FM 音色生成的工作原理

“FM 音色生成”中的 FM 是“频率调制”的缩写。合成器左侧的轮状控制器被称为“调制轮”，它所使用的正是这种调制方式。调制轮通过低频振荡器 (LFO) 产生的低频信号对声音进行调制，使原始声音的频率反复地略微升高和降低（音调也随之变化），如图 1 所示，从而产生颤音效果。

那么，如果提高 LFO 的频率会发生什么呢？

如果使用频率接近或高于原始声音的波形来提高或降低音调，会导致音调在我们感知为音高的基本周期内波动，从而导致波形失真。FM 音色生成利用的正是这种原理，它通过改变波形来创造各种各样的声音。

实际上，随时间线性变化的相位进程会被改变，并以声音的形式输出。这是一个复杂的过程，我们将在下文中使用图片来解释。

假设我们观察汽车的旋转车轮：

如果汽车以恒定速度行驶，车轮的旋转时间也保持不变。

我们在车轮的左边缘做上一个标记，然后绘制出这个标记垂直运动轨迹，我们会得到一个类似于标准正弦波的波形。

假设为了保持车速恒定，车轮旋转一圈的时间也必须保持恒定。那么，如果车轮的转速不均匀会发生什么呢？

例如，假设车轮在标记到达 12 点钟位置之前旋转速度相对较快，在到达 6 点钟位置之前逐渐减速，最后在旋转的最后 1/4 圈快速加速，以弥补损失的时间。

如图 2-b 所示，这种运动的轨迹将不再是标准的正弦波。

虽然这可能会导致乘坐体验不佳，但车轮转速不均匀的汽车与车轮转速均匀的汽车的行驶速度并没有差别。声音也是如此，音调保持不变。

因此，用来描述车轮转速变化的波形被称作“调制波形”。在本例中，我们可以假设调制波形是一个频率与车轮旋转频率相同的正弦波。

如果我们增强车轮转速变化的影响，标记的运动轨迹就会变得更加复杂，在某些情况下，甚至会出现反向旋转才能保证车轮旋转一圈的时间保持恒定。

最终得到的轨迹如图 2-c 所示。

因此，车轮旋转产生的原始轨迹便是被调制的波形，而描述车轮转速变化的波形（加速产生的正向变化以及倒车档而不是刹车产生的负向变化）可以被视为调制波形。

回到声音，FM 音色生成的基本概念便是使用其他的波形来调制一个波形，从而创造出各种各样的全新波形。我们可以通过改变调制波形的频率和强度来生成各种复杂的波形变化。

例如，如果我们使用频率为原始波形 10 倍的波形进行调制，会发生什么呢？

如图所示，采用这种调制方式会在原本的正弦波上叠加一些细微的波动，从而产生频率远高于原始声音频率的谐波，使其声音带有金属质感。

我们可以使用包络发生器 (EG) 来改变调制波形的音量（调制强度）随时间的变化。例如，我们可以让声音的起音具有金属质感，并在衰减和释音阶段逐渐变得柔和，从而使声音的音色随时间推移而产生变化。

在 FM 音色生成中，被调制波形对应的运算器被称为“载波”，而调制波形对应的运算器则被称为“调制器”。这种开创性的声音合成方式通过改变载波和调制器的组合方式，并调整它们各自的电平和包络，能够创造出与运算器原本波形完全不同的全新波形。