Ein Oszillator ist eigentlich nichts anderes als eine Einheit, die einen Ton
oder Klang mit einer bestimmten Frequenz (=Tonhöhe) von sich gibt.
Oder anders ausgedrückt : ein Oszillator wiederholt einen ganz bestimmten
Spannungsverlauf immer wieder, wobei der Spannungsverlauf bei gleichbleibendem Klang jedesmal gleich ist
und nach einer festgelegten Zeit von vorne gestartet wird.
Die Kurve dieses Spannungsverlaufes im Laufe der Zeit legt die Klangfarbe fest,
die der Oszillator von sich gibt.
Jeder Klang, den man so hören kann, ist aus verschiedenen Frequenzen aufgebaut.
Diese verschiedenen Frequenzen bestehen alle aus Sinustönen, in der Theorie bis zu unendlich
vielen mit verschiedenen Amplituden. Damit der Klang auch "klingt", müssen die verschiedenen
Sinustöne ein bestimmtes Frequenzverhältniss zueinander haben. Man könnte also theoretisch
jeden Klang aus einer Fülle von Sinustönen zusammensetzen, also addieren. Das wird tatsächlich
bei einigen Klangerzeugern gemacht, das Verfahren nennt sich Additive Synthese.
Zurück zum Klang :
es existiert da zunächst die Grundfrequenz, im englischen Sprachgebrauch "fundamental".
Dieser Grundfrequenz sind sogenannte Obertöne zugefügt, die die Klangfarbe festlegen.
Es gibt nur einen einzigen "Klang", der nur aus der Grundfrequenz besteht : der Sinus-Ton.
Und man nennt diesen "Klang" dann eben auch einfach nur "Ton".
Hier nun einige grundsätzliche Klangfarben bzw. Töne :
Sinuston
Wie schon gesagt : der Sinuston enthält nur die Grundwelle, also eine einzige Frequenz.
Sägezahn
Der "Sägezahn" enthält ein reiches Spektrum an Obertönen, er klingt etwas schneidend, vielleicht ein wenig nach Geige oder
so ähnlich (Genau genommen enthält der Sägezahn alle Obertöne, welche in ihrer Amplitude um 6dB/Oktave abfallen).
Die Steuerung der Frequenz des Oszillators passiert übrigens über eine Spannung,
die man dem Oszillator zuführt.
Das nennt man voltage control, und dieses Prinzip der Spannungssteuerung ist für
analoge Synthesizer von zenraler Bedeutung.
Ein solcher spannungsgesteuerter Oszillator heißt dann VCO für
"voltage controlled oscillator"
Dazu später noch sehr viel mehr.
Rechteckwelle
Die Rechteckwelle klingt nicht ganz so schneidend wie der Sägezahn, das liegt daran, daß die Rechteckwelle
nicht so viele Obertöne aufweist . Manche vergleichen den Klang einer Rechteckwelle
mit dem einer Oboe, aber auch das ist nur eine vage Ähnlichkeit.
Das "Rechteck" wird gebildet durch nur 2 Amplitudenwerte (hier mal "oben" und "unten" genannt) die sic
sehr regelmäßig abwechseln.
Übrigens : Je nachdem, wie das zeitliche Verhältniss zwischen "Oben" und "Unten" bei der Rechteckwelle
ausfällt, klingt der Rechteck mal dünner (oder schärfer), mal etwas voller (Es gibt nämlich hier, zumindest bei der symmetrischen Rechteckwelle mit gleichem "unten"-"oben"-Verhältniss nur ungeradzahlige Obertöne, die geradzahligen fehlen also. Je unsymmetrischer der Rechteck wird, desto mehr geradzahlige Obertöne mischen sich hinzu). Man nennt das Verhältniss von "oben" zu "unten" Pulsweite.
Wie in der Abbildung zu sehen, kann das Verhältniss zwischen dem positiven Anteil ("oben") der Rechteckwelle und dem negativen-
oder 0-Anteil ("unten") eingestellt werden, die Pulsweitenmodulation.
Das nächste Beispiel ist eine Rechteckwelle, in der das Verhältniss von 0,5 zu 0 langsam
verändert wird, dabei wird der Drehregler für die Pulsweite langsam von 50% auf 0% heruntergeregelt.
Und wie es sich dabei für einen modularen Synthesizer gehört, kann dieser Parameter natürlich auch
von einer Steuerspannung eingestellt werden (0V = 0:1, 2,5V = 1:1, 5V = 1:0).
Nehmen wir jetzt mal einen Rechteckgenerator mit einer festen Frequenz (die in der Grafik von einem MIDI-CV-Wandler angesteuert wird, MIDI-CV bedeutet, daß ein Tastendruck von einem MIDI-Keyboard
in Spannungssignale umgewandelt wird, die exakt den Spezifikationen der analogen Synthesizer entsprechen, also
pro 1 V Spannungsänderung genau eine Oktave Tonhöhenänderung). Der Zweite Oszillator erzeugt eine Rechteckwelle mit einer festen Frequenz,
deren Pulsweite durch den ersten Oszillator per "voltage control", gesteuert wird.
