sold the first kits the support was nightmarish - most people bought it while it was way too difficult for them - so I had to give up selling it as a kit.

4. Question: Why did you decide to go the analogue way? Did programming your own vst synths come across your mind?

When you start doing electronics, you prefer working with through-hole parts. The choice of microcontrollers available in through-hole parts is very limited - mostly 8-bitters clocked at 20 MHz at most. So obviously, you're not going to be able to run complex DSP code on that! Analog is the best way of doing sonically interesting things using through-hole parts simply because DIY digital is very, very limited.

I have a background in digital signal processing and software engineering and have programmed music software in the past. Yet I like working with analog.

5. Question: How do you approach prototyping or building new stuff?

I am very product-oriented. I design things that I would like myself to have, but always think about how many people would want it too, how it is positioned compared to products available on the market etc. Then I do panel sketches, UI layout, and write the user manual for my product - it will work as a specifications document.

I design analog circuits in LTSpice, then build them on breadboard.

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Then I have a PCB made from a professional PCB house. I am not very good with soldering so I don't like working with perfboard. I prefer making sure everything is perfect in simulation and on breadboard and directly get a beautiful PCB made!

For the digital part, I directly design a PCB and have it made. I rarely make mistakes except buttons wired backwards or this sort of things, and this is fixed in software.

6. Question: What are the advantages of building your own gear instead of just buying pre built stuff?

From the point of view of my customers, they get a lot for little money. They can customize the gear to their liking, since they have built it they know how to service it, and the most skilled ones can hack it and extend it. They can also get things different from what a "commercial" manufacturer would do - because a small DIY shop can more easily swim against market trends.

7. Question: What are your rules for designing, what seems important to you to consider?

Sound quality, that's it. You must design things in such a way that it has as much presence as the stuff from Moog or DSI bought straight from the music shop. It might have a different character, but it must feel sonically as "high-quality" as what respectable manufacturers are doing. Being a DIY kit is not a good reason for sounding bad.

I am also "generous" in my designs - I try to make the most out of the parts I use and offer many features/options. I am optimizing features x sound quality / (cost x #parts x assembly difficulty). This is a different balance from what a large manufacturer will do.

8. Question: Which are the key elements to innovation, regarding DIY Synths, in your point of view?

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I don't really know... I think it's a bit hard for a DIY project to be innovative given that you start with a large handicap in term of technologies you have access too. The real "innovation" is that you can do things that big manufacturers won't do - not because they are technically impossible, but because the market for them is small. The real "innovation" of DIY is that it's agile and can fill niches.

9. Question: Which steps do you consider to be most important in terms of hardware hacking?

I'm not sure I understand the question.

10. Question: Do you think there is a typical DIY sound? If yes how would you describe it?

There are many projects sounding very "cheap" - the sound of 555 timer circuits emitting loud square waves, the sound of arduino synths using horrible DSP hacks. I'm not sure I like that. I really aim at making things transparent to the ear - to the point that people wouldn't know that the sounds they are hearing come from a lowly DIY kit.

11. Question: In which fields of application do you use your diy gear?

Synths used in studio.

12. Question: What Tendences can you see? Is the community growing since it´s birth or are there fluctuations in demand and offers of the diy communities?

I have been in this field for only 4 years so it's a bit too early to see a trend. After I launched the Shruthi I saw other projects like the Meeblip, Rockit appear - self-contained desktop synths... Before, at the exception of the Midibox stuff and x0xb0xes, most of the scene was focusing on modular. I think the idea of doing non-modular, but

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still pro-quality stuff is a rather new trend... Now we have the MIDIalf sequencer, LXR drum machine...

13. Question: Is it possible to make an adequate income or do you do it only for and with passion and enthusiasm?

Mutable Instruments is my main source of income, but it's a rather lowly paid job for an engineer! For this to work, you have to think in terms of "product" rather than "project".

14. Question: What advices can you give to young DIY enthusiasts out there?

Read the schematics! I'm amazed how many people have been doing DIY for years without even trying to understand how what they are building works. They have amazing construction skills, are good at buying parts and can build something complex without any mistake - but when it comes to understanding it, well, nothing happens. I'm a bit sad about it!

15. Question: Is there anything you would like to let us know, which we didn´t come across in our questionaire?

Nope, thanks for the questions!

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11.6 Inhaltsübersicht der Begleit-CD-ROM

Diplomarbeit in PDF-Format

Verzeichnis SOUNDS

Verzeichnis VIDEOS

Verzeichnis FOTOS

Quellen aus dem Internet: Verzeichnis KAPITEL_2 Unterverzeichnisse: fast-alles.net hollowsun.com indianapublicmedia.com korg.com moogmusic.com ottomen.com recording.de rolandus.com traxx24.com twitteringmachines.com vintagesynth.com wikimedia.org

Verzeichnis KAPITEL_7 Unterverzeichnisse: artsites.ucsc.edu huffingtonpost.com staceyk.org

Verzeichnis KAPITEL_8 Unterverzeichnisse: bleeplabs.com diy.musikding.de magicmess.co.uk makezine.com mutable-instruments.net

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11.7 Wissenschaftliches Paper

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