什么是FM合成及其工作原理？

memore · 发表于 2024-8-23 22:32:08

FM合成是上世纪 80 和 90 年代一些最经典曲目背后的音效设计师。在许多方面，它以其独特而不拘一格的声音彻底改变了音乐制作。

从失真低音线的电子嗡嗡声到数字铃铛的晶莹光泽，FM合成为新一轮音乐浪潮奠定了基础。然而，对于许多有抱负的音乐制作人来说，FM合成可能会让人感到复杂和难以承受，尤其是当你开始钻研调制器和载波的复杂网络时。
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不过不用担心！在本文中，我们将为你揭开FM合成的神秘面纱，分解其各个组成部分，并探讨几种不同的硬件和软件合成器选择，你现在就可以将它们添加到你的武器库中。

什么是FM合成？

FM合成是频率调制合成的简称。

其核心是用一种波形的频率（载波）对另一种波形的频率（调制器）进行调制，从而产生复杂的谐波和非谐波音效，既丰富又充满活力。载波和调制器之间的相互作用可以产生各种音色，从自然音色的乐器到难以归类的全新数字音色。

这一过程从载波开始，例如一个简单的波形，如基本的正弦波，它本身听起来纯净而朴实。然后，调制器（另一种波形）改变载波的频率，引入称为边带的新频率。调制器的频率和振幅决定了声音的特性和强度。通过调整这些参数以及调制指数，可以产生各种音质。

FM合成之所以特别强大，是因为它能以相对较低的计算能力产生复杂的声音。这也是它在 20 世纪 80 年代的数字合成器中大受欢迎的原因之一。尽管FM合成技术复杂，但只要了解其基本工作流程，就能为声音设计开辟一片天地。

FM合成的组成部分
要完全掌握FM合成的奥妙，首先要了解它的关键组成部分，其中每一个都在最终音效的形成过程中发挥着独特的作用。从作为调频音色构件的运算符，到载波和调制器之间的舞动，有多个元素共同创造出FM合成所特有的音色。

运算器
调频运算器是FM合成中产生声音的基本元件。从本质上讲，它们的功能类似于独立的模拟振荡器。每个调频运算器既可以充当载波，产生可听的声音，也可以充当调制器，影响载波信号的频率，进而影响音色。

运算器可产生基本波形（如正弦波），然后通过调制产生更复杂的声音。然而，FM合成的真正威力在于这些运算器如何相互连接和调制。因此，你可以获得大量的声音。

载波和调制器

载体 “和 ”调制器 "指的是运算符在合成过程中可以扮演的角色。

载波是产生实际声音的运算符，作为基本音频信号，而调制器并不产生听众可以直接听到的声音。相反，它们会影响或 “调制 ”载波的频率，从而改变其谐波内容和音色。

这两者之间的相互作用产生了FM合成中的复杂声音。当你改变调制器的频率、振幅和调制指数时，就能产生从微妙的颤音效果到声音谐波结构的巨大变化等各种效果。

算法
我喜欢把调频算法视为决定运算符如何相互连接的蓝图。每种算法代表一种特定的运算符配置，决定了它们相互影响的途径。

从本质上讲，算法定义了调制结构，概述了哪些运算符可以调制其他运算符，以及相互作用的顺序。这种结构框架非常关键，因为它直接影响到音色的可能性。即使使用同一套运算器，不同的算法也能通过不同的调制路由方式产生截然不同的效果。

包络发生器
接下来是包络发生器，它的作用是随着时间的推移塑造声音的动态轮廓。它们决定了载波和调制器的振幅从音符触发到结束的变化过程，从而影响声音的整体表现力和动感。

包络发生器通常使用 ADSR 参数--“增强”（Attack）、“衰减”（Decay）、“持续”（Sustain）和 “释放”（Release）--来精确控制声音达到峰值音量的速度（增强）、减弱至 “持续 ”音量的速度，以及最后渐弱的速度（释放）。

通过在FM合成中使用包络发生器，我们不仅可以塑造声音的音量包络，还能在声音的整个持续时间内显著改变音色特征。

频率比
载波和调制器信号频率之间的关系由频率比来定义，而正是这一比率决定了声音输出的谐波或非谐波性质。

当频率比为整数（如 1:1、2:1、3:2）时，就会产生谐音和乐音，通常与传统乐器相似。这些声音所产生的泛音频率是基频的整数倍。

另一方面，当比率涉及非整数关系（如 1.5:1、2.7:1）时，结果是非谐音，通常更具打击感或类似钟声的声音，在音乐上是不和谐的。这些非谐波声音没有基频整数倍的泛音，因此通常会产生更复杂的音调或金属调频声音。

