Synthesizer und Sounddesign #3 - Hüllkurven

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.

Inhalte

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.

Hüllkurven eines Sequential Prophet-6: zwei ADSR Envelopes für Filter und Amp

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.

ADSR ist das mit Abstand häufigste Hüllkurven-Schema bei Synthesizern.

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.

Schema der ADSR-Hüllkurve. Attack, Decay und Release sind Zeiten, während Sustain ein Level ist.

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.

Die AR- und ADSR-Hüllkurven des ARP Odyssey (ganz rechts) lassen sich auf "Auto Repeat" stellen — Die AR- und ADSR-Hüllkurven des ARP Odyssey (ganz rechts) lassen sich auf “Auto Repeat” stellen

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:

Audio Samples