Workshop_Folge
Workshop
3
28.02.2020

Synthesizer und Sounddesign #3 - Hüllkurven

Synthesizer Sounddesign für Einsteiger

Hüllkurven: Was sind Hüllkurven, wie funktionieren sie und wozu dienen sie?

Willkommen zur dritten Folge des Workshops Synthesizer und Sounddesign. In dieser Folge dreht sich alles um Hüllkurven. Die Begriffe Envelope, EG oder ADSR auf dem Bedienfeld deines Synthesizers sagen dir nichts? Keine Sorge – in dieser Folge erklären wir sie. Außerdem programmieren wir endlich unseren ersten Beispielsound von Grund auf.

Um zu verstehen, wofür ein Synthesizer Hüllkurven braucht, sollten wir zunächst überlegen, welche Elemente eigentlich den Charakter eines Klangs ausmachen. Grundsätzlich lässt sich jedes Klangereignis – und damit auch jeder Synthesizersound – im Wesentlichen durch drei Parameter beschreiben: Lautstärke, Tonhöhe und Klangfarbe. Die Lautstärke erklärt sich von selbst. Mit der Tonhöhe haben wir uns in Folge 1 ausführlich beschäftigt; sie wird bei einem Synthesizer durch die Frequenz der Oszillatoren bestimmt. Und in Folge 2 ging es um die Klangfarbe, die bei einem subtraktiven Synthesizer durch das Filter geformt wird.

Weshalb dieser Exkurs? Wenn du an natürliche Instrumente und ihren Klang denkst, etwa ein Klavier, eine Trompete, oder eine Violine, dann wirst du feststellen, dass die Parameter Lautstärke, Tonhöhe und Klangfarbe selten völlig konstant sind. Bei einem Klavier klingt der Ton langsam aus, nachdem die Taste angeschlagen wurde. Ein Cellist kann stufenlos von einem Ton zum nächsten “rutschen”, und ein Trompeter kann den Klang seines Instruments durch den Anblasdruck radikal verändern, und zwar auch, während er eine Note hält.

Damit ein Synthesizersound nicht statisch wirkt, ist es also sehr wichtig, diese Dinge im Zeitverlauf regeln zu können. Und genau hier kommen die Hüllkurven ins Spiel.

Quick Facts: Hüllkurve

Was ist eine Hüllkurve?

Eine Hüllkurve (engl. Envelope) ermöglicht die automatische Regelung von Parametern im Zeitverlauf. Bei einem Synthesizer kommen Hüllkurven am häufigsten zum Einsatz, um die drei Hauptparameter Lautstärke (Amp), Klangfarbe (Filter-Cutoff) und Tonhöhe (Pitch, Oszillatorfrequenz) zu steuern. Mit Hüllkurven lassen sich z. B. langsam anschwellende oder ausklingende Sounds realisieren, oder Klänge, die mit einer hellen Klangfarbe beginnen und dann dunkler werden. Je nach Ausstattung des Synthesizers kann es auch möglich sein, andere oder sogar beliebige Parameter mit Hüllkurven zu steuern.

Wie werden Hüllkurven aktiviert?

Im häufigsten Fall werden die Hüllkurven eines Synthesizers ausgelöst (getriggert), wenn eine Taste angeschlagen wird bzw. ein MIDI-Notenbefehl oder ein Gate-Signal eintrifft. Komplex ausgestattete Synthesizer und Modularsysteme erlauben ggf. auch andere Methoden der Auslösung, aber in diesem Workshop werden wir uns auf diese Standardsituation beschränken. Nach der Auslösung durchläuft die Hüllkurve automatisch eine zuvor mit den dazugehörigen Reglern eingestellte Kurve, die sich als Modulationssignal auf die zugewiesenen Parameter wie Lautstärke oder Filter-Cutoff auswirkt. Damit gehören Hüllkurve zu den sogenannten Modulationsquellen eines Synthesizers.

Wie werden Hüllkurven beim Synthesizer bezeichnet?

Je nach Hersteller findet man für die Hüllkurven eines Synthesizers unterschiedliche Bezeichnungen auf dem Bedienfeld. Gängig sind z. B. Envelope, ENV und EG (für Envelope Generator). Manche Hersteller beschriften die Hüllkurven auch nur mit ADSR1, ADSR2 und so weiter. Bei älteren Moog-Synthesizern wie dem Minimoog und von ihm abgeleiteten Synths wie dem Behringer Model D werden die Hüllkurven mit Contour bezeichnet.

Welche Hüllkurven-Konfigurationen gibt es bei Synthesizern?