反馈
当运算器（此处主要指正弦波发生器）的输出被路由回自身时，就会产生反馈。这一过程会产生更复杂的波形，引入额外的谐波或泛音，从而丰富声音的质感。

值得注意的是，反馈最常用于调制器。当运算器通过反馈对自身频率进行调制时，会改变波形的形状，从简单的正弦波转变为更复杂的波形。这种复杂性会给声音增加谐波或非谐波内容，具体取决于所应用的反馈量。

因此，你可以获得一系列复杂的音色，从厚重的前奏到激进的失真低音。对于想要创造不断变化的音色的音效设计师来说，这也是一个很好的工具。

FM合成简史
FM合成的发展和普及主要归功于 John Chowning 的工作。20 世纪 60 年代末，斯坦福大学的作曲家兼研究员 Chowning 开始探索FM合成作为一种创造复杂声音的手段的潜力。

他的开创性发现--将一种波形的频率与另一种波形的频率进行调制，可以产生广谱的谐音和非谐音--为FM合成奠定了基础。这种方法不仅具有创新性，而且效率很高，适合数字技术的应用。Chowning 的工作最终促使斯坦福大学将该技术授权给Yamaha，这标志着FM合成技术商业化之旅的开始。

Yamaha GS-1 于 1980 年推出，是第一款进入音乐行业的商用FM合成器。然而，由于其体积、复杂性和成本，只有少数音乐家和工作室能使用 GS-1。

随着 1983 年Yamaha DX7 的问世，这种排他性发生了改变。DX7 采用了 Chowning 的FM合成原理，在音质、经济性和便携性方面都具有划时代的意义。它的音色非常独特，具有明亮、丰富的数字音色，是 20 世纪 80 年代音乐（尤其是流行乐和摇滚乐）的主流。

在许多方面，这种FM合成器的问世标志着音乐制作领域的重大转变，鼓励了数字合成器的采用。

当然，FM合成的遗产并不止于硬件。

随着世界进入数字时代，FM合成以 VST（虚拟演播室技术）插件的形式获得了新生。这些软件合成器模仿了传统FM合成器的声音和功能，同时提供了更大的灵活性，并可集成到 DAW 中。

如今，FM合成器仍在不断发展，为音乐家和制作人提供了一个日益丰富的音效设计工具包。

硬件FM合成器
硬件FM合成器在 20 世纪 80 年代大放异彩，其中一些型号成为经典的FM合成器，至今仍被广泛使用。让我们来看看一些最具代表性的调频设备。

Yamaha DX7
正如我们已经讨论过的，Yamaha DX7 在某种程度上是FM合成中的不朽之作。在许多方面，正是这款FM合成器预示着频率调制合成在音乐制作中的广泛应用。

DX7 于 1983 年进入市场，并以其清晰度、复杂的和声和无尽的声音可能性改变了市场格局。音乐家们对它爱不释手，因为它拥有超乎想象的音色，包括定义了 80 年代流行音乐的电钢琴和贝司。如今，我们仍能在合成波音乐中听到这些梦幻般的垫子和刺耳的主音。

然而，DX7 的真正魅力在于其界面，它只有少量按钮和一个数据滑块。这标志着 DX7 与当时满是旋钮的模拟合成器截然不同，它挑战着音乐家以新的方式探索声音设计。尽管有一定的学习曲线，但 DX7 仍然是一款相对高效的合成器。凭借深度编程，它在当时提供了无与伦比的创造力。

时至今日，它仍是最耐用、最可靠的经典合成器之一，这也是它成为世界各地录音室和舞台上的主打产品的原因。

Elektron Digitone
Elektron Digitone 的制作者对传统FM合成进行了现代改造，将数字声音生成的复杂性与 Elektron 著名的直观工作流程融为一体。

这款小巧的数字FM合成器于 2010 年代末发布，重新诠释了FM合成，使其比以往任何时候都更易于使用，音乐表现力更强。与许多其他FM合成器不同的是，它拥有时尚、友好的用户界面和坚固的结构。我第一次使用 Digitone 时，就惊讶地发现它能如此轻松地调出不同的声音，而无需像FM合成那样经过陡峭的学习曲线。

Digitone 的核心是一个功能强大的 4 操作器 FM 引擎，辅以 Elektron 标志性的步进音序器，让用户可以拨出复杂的节奏模式和序列。通过简化调制矩阵和提供对声音塑造的实际控制，它采用了更多创新的FM合成方法。

