使用頻率調變(FM)模擬自然界的聲音


FM(頻率調變,Frequency Modulation)除了可以用來產生抖音(Vibrato)外,還可以用來模擬自然界的聲音。嚴格來說,音色並非由波的波形來決定,而是由波的頻譜包絡曲線來決定的。在古典音色理論(Classical Theory of Timbre)中,會利用傅利葉轉換,將波形轉成頻率-強度的頻譜,此時繪製出來的圖形曲線,就是頻譜的包絡曲線。然而,在實際上,在不同時間下所產生的包絡曲線並不相同,因此在現代音色理論(Modern Theory of Timbre)中,將時間軸加入頻譜的分析中,形成頻率-強度-時間的三維圖形。在使用電腦模擬聲音的時候,只要能夠模擬出同樣的頻譜出來,就可以模擬出相同的聲音。

自然界的聲音,大多可以使用FM來合成。而且FM在實作上相對簡單,只要有四個振盪器就能夠實作了。以下是FM的流程圖:

使用頻率調變(FM)模擬自然界的聲音

可以調整的參數有以下幾種:

  • Amp:Amplitude,聲音強度。
  • DUR:Duration,聲音持續時間。
  • FcCarrier Frequency,載波頻率。
  • Fm:Modulation Frequency,調變頻率。
  • Imax:頻帶最大寬度。
  • F1:振幅使用的波表
  • F2:調變頻率使用的波表

除了Amp外,其他的參數都會影響到FM模擬出來的聲音音色。以下舉幾個聲音模擬例子:

鐘聲(Bell)

噹噹噹的鐘聲,特色在於聲音在敲響後,會拉出很長的尾音。因此DUR長度通常為5~15秒,FcFm的比例為5:7(200:280),Imax為10。

F1和F2的波表相同,波形如下圖:

使用頻率調變(FM)模擬自然界的聲音

鐘聲試聽

木鼓聲(Wood Drum)

咚咚咚的木鼓聲,特色在於聲音在打響後,一開始的頻率並不穩定,而且聲音強度很大,在很短的時間內聲音強度降到很小,頻率也很穩定。因此DUR長度通常為0.2秒,FcFm的比例為16:11(80:35),Imax為25。

F1的波表如下:

使用頻率調變(FM)模擬自然界的聲音

F2的波表如下:

使用頻率調變(FM)模擬自然界的聲音

木鼓聲試聽

銅管聲(Brass)

銅管樂器都有個共同的特性,那就是在一開始吹奏的時候需要使用比較大的力道,因此聲音在一開始的強度會很高,接著趨於穩定,然後漸漸收尾。銅管的DUR長度常用值為0.6秒,FcFm的比例為1:1(440:440),Imax為5。

F1和F2的波表相同,波形如下圖:

使用頻率調變(FM)模擬自然界的聲音

銅管聲試聽

單簧管(豎笛)聲(Clarinet)

簧管樂器藉由空氣振動簧片,振動強度十分穩定,頻率變化會愈來愈小。單簧管的DUR長度的常用值為0.5秒,FcFm的比例為3:2(900:600),Imax為2。

F1的波表如下:

使用頻率調變(FM)模擬自然界的聲音

F2的波表如下:

使用頻率調變(FM)模擬自然界的聲音

單簧管聲試聽

Csound FM實作

進階FM

使用愈多個Carring Oscilator(載波振盪器)或是Modulation Oscilator(調變振盪器),可以合成出更複雜、更真實的自然聲音。這部份將在以後介紹。

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