Die Ausstattung verschiedener Synthesizer mit Hüllkurven variiert, ebenso wie ihre Ausführung und Zuweisung zu den verschiedenen steuerbaren Parametern. Manche besonders einfach gestalteten Synthesizer (z. B. die berühmte Roland TB-303) verfügen nur über eine einzige, einfach ausgestattete Hüllkurve mit nur wenigen Regelmöglichkeiten. Auch viele bekannte Vintage-Analogsynths wie etwa die Roland Juno-Serie und der Korg Polysix haben nur eine Hüllkurve. In solchen Fällen ist die Hüllkurve meist fest dem Filter zugewiesen, während man mit einem Schalter wählen kann, ob sie sich zusätzlich auch auf die Lautstärke auswirken soll.

Besser ausgestattete Synthesizer verfügen über zwei, drei oder mehr Hüllkurven und flexiblere Zuweisungsmöglichkeiten. Die folgenden Konfigurationen sind häufig anzutreffen:

  • Zwei Hüllkurven (a): Eine ist fest der Lautstärke, die zweite fest dem Filter zugewiesen. Andere Dinge lassen sich nicht per Hüllkurve steuern. Diese Konfiguration ist heute selten geworden.
  • Zwei Hüllkurven (b): Eine ist fest der Lautstärke zugewiesen, während die zweite für das Filter zuständig ist und zusätzlich oder stattdessen flexible Modulationsaufgaben übernehmen kann. Diese Konfiguration findet man beispielsweise bei der Novation Bass Station II und beim Sequential Prophet-6 / OB-6
  • Drei Hüllkurven: Lautstärke (Amp) und Filter verfügen jeweils über eigene, fest zugewiesene Hüllkurven. Eine dritte kann frei zugewiesen werden und beispielsweise die Tonhöhe, oder die Pulsbreite steuern. Diese Konstellation ist z. B. beim Sequential Prophet REV2 anzutreffen.

Bei gut ausgestatteten Synthesizern (vor allem bei digitalen Synths und Software-Synthesizern) findet man gelegentlich auch eine vierte oder sogar fünfte Hüllkurve, die dann über eine sogenannte Modulationsmatrix flexibel beliebigen Parametern zugewiesen werden können.

Was bedeutet ADSR?

Der mit Abstand häufigste Typ von Hüllkurven bei Synthesizern arbeitet nach dem sogenannten ADSR-Schema. Das steht für Attack-Decay-Sustain-Release. Eine ADSR-Hüllkurve hat vier Phasen, die jeweils mit einem eigenen Regler eingestellt werden können.

Die ADSR-Hüllkurve wurde schon in der Anfangszeit der Synthesizer entwickelt und bewährt sich bis heute, weil sie einen guten Kompromiss darstellt: Einerseits lassen sich mit ihr die meisten Klangverläufe, die auch bei natürlichen Instrumenten vorkommen und die als musikalisch empfunden werden, hinlänglich genau abbilden. Langsam anschwellende oder abklingende Sounds und prägnante Einschwingphasen, die dann in ein statisches Halten des Tons münden, sind mit einer ADSR-Hüllkurve problemlos machbar. Andererseits ist sie relativ einfach aufgebaut, mit überschaubarem technischen Aufwand realisierbar und sehr einfach zu bedienen. Natürlich kann eine ADSR-Hüllkurve nicht alle komplexen Verläufe abbilden, aber sie stellt einen praktikablen Mittelweg zwischen klanglichen Möglichkeiten und technischem Aufwand dar.

Betrachten wir der Reihe nach die vier Phasen einer ADSR-Hüllkurve:

  • Attack: Beim Tastenanschlag (‘Key on’) wird die Hüllkurve ausgelöst und durchläuft nun ihre Attack-Phase, deren Länge mit dem Attack-Regler eingestellt werden kann. Während der Attack-Phase steigt das von der Hüllkurve ausgesendete Modulationssignal von ‘Null’ auf das Maximum an.
  • Decay: Nachdem die Attack-Phase durchlaufen und das Maximum erreicht wurde, fällt das Modulationssignal innerhalb der mit dem Decay-Regler einstellbaren Zeit auf das Niveau ab, das mit dem Sustain-Regler eingestellt wurde.
  • Sustain: Der Sustain-Level wird nun gehalten, solange die Taste weiter gedrückt gehalten wird. In dieser Zeit bleibt das von der Hüllkurve ausgesendete Modulationssignal statisch auf dem mit dem Sustain-Regler eingestellten Wert stehen.
  • Release: Die Sustain-Phase endet in dem Moment, in dem die Taste losgelassen wird (‘Key off’). Nun beginnt die Release-Phase, deren Länge mit dem Release-Regler eingestellt wird. In dieser Zeit sinkt das ausgesendete Modulationssignal vom Sustain-Level auf ‘Null’ ab.