使用这款合成器进行声音设计的过程比想象的要直观得多，加上多模式滤波器和效果器，你可以获得温暖而有深度的声音，与数字调频声音潜在的冷冰冰的精确性相得益彰。

除了作为独立乐器的出色表现外，它的 MIDI 和 Overbridge 功能还能确保它完美地融入任何设置，在硬件和软件音乐制作环境之间架起一座桥梁。

Korg Opsix
Korg Opsix 是频率调制合成技术发展史上的一次巨大飞跃。它将传统调频声音生成的深度和多功能性与FM合成器通常不具备的易用性和动手控制水平结合在一起。

Opsix 于 2020 年问世，当时世界似乎正在崩溃，但它却为FM合成和广大硬件合成器爱好者带来了光明。它使数字FM合成技术更容易为广大用户所接受，同时又不失使其备受推崇的音质复杂性。

Opsix 的突出特点之一是其创新的界面，包括一个详细的 OLED 显示屏以及一系列旋钮和滑块，可提供对参数的直接触感控制。我喜欢易于操作的触感合成器，因为它能让复杂音色的拨号过程更加直观。

除了传统的 FM 之外，Opsix 还采用了一种混合方法，将波形塑造、滤波和效果融合在一起，从而扩大了调色板的范围。从晶莹剔透的钟声到不断变化的垫子，你可以创造出更广泛的音色。Opsix 的另一个亮点是它能够超越经典的 4 操作器或 6 操作器设置，提供 “改变 ”调频模式，引入新的操作器模式和调制选项。它的复调音序器、动作音序和琶音器使其成为录音室制作和现场表演的绝对利器。

软件FM合成器
如今，软件在音乐制作市场上占据主导地位，由于有了众多优秀的品牌和开发商，有一系列杀手级软件FM合成器可供选择。原生乐器 FM8Native Instruments 的 FM8 已成为软件FM合成器领域的巨人。
自 2002 年作为 FM7 推出以来，它一直以复杂的深度和灵活性而闻名。FM8 建立在丰富的FM合成传统之上，提供了相对现代的变化、友好的用户界面和无尽的声音可能性。它将 FM 合成特有的复杂、谐波丰富的纹理与简化编程过程的现代设计巧妙地结合在一起，使各类用户都能使用。

它是我最早接触的软件合成器之一，至今我仍在使用它。FM8 的核心是其强大的音效引擎，从令人想起复古FM合成器的温暖、经典钟声音色，到完全突破数字合成界限的前沿纹理和前导音色，它都能轻松胜任。

矩阵式显示屏在现在看来可能有点过时，但有了庞大的预设库，你总能有一个很好的起点开始探索。

Waves Flow Motion
Waves Flow Motion 可能是过去十年中我最喜欢的软件合成器之一。它的调频音效所带来的粗犷和锋利感是其他软件难以企及的。

它将传统的FM合成技术与极具视觉冲击力和高度直观的界面完美地融合在一起。Waves 能够让这款合成器脱颖而出的方法之一，就是为用户提供直接的亲身体验。如果你还不明白本文的主题，那么FM合成通常会让人感觉复杂而难以接近，这就是为什么我非常喜欢简化合成过程的软件。创新的图形界面让创建、连接和处理调频音效变得简单，还能通过动态视觉反馈实时查看音效的不同组成部分。

Flow Motion 拥有众多出色的预设，能让你快速找到脑海中的任何声音。你将获得四个灵活的调频振荡器、一个多功能调制矩阵和一系列板载效果，无论你创作何种音乐，都能从中获得无尽的灵感。

我从未真正把 Waves 当作 VST 乐器设计者，而 Flow Motion 从很多方面改变了我的想法。

Arturia DX7 V

无论你缺乏资金或录音室空间，这并不意味着你无法获得史上最著名FM合成器之一的音效。Arturia DX7 V 是对Yamaha标志性 DX7 的精心数字再现。它将 FM 合成音效的所有精髓带入现代制作中，具有非凡的真实性（与许多 Arturia 产品一样）。与公司所有的合成器仿真产品一样，Arturia 不遗余力地确保 DX7 V 不仅仿效其硬件前身的独特音质，而且还在此基础上增加了新功能，以满足当今音乐制作工作流程的需要。

凭借直观的界面，DX7 V 打破了原版 DX7 众所周知的复杂编程障碍，为用户提供了一种更易于使用的方式来探索和创造声音。凭借新增的调制矩阵、新的振荡器选项和内置效果引擎，DX7 V 极大地拓宽了音效设计的可能性，超越了原版乐器。

现在，你可以轻松地浏览各层FM合成，并在感觉就像瞬间一样的时间内创造出你想要的任何声音。

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