Beide Oszillatoren arbeiten natürlich im höhrbaren Bereich (AUDIO)
(Zusätzlich wird hier noch die Lautstärke des zweiten Oszilators mit einem Hüllkurvengenerator und einem VCA moduliert,
aber dazu später sehr viel mehr!!)
Übrigens, so klingt es, wenn der Oszillator 2 die Frequenz verändert und Oszilator 2 eine feste Frequenz behält.
Dreieckwelle
Dreieckwellen klingen sanft, aber nicht ganz so butterweich wie der Sinus. Der Klang ist am ehesten vergleichbar
mit einer Flöte oder einer Orgel. Die Dreieckswelle beinhaltet wenige ungeradzahlige Obertöne.
Rauschen
Nun, eine ganz besondere "Klangfarbe" wird vom Rauschen erzeugt :
Weisses Rauschen (White Noise) : es enthällt alles, was
man sich an Frequenzen vorstellen kann.
Natürlich gibt es keinen Grundton, und alle "Obertöne" (eigentlich sind es gar keine, denn es gibt ja auch keinen Grundton)
haben die gleiche Lautstärke pro Frequenzabschnitt.
Rosa Rauschen (Pink Noise), dagegen hat eine frequenzabhängige Amplitude.
Je größer die Frequenz, desto kleiner die Amplitude oder Lautstärke. Das verstärkt den Eindruck in den niedrigfrequente
Bereichen, rosa rauschen klingt also dumpfer.
Weisses Rauschen:
Rosa Rauschen:
Spannungskontrolle !
Die bisher gehörten Audio-Beispiele hatten fast alle die gleiche Grundfrequenz (pitch),
jedenfalls bis auf die 2 Beipiele mit der Pulsweite.
Wie kann man nun die Frequenz musikalisch sinnvoll verändern ?
Nun, das war eine der Schlüsselideen
der Konstrukteure der ersten analogen Synthesizer. Moog und Buchla waren wohl die
bekanntesten Ingenieure, die sich der Spannungssteuerung bedienten. Das heißt : jeder Parameter
(im Idealfall) den man bei einem Synthesizer verändern kann, sollte auch mit
einer sogenannten Steuerspannung (z.B. per Potentiometer) veränderbar sein.
Im Falle des Oszillators bedeutet das : die Tonhöhe, also Frequenz des Oszillators wird
mit einer Spannung verändert. Beispielsweise bedeutet 1 Volt : 220 Hz und 2 Volt 440 Hz,
3 Volt würden den Oszillator mit 880 Hz schwingen lassen, und so weiter.
Man nennt dann einen solchen Oszillator spannungsgesteuert (voltage controlled oscillator = VCO), wie bereits weiter oben beschrieben.
Seit Moog wird ein Oszillator üblicherweise so konstruiert, daß pro Volt eine Oktave Tonhöhenänderung
resultiert, wie schon erwähnt. Dieses Verhalten (V/Oct-Charakteristik) entspricht zum einen
dem physiologischen Hörverhalten, der Mensch empfindet jede Frequenzverdoppelung als Oktave,
jede Oktave ist in 12 Halbtöne unterteilt.
Das hat noch einen anderen Vorteil : stimmt man 2 Oszillatoren mit einer Oktave Abstand, und steuert
diese beiden Oszillatoren gleichzeitig über eine V/Oct-Tastatur an, so wird jede gespielte Note die
2 Oszillatoren mit einer Oktave Abstand schwingen lassen. Das funktioniert nur, wenn die Kennlinie
zwischen Steuerspannung und Oszillatorfrequenz exponentiell verläuft. Bei einer linearen Charakteristik
(V/Hz) würden die Oszillatoren bei jeder Steuerspannung (bis auf eine) Freunde der Mikrotonalität und Avantgarde sicher spannend, aber eben nicht jedermanns Sache.
Im folgenden Beispiel wird ein MIDI to CV Wandler eingesetzt, um einen Oszillator mit einer Sequenz anzusteuern.
MIDI to CV Wandler verwandeln eine gespielte Note in 2 Signale um, das erste ist der Steuerspannungsausgang,
der in einer V/Oct-Charakteristik den CV-Eingang des Oszillators steuert, der zweite Ausgang wird hier noch nicht
benutzt, ist jedoch genauso wichtig (GATE) : wenn die Taste gedrückt wird, springt GATE von 0 auf 5 V, läßt man die
Taste los, springt die Spannung schlagartig auf 0 V zurück. GATE verschlüsselt also den Tastendruck selber.