Wichtig: Wenn du das oben abgebildete Schema genau betrachtest, wirst du feststellen, dass Attack, Decay und Release Zeiten angeben, während Sustain für ein bestimmtes Level steht, also einen Wert des von der Hüllkurve erzeugten Modulationssignals. Sustain ist also keine Zeit, sondern – je nachdem, was mit der Hüllkurve gesteuert wird – ein bestimmtes Lautstärkeniveau, ein Filter-Cutoffwert o. ä. Diese Unterscheidung ist sehr wichtig, um eine ADSR-Hüllkurve richtig einstellen zu können.

Welche anderen Formen von Hüllkurven gibt es?

Neben dem ADSR-Schema findet man bei Synthesizern einige andere Arten von Hüllkurven, sowohl einfachere als auch komplexere. Gerade bei gut ausgestatteten, modernen Digitalsynthesizern bieten die Hüllkurven oft noch einige Parameter bzw. Phasen mehr. Die folgenden Schemata sind neben ADSR relativ weit verbreitet:

  • AD: Attack-Decay. Die Hüllkurve verfügt nur über einstellbare Attack- und Decay-Zeiten. Es gibt kein Sustain-Level. Das bedeutet, dass die Hüllkurve nach dem Tastenanschlag die Attack- und Decay-Phasen durchläuft und dann zum Ausgangspunkt (‘Null’) zurückkehrt. AD-Hüllkurven findet man z. B. beim MFB Dominion 1 (hier als dritte Hüllkurve neben zwei ADSRs) und Arturia Minibrute 2 (neben einem ADSR).
  • AR: Attack-Release. Die Hüllkurve bietet nur einstellbare Attack- und Release-Zeiten. Nach dem ‘Key on’ steigt das Modulationssignal auf das Maximum an (Attack) und verbleibt dort, solange die Taste gehalten wird. Beim ‘Key off’ beginnt die einstellbare Release-Phase. Der ARP Odyssey (und Behringer Odyssey) ist ein bekannter Synthesizer mit einer AR-Hüllkurve, auch die Amp-Hüllkurve des Dreadbox Erebus arbeitet so.
    Gelegentlich gibt es auch AD-Hüllkurven, die mit einem Schalter zum AR umfunktioniert werden können. Dies findet man z. B. beim Dreadbox Nyx.
  • ASR: Attack-Sustain-Release. Verwandt mit der AR-Hüllkurve, aber zusätzlich mit einer Einstellung für das Sustain-Level. 
  • A-D/R-S oder ADSD: Der Moog Minimoog, seine Verwandten wie der Behringer Model D und einige andere Synthesizer von Moog wie der Minitaur verwenden dieses Schema. Dabei verfügt die Hüllkurve über alle vier Phasen einer ADSR-Hüllkurve, allerdings teilen sich Decay und Release einen gemeinsamen Regler und sind somit immer gleich lang. Auch die Hüllkurve des Dreadbox Hades arbeitet nach diesem Schema.
  • AHDSR: Diese Hüllkurve verfügt zwischen den Attack- und Release-Phasen über eine zusätzliche, einstellbare Hold-Phase. Damit lässt sich der maximale Pegel des Modulationssignals für eine einstellbare Zeit halten, bevor die Decay-Phase beginnt. Anzutreffen z. B. beim M-Audio Venom.

Vor allem bei digitalen Synthesizern und komplexen Software Synths wie dem Native Instruments Massive X sind die Hüllkurven oft noch deutlich komplexer. Das geht bis hin zu Hüllkurvenverläufen, die mit der Maus frei gezeichnet werden können. Der Alesis Andromeda A6 verfügt über ADDSRR-Hüllkurven mit je zwei Decay- und Release-Phasen, wodurch die entsprechenden Kurven flexibler verlaufen können. Auch bieten manche Synthesizer eine zusätzliche Delay-Phase, durch die sich eine Verzögerung einstellen lässt, bevor die Hüllkurve ihren Durchlauf beginnt. Für diesen Workshop werden wir uns aber auf den Typ beschränken, der immer noch mit Abstand der häufigste ist: ADSR.

