3. Subtractive Synthesizer

Zoals de naam doet vermoeden, wordt bij subtractieve klanksynthese het brongeluid beïnvloed door er iets vanaf te halen. Bijvoorbeeld door bepaalde frequenties weg te filteren. In de basis bestaat een subtractieve synth uit drie componenten: Een oscillator, filter en versterker (Voltage Controlled Amplifier, of VCA). De oscillator genereert een golfvorm (bijvoorbeeld een sinus of een zaagtand), de filter vervormt deze golfvorm door bepaalde frequenties te dempen en de versterker regelt het volume van het uiteindelijke signaal over tijd (dit wordt ‘envelope’ genoemd). In onderstaande diagram wordt het geluidssignaal vertegenwoordigd door de horizontale lijnen. De verticale lijnen zijn invoersignalen; signalen die niet direct het geluidssignaal beïnvloeden, maar juist de componenten van de synthesizer. Neem bijvoorbeeld de Envelope; die beïnvloed de werking van de VCA, maar heeft geen directe invloed op de klank van het geluidssignaal zelf.

Oscillator

Laten we elk component één voor één onder de loep nemen, te beginnen met de oscillator(en). De oscillator is de bron van het geluid. Door een invoersignaal naar de Oscillator te sturen, produceert deze een golfvorm. In de meeste gevallen wordt het invoersignaal gegenereerd door toetsen in te drukken op een toetsenbord, hoewel sommige synths ook bronnen van buitenaf accepteren, bijvoorbeeld via MIDI. Het invoersignaal moet op de één of andere manier ook bepalen op welke toonhoogte de oscillator zijn golfvorm produceert. Bij analoge synths gebeurt dat door het voltage te variëren, vandaar de term “Voltage Controlled Oscillator (VCA)”. Hoe hoger de toets op het toetsenbord, des te hoger het voltage van het invoersignaal en hoe hoger de gegenereerde toon.
Meestal kan een oscillator diverse golfvormen produceren, zodat verschillende timbres en karakteristieken kunnen worden bereikt. Elke golfvorm kent zijn eigen karakter:

• Sinus (sine) – Een sinusgolf bestaat uit één harmonische, welke tevens de grondtoon is. Er zijn dus geen boventonen, daarom klinkt een sinus vrij simpel. Het is om deze reden ook moeilijk om de klank van een sinus drastisch te beïnvloeden.

• Zaagtand (saw) – Een zaagtand bevat alle even en oneven harmonische in gelijkmatige waarde. Om die reden klinkt het vol, helder en “buzzy”. De synthesizer in ‘Jump’ van Van Halen is een klassiek voorbeeld van zaagtanden.

• Puls (pulse) – Een puls in een rechthoekige golfvorm, waarbij de ratio tussen hoog en laag, ofwel de breedte van de rechthoeken, kan worden beïnvloed met een LFO (zie onder). Als de puls heel smal is, klinkt deze erg dun en nazaal. Als de verhouding 1:1 is, is er sprake van een blokgolf.

• Blokgolf (square) – De blokgolf is een rechthoekige golfvorm, waarbij hoog en laag dezelfde breedte hebben. De rechthoeken zijn dus eigenlijk vierkant, vandaar de Engelse naam. Een blokgolf bevat enkel oneven harmonische en kenmerkt zich door een holle klank, vergelijkbaar met een klarinet.

• Ruis (noise) – Ruis bevat alle frequenties in willekeurige amplitudes, die ook continu variëren. Er is geen sprake van een grondtoon of boventonen. Meestal wordt gebruik gemaakt van witte ruis. Roze ruis bevat minder hoge frequenties dan witte ruis en bruine ruis bevat nog minder.

Filter

De filter wordt vaak gezien als het belangrijkste element in een synthesizer, omdat het de meeste invloed uitoefent op de klank van het geluidssignaal. Filters komen in allerlei soorten en maten, maar de meest voorkomende filters zijn: Low pass (hoge frequenties worden gedempt), high pass (lage frequenties worden gedempt), band pass (hoge én lage frequenties worden gedempt, enkel de midden frequenties worden doorgelaten) en notch (een hele smalle frequentieband wordt gedempt).

De frequentie waarop de filter het signaal begint te beïnvloeden wordt de cut-off frequentie genoemd en is doorgaans de belangrijkste regelaar van de filter. Hoe steil de curve vanaf het cut-off punt afloopt (slope) is ook een belangrijke invloed op de klank. De meeste synths van vandaag hebben filters die 12, of 24 dB per octaaf filteren. Dit wordt bereikt door meerdere 6 dB filters aan elkaar te verbinden. Elk van die filters wordt een ‘pole’ genoemd. Zo wordt een 24 dB/octaaf filter ook wel een 4-pole filter genoemd.

Het laatste belangrijke onderdeel van een filter is de resonantie (resonance). Door de resonantie op te schroeven wordt een hele smalle frequentieband rond de cut-off frequentie versterkt. Dit geeft een soort “wouw” klank die erg karakteristiek is voor een substractieve synth. Als de resonantie extreem wordt opgeschroeft gaat deze zelf oscilleren, dit creëert een soort sinusgolf rond de cut-off frequentie.

Envelope

Envelope beschrijft volume als functie van tijd. Doorgaans is een filter opgedeeld in 4 segmenten:

• Attack – De tijd waarin het geluid van stilte tot een zeker volume komt vanaf het moment dat een toets wordt ingedrukt.

• Decay – De tijd waarin het geluid terugzakt naar een bepaald (lager) volumeniveau.

• Sustain – De tijd waarin het geluid op het dit volumeniveau blijft hangen.

• Release – De tijd waarin het geluid wegzakt nadat de toets is losgelaten.

De meeste synths hebben tenminste één envelope generator die de amplitude van het geluid beïnvloed (amp envelope), maar vaak zijn er ook envelopes beschikbaar om het filter of zelfs andere zaken zoals toonhoogte te beïnvloeden. Verder zijn sommige envelopes voorzien van meerdere attack, decay, sustain en release parameters, zodat het verloop zeer precies kan worden beïnvloed.

LFO: Low Frequency Oscillator

Net als een gewone oscillator kan een LFO diverse golfvormen produceren, maar dan op hele lage frequenties (zoals de naam doet vermoeden). Deze frequenties zijn veel te laag om te horen, dus voor geluidproductie zijn LFO’s niet bruikbaar. Waar ze echter wel voor gebruikt worden is modulatie. Net als de Envelope is de LFO een invoersignaal die diverse componenten van de synthesizer kan beïnvloeden. De meest gebruikte toepassing is toonhoogtemodulatie (pitch modulation) om een vibrato-effect te creëren. Maar men kan ook een tremolo-effect krijgen door met een LFO het volume te moduleren, of zogeheten ‘filter sweeps’ maken door de LFO aan de filter cut-off te koppelen.