深入探究 FM 合成器的工作原理

severan

调频 (FM) 合成是一种声音合成方法，由于其丰富、复杂的音色和高度的控制性，在 20 世纪 80 年代初开始流行。它涉及使用一个或多个频率来调制另一个频率，从而产生新的、通常很复杂的波形。本文将深入探讨 FM 合成的核心原理，解释其组件如何协同工作以产生独特的声音。

了解基础知识
FM 合成的基本组件是载波和调制器。简单来说，载波是你听到的主要声音，而调制器则改变或调制载波的频率。调制器改变载波频率的程度由调制指数决定。调制指数越高，频率变化越明显，从而产生更复杂、更丰富的音色。

为了更好地理解这一点，想象一下一个广播电台。音频内容（音乐或语音）是调制器，而你在收音机上调到的恒定频率是载波。音频内容调制载波频率，然后由你的收音机解调以产生你听到的声音。

FM 合成组件
载体
在 FM 合成中，载波是听到的主要频率或音调。之所以称为载波，是因为它“承载”了调制器施加的调制。如果不施加任何调制，载波会产生简单、纯净的音调，就像正弦波一样。

调制器
FM 合成中的调制器是用于调制载波的频率。调制器本身不是直接听到的；相反，它会影响载波的频率，从而影响载波的音色。

调制指数和边带
调制指数决定了调制器在载波中引起的频率偏差量。调制指数越高，频率偏差越宽，波形越复杂。

当调制器频率应用于载波时，它会产生称为边带的附加频率。这些边带与载波和调制器谐波相关，并有助于产生的声音的整体复杂性和丰富性。

FM 合成中的操作员
在 FM 合成中，操作器是生成和操纵声音的独立单元。每个操作器都可以充当载波或调制器，在某些情况下甚至可以同时充当两者。操作器通常由振荡器（生成波形）、放大器（控制波形的音量或振幅）和包络发生器（随时间调整声音的振幅）组成。

可以将每个操作器指定为载波或调制器，从而提供大量可能的声音。作为载波，操作器的振荡器会产生我们听到的基本波形。作为调制器，它会影响另一个操作器的波形频率，从而产生复杂的泛音和新的音色。

FM 合成算法
FM 合成算法是合成器中运算符的特定排列。该算法决定了运算符之间的相互作用，决定了哪些运算符充当载波，哪些运算符充当调制器。不同算法的运算符数量及其相互连接方式各不相同，这会显著影响可产生的声音的范围和复杂性。

在简单的算法中，你可能有一个运算符充当载波，另一个运算符充当调制器。在更复杂的算法中，你可以有多个运算符，其中一些运算符既充当载波又充当调制器。这允许一个调制器的输出用作另一个调制器的输入，或者一个载波也可以调制其他载波，从而产生丰富、动态的声音范围。

考虑一个具有四个运算符的算法：

运营商 1 是一家承运商。
操作器 2 调制操作器 1。
运营商 3 也是一家承运商。
操作器 4 调制操作器 3。
在这个算法中，运算符 1 和 3 提供基本声音，而运算符 2 和 4 则增加了这些声音的复杂性。通过改变每个运算符的频率、波形和调制指数，你可以创建各种独特的声音。

有些 FM 合成器提供了一组预定义算法，而有些则允许你创建自己的自定义算法。Yamaha DX7 是一款经典的 FM 合成器，它提供了 32 种不同的算法，每种算法都呈现了其六个运算符的不同排列。

运算符和算法的相互作用
FM 合成中的运算符和算法共同作用，创造出丰富多彩的声音。通过改变算法中每个运算符的角色、频率和调制指数，你可以精细控制最终的音色。这种灵活的结构使得 FM 合成如此强大和多功能。

FM 合成中的包络
在 FM 合成中，包络是每个运算器的一部分。它们不仅可以控制运算器的振幅，还可以控制调制的强度。这使得声音的音色可以随时间演变，而不仅仅是音量。

应用于载波操作符的包络会影响声音的整体音量轮廓，而应用于调制器操作符的包络会影响音色随时间的变化。这是因为调制器幅度的变化会改变调制指数，从而改变声音的谐波内容。

通过调整这些包络，你可以创建随时间变化的复杂声音。例如，你可以在调制器上设置较慢的启动时间，以逐渐引入新的谐波，使声音从简单音调演变为复杂音调。或者，在调制器上设置快速衰减可以在音符开始时产生短暂而复杂的“拨弦”，然后稳定为更简单的持续声音。

包络的力量
能够随时间动态控制音量和音色是 FM 合成的主要优势之一。通过使用包络，FM 合成可以更逼真地模仿真实乐器的行为，或创建随时间以复杂方式变化的全新声音。

本质上，虽然 FM 合成的运算符和算法定义了潜在的音色，但包络会随着时间的推移塑造这些声音，从而创造出 FM 合成所特有的独特且不断发展的特性。这些组件的相互作用使 FM 合成成为声音设计和音乐制作的强大工具。

频率比和谐波含量
在 FM 合成中，载波是我们听到的基频，调制器是修改或调制载波的频率。调制器和载波的频率之比对最终的声音有显著影响。

当比率为整数（如 1、2、3 等）时，调制器和载波是谐波相关的，这意味着它们与谐波序列一致。这会产生谐波或“音乐”声音，可用于模拟传统乐器或创建经典的合成声音。例如，比率为 2:1 意味着调制器频率是载波频率的两倍，从而产生具有清晰谐波结构的声音。

当比率为非整数或分数（如 1.5、2.7、3.2 等）时，调制器和载波不具有谐波关系，产生的声音将不和谐或“嘈杂”。这些类型的声音可用​​于创建打击乐声、铃声或其他独特而复杂的音色。

调制指数和比率
调制指数控制载波中的频率偏差量，它与比率一起塑造声音的音色。即使比率固定，通过改变调制指数，也可以创建不同的谐波内容。更高的调制指数会引入更多边带或额外频率，从而产生更明亮、更复杂的声音。

比率的实际应用
通过调整载波和调制器之间的比率，你可以以各种方式塑造声音的谐波内容。以下是一些实际示例：

创建低音
使用 1:1（调制器：载波）的比例可以产生丰富但仍然相当简单的声音，适合低音补丁。

创造类似钟声的声音
使用非整数比率（如 3.5:1）会产生复杂、金属或钟声般的声音。

模拟字符串
2:1 的比例可以产生具有清晰谐波结构的声音，适合弦乐或风琴类的音色。

后续步骤Next steps
掌握 FM 合成的基础知识后，接下来的步骤会根据你的兴趣和目标而有所不同。

亲自练习 FM 合成器至关重要，要运用你对运算符、算法、包络和比率的理解。许多合成器（无论是硬件还是软件）都带有预设声音。分析这些预设可以深入了解各种声音的构造方式。研究特定的合成器（如 Yamaha DX7）或 Native Instruments 的 FM8 或 Ableton 的 Operator 等软件，可以通过不同的工作流程和功能加深你对 FM 合成的理解。

你还可以深入研究更高级的 FM 合成技术，例如反馈或相位调制。增强声音设计技术和原理是有益的，了解如何重现特定声音，学习音乐理论和作曲也可以补充你的合成技能，尤其是在为音乐环境设计声音时。

最后，探索声学和心理声学领域（研究声音在物理世界中的行为以及我们对声音的感知），可以丰富你的声音设计选择。请记住，学习合成是一个需要时间和实践的过程。你的 FM 合成之旅进展如何？请在下面的评论中告诉我们。