Hüllkurven mit Loop-/Cycle-Funktion

Die Hüllkurven mancher Synthesizer bieten eine Loop- bzw. Cycle-Funktion. Dadurch durchläuft die Hüllkurve ihren Verlauf nicht nur einmal, sondern beginnt, wenn sie am Ende angekommen ist, wieder von vorn. Der Hüllkurventyp, der am häufigsten mit einer Loop-Funktion kombiniert ist, ist AD (Attack-Decay), zu finden beispielsweise beim ARP Odyssey. Weitere Beispiele für Synthesizer mit loopbaren Hüllkurven sind der Moog Sub 37 / Subsequent 37, Dreadbox/Polyend Medusa, Dreadbox Erebus V3, Sequential Prophet REV2 sowie zahllose Eurorack-Hüllkurvenmodule.

Eine geloopte Hüllkurve erzeugt ein zyklisches Modulationssignal und verhält sich somit ähnlich wie ein LFO, dessen Modulationskurve flexibel eingestellt werden kann. Mehr zu LFOs erfährst du in der nächsten Folge dieses Workshops.

Beispielsound: Sweep Pad

Als ersten Beispielsound dieses Workshops programmieren wir ein Sweep Pad, einen Flächensound mit einer Hüllkurvenmodulation des Filters. Dabei kommen alle Elemente aus den ersten drei Folgen zum Einsatz: Oszillatoren, Filter und Hüllkurven.

Ich verwende für diesen Beispielsound den Freeware-Synthesizer Helm von Matt Tytel, den du dir hier herunterladen kannst. Er läuft auf macOS, Windows und Linux. Wenn dir dieser umfangreiche und gut klingende Software-Synthesizer gefällt, kannst du den Entwickler mit einer Spende unterstützen.

Den Ausgangspunkt bildet das Preset Helm Init, das du im Downloadbereich am Ende dieses Artikels findest. Es besteht aus einer einfachen Sägezahnschwingung von einem einzelnen Oszillator und klingt so:

Dieser statische Sound ist natürlich viel zu langweilig und es wird sofort deutlich, dass Bewegung hinein muss. Bevor wir zu den Hüllkurven greifen, nehmen wir jedoch einen zweiten Oszillator hinzu, den wir leicht gegen den ersten verstimmen, was dem Sound interessante Schwebungen verleiht.

Im Preset Helm Init ist der zweite Oszillator ebenfalls auf eine Sägezahnschwingung eingestellt. Um ihn zu hören, drehen wir OSC2 im Mixer auf die gleiche Lautstärke wie OSC1. Dann drehen wir den Tune-Regler für OSC1 etwa 5 Cent nach unten und den Tune-Regler für OSC2 um 5 Cent nach oben (siehe Bild). Nun klingt das Ganze so:

Der Klang hat durch die beiden leicht gegeneinander verstimmten Oszillatoren nun einen volleren Charakter bekommen, ist aber immer noch sehr statisch. Um das zu ändern, kümmern wir uns zunächst um die Lautstärkehüllkurve. Der Klang soll beim Tastenanschlag einen kurzen Moment brauchen, bis er seine maximale Lautstärke erreicht. Auch sollen die Noten beim Loslassen der Tasten nicht sofort abreißen, sondern einen kurzen Moment ausklingen.

Die Lautstärkehüllkurve ist beim Helm mit Amplitude Envelope beschriftet und verfügt über vier Schieberegler für Attack, Decay, Sustain und Release. Voreingestellt sind im Preset Helm Init die Werte ‘Null’ für Attack, Decay und Release sowie der Wert ‘1’ (100 %) für das Sustain-Level. Das bedeutet, dass der Ton, wie bei einer Orgel, bei Tastendruck sofort da ist, und nach dem Loslassen der Taste sofort weg ist.

Um ein langsames Anschwellen und Abklingen des Klangs zu erreichen, schieben wir die Slider für Attack und Release etwas auf. Im nächsten Beispiel steht Attack auf etwa 0,3 Sekunden, während Release etwa 0,7 Sekunden beträgt.

Noch interessanter wird der Verlauf, wenn wir zusätzlich die Decay-Zeit etwas aufdrehen und das Sustain-Level leicht zurücknehmen. Dadurch erhalten die Töne jeweils am Anfang einen leichten Lautstärke-“Buckel”, bis die Lautstärke während der Sustain-Phase dann konstant bleibt. Im nächsten Beispiel steht Decay auf ca. 1 Sekunde, Sustain beträgt etwa 0,8.

Kommen wir nun zum Filter. Bisher war der Klang wegen der obertonreichen, ungefilterten Sägezahnschwingungen sehr hell und im wahrsten Sinne des Wortes “sägend”. Das Filter befindet sich in der Mitte der Benutzeroberfläche des Helm Synthesizers. Es ist in unserem Init-Preset auf ein Tiefpassfilter mit 24 dB/Okt. Flankensteilheit voreingestellt.