Nur so ganz nebenbei, und wir wollen das später auch noch genauer betrachten, kann man natürlich
diese Steuerspannung, die vom MIDI to CV Wandler kommt, auch noch modifzieren. So
wird zum Beispiel aus der eben gehörten Steuerspannungskurve :
diese hier :
und das klingt dann so :
Wie das genau geht, dazu im Verlauf des Tutorials deutlich mehr.
Frequenzmodulation (FM)
Nehmen wir nun eine Sägezahn-Oszillator und steuern die Frequenz desselben über eine langsam schwingende Dreieckwelle :
Wenn die Frequenz des Modulators ewas ansteigt klingt das so :
und noch etwas schneller :
Zuletzt ein Beispiel, in dem die Frequenz des modulierenden im Audiobereich liegt, hier bei etwa 110 Hz.
In allen 4 Beispielen wurde ein Niedrigfrequenzoszillator (Low Frequency Oscillator, LFO) benutzt, um die Frequenz eines
Sägezahn-VCO's anzusteuern.
Ein weiteres Beispiel besteht aus einer Dreieckwelle, die mit einer weiteren
Dreieckwelle Frequenzmoduliert wird.
Dieses kleine Beispiel demonstriert die Möglichkeiten der Frequenzmodulation in der Synthesizertechnik. (Yamaha's DX7 ist
ein Ergebniss dieser Technologie, mit 6 (!) Oszillatoren, die über verschiedene Algorithmen miteinander verknüpft werden
können.
Das nächste Beispiel arbeitet mit 3 Modulen : ein Dreieck-VCO wird von einem niedrigfrequenten Oszillator
frequenzmoduliert,das Ausgangssignal moduliert einen weiteren Dreieck-VCO.
Ein weiteres kleines Beispiel : nehmen wir mal einen Oszillator mit fester Frequenz,
dieser wird von einem weiteren Oszillator frequenzmoduliert, welcher über MIDI-CV mit einer
Sequenz angesteuert wird.
Nun wird der FM-modulierte Oszillator gleichzeitig MIDI-CV gesteuert,der Modulator-Oszilator
schwingt mit fester Frequenz.
Mehr als ein Oszillator
Bisher haben wir immer einen Oszillator benutzt. Läßt man 2 oder mehr
gleichzeitig schwingen, klingt das viel breiter und satter,
vor allem, wenn beide Oszillatoren minimal gegeneinader verstimmt sind. Es ensteht
dann ein langsames Pulsieren, das als "Schwebung" bezeichnet wird.
Hier ein Beispiel für 2 Oszillatoren, die perfekt zueinander abgestimmt sind, der eine
Oszillator ist eine Oktave tiefer als der andere Oszillator.
Diese Einstellung enthält weit weniger "Leben" !
Man kann auch einen Oszillator mit einer festen Frequenz betreiben, und wählt die
Sequenz des zweiten Oszillators so, daß sie zum ersten paßt.
Synchronisation
Synchronisation bedeuet hier, daß ein sogenannter Slave-Oszillator immer dann zurückgesetzt (reset) wird,
wenn ein MASTER-Oszillator seine Wellenform ganz durchlaufen hat.
Das heißt, beide Oszillatoren, die normalerweise unabhängig voneinander betrieben werden, erfahren eine
zeitliche Koppelung zueinander.
Der Slave VCO beginnt also seinen Zyklus jedesmal von vorne, sobald der MASTER seinen Zyklus startet.
Das bedeutet natürlich auch, daß, sofern der Master eine höhere Frequenz hat, als der Slave, keine
besonderen Veränderungen hörbar sind : Das Ausgangssignal des Slave-Oszillators entspricht im Beispiel
oben einem normalen Sägezahnton.
Sobald aber der Master eine niedrigere Frequenz als der Slave hat, entstehen interessante Klangfarben :
Im nächsten Beispiel wird der Master Oszillator auf eine feste Frequenz gestellt, der Slave-Oszillator
wird mit MIDI-CV angesteuert.
Ebenfalls möglich ist natürlich das Ansteuern des Masteroszillators durch eine MIDI-CV-Sequenz,
und eine (das bringt Leben hinein) Ansteuerung der Slave-VCO-Frequenz mit einem LFO, der
mit etwa 0,5 Hz schwingt. Der Slaveoszillator gibt übrigens ein Rechtecksignal von sich.
So. Zum Schluß des Kapitels über Oszillatoren und Klanggeneratoren noch
ein Beispiel,
das Sync benutzt, die Einstellung ist fast die gleiche, wie beim vorhergehenden Beispiel.
Hier kommen aber noch 3 Module hinzu, die einen Vorgeschmack auf die nächsten Kapitel
geben sollen : spannungsgesteuerter Verstärker (VCA), spannungsgesteuerter Filter (VCF)
und Hüllkurvengenerator (ADSR). Das Ganze wird durch etwas Hall abgerundet.