Das Filter muss zunächst mit einem Klick auf den dazugehörigen “Einschaltknopf” aktiviert werden. Dann stellen wir den Filter-Cutoff ein, indem wir den waagerechten Slider unterhalb der Filtergrafik (sozusagen auf der X-Achse) nach links verschieben. Die Cutoff-Frequenz verringert sich und das Filter lässt weniger Obertöne hindurch – der Klang wirkt dunkler. Im nächsten Beispiel steht der Filter-Cutoff, der beim Helm in Halbtonschritten angegeben wird, auf ca. 70 Semitones.

Um den Sweep-Effekt zu erzeugen, soll jetzt auch das Filter mit einer Hüllkurve gesteuert werden. Dazu verwenden wir die Filterhüllkurve, die sich direkt unterhalb des Filters befindet und mit Filter Envelope beschriftet ist.

Drehe zunächst beim Filter den Regler Env Depth auf, auf ca. 65 Semitones. Dadurch bestimmst du, wie stark sich die Filterhüllkurve auf die Cutoff-Frequenz des Filters auswirkt. Du wirst feststellen: Das Filter öffnet sich wieder etwas. Das liegt daran, dass bei der Filterhüllkurve der maximale Sustain-Wert von 1 voreingestellt ist. Er wird nun mit der mit Env Depth eingestellten Stärke zum eingestellten Cutoff-Wert addiert, wodurch dieser natürlich wieder steigt.

Ziehe nun die Slider Attack und Decay der Filterhüllkurve auf und regele Sustain auf ‘Null’. Jetzt kommt Bewegung in die Cutoff-Frequenz: Sie steigt in der mit Attack eingestellten Zeit auf den Maximalwert an und fällt dann während der Decay-Phase wieder ab. Im nächsten Beispiel steht Attack auf etwa 1,3 Sekunden; Decay beträgt etwa 3,3 Sekunden. Damit sich der Sound beim Loslassen der Taste nicht merkwürdig anhört und der Cutoff-Wert nicht sprunghaft abfällt, solltest du zudem die Release-Zeit etwas erhöhen, z. B. auf den Wert, der auch bei der Lautstärkehüllkurve eingestellt ist.

Mit den Werten für Env Depth, Attack und Decay kannst du experimentieren. Was gut klingt, hängt auch davon ab, was du spielst und mit welchem Tempo du spielst, gerade bei einem solchen Flächensound.

Indem wir die Filterresonanz etwas aufdrehen, können wir den Sweep-Effekt noch verstärken. Du erinnerst dich: In Folge 2 hatten wir gesehen, wie die Resonanz die Cutoff-Frequenz betont. Die Resonanz findest du beim Helm auf dem kleinen vertikalen Slider rechts von der Filtergrafik. Im nächsten Beispiel steht die Resonanz auf etwa 40 %, wodurch der Sweep deutlicher zur Geltung kommt.

Der Sound ist nun sehr prägnant – in der Praxis würde man einen solchen Flächensound wahrscheinlich etwas dezenter gestalten. Nimm daher den Regler Env Depth wieder etwas zurück, auf ca. 40 Semitones. Nun hast du ein dezentes, einfaches Sweep-Pad mit einer Filterbewegung, die du mit den Reglern Attack und Decay der Filterhüllkurve an deinen Track anpassen kannst. Auch mit Cutoff und Resonance kannst du selbstverständlich experimentieren, bis der Sound deinen Vorstellungen entspricht.

Mit etwas Chorus aus einem anderen Plug-in (TAL CHORUS-LX) klingt das Ganze nun so:

Schlusswort

Mit Hüllkurven kann man Klängen Leben einhauchen. Sie ermöglichen die Steuerung von Lautstärke, Filter und je nach Synthesizer vielen weiteren Parametern im Zeitverlauf. Dadurch wirken Klänge interessanter und weniger statisch. In der nächsten Folge dieses Workshops werden wir uns einer weiteren Modulationsquelle widmen, dem LFO. Bis dahin viel Spaß beim Ausprobieren der Hüllkurven!

Downloads

Hier kannst du dir den Beispielsound für den Freeware-Synth Helm von Matt Tytel herunterladen. Das Download-Paket enthält auch das Preset Helm Init als neutralen Ausgangspunkt zum Sounds bauen. Wo die Presets abgelegt werden müssen, damit sie von dem Plug-In gefunden werden, steht in der Readme-Datei, die dem Download ebenfalls beiliegt.

Veröffentlicht am 28.02.2020

Gehört zu dieser Serie

Verwandte Artikel

User Kommentare

Zum Seitenanfang
ZUR STANDARD WEB-ANSICHT X