Figure 1 - Utilisation d’un oscillateur basse fréquence (LFO) pour modifier les fréquences

Dans l'expression "générateur de sons FM", le sigle FM est l’abréviation de "Frequency Modulation" ou modulation de fréquence. Sur un synthétiseur, la molette de contrôle de gauche s’appelle une "molette de modulation", et utilise le même type de modulation. Ainsi, elle fait varier la fréquence du son de l’instrument en fonction du signal généré par un générateur annexe, appelé LFO (Low Frequency Oscillator, oscillateur de basse fréquence). La fréquence du son original augmente puis baisse légèrement : la hauteur perçue monte et descend, comme illustré dans le schéma de la Figure 1, ce qui crée un effet de vibrato.

Que se passe-t-il si l'on augmente la fréquence du LFO ?
Lorsqu'on utilise un signal de modulation dont la fréquence est proche ou supérieure à celle du signal modulé, la hauteur de ce signal se met à monter et baisser pendant la période que nous percevons comme la hauteur fondamentale du son. La forme d’onde est donc déformée. Le générateur de sons FM utilise un principe similaire pour déformer les formes d’ondes, ce qui permet de créer une grande variété de sons.

En réalité, la façon dont les modifications surviennent, dans le domaine temporel, se traduit au niveau du timbre généré. Un processus complexe, que nous allons vous expliquer de façon imagée.

Imaginez une roue de voiture qui tourne.
Si la voiture roule à une vitesse constante, la vitesse de rotation de la roue est elle aussi constante.
Si l'on dessine un repère sur le bord extérieur du pneu et qu’on dessine son mouvement au fil du temps, on obtient une trace similaire à une sinusoïde parfaite.

Supposons que, pour que la voiture roule à vitesse constante, le temps que met la roue pour effectuer une rotation complète doit être lui aussi constant. Que se passe-t-il si cette rotation est irrégulière ?

Imaginons par exemple que la roue tourne relativement vite jusqu’à ce que le repère sur le pneu atteigne la position midi, ralentit jusqu’au repère 6 heures, puis accélère rapidement à partir de là pour rattraper le temps perdu.

La trace obtenue pour ce mouvement n’est alors plus une sinusoïde, comme on le voit sur la Figure 2b.

Dans ces conditions, un trajet en voiture serait très inconfortable, toutefois la vitesse moyenne, dans ces conditions irrégulières, serait identique à celle d'une la voiture roulant à vitesse constante. Même chose dans le domaine du son : la hauteur reste la même.

La forme d’onde créant ces altérations – les variations dans la rotation – s’appelle la "forme d’onde modulante". Dans cet exemple, nous supposons qu’il s’agit d’une sinusoïde de fréquence identique à la fréquence de rotation de la roue de voiture.

Fig. 2-c

Figure 3 - Un exemple de modulation d’une sinusoïde par une sinusoïde de 10 fois sa fréquence.

Figure 4 - Même exemple que sur la Figure 3, en ajoutant des décalages temporels.

Figure 5 - La synthèse du son dans un générateur FM

IAugmenter l’intensité des variations de la rotation de la roue se traduit par des mouvements du repère sur le pneu de plus en plus complexes. Dans certains cas, une rotation à l’envers peut même se produire afin de maintenir une période de rotation constante.

Le résultat est une trace comme celle de la Figure 2-c.

La trace originale créée par la rotation de la roue est donc la forme d’onde modulée ; la forme d’onde qui interfère avec elle, créant les variations de rotation (positives par l’accélérateur, négatives par la marche arrière -et non les freins) peut être considérée comme la forme d’onde modulante.

Pour en revenir au son, le concept fondamental d’un générateur de sons FM consiste à moduler une forme d’onde par des formes d’ondes différentes, afin de créer une nouvelle palette de formes d’ondes. En utilisant différentes fréquences et différents niveaux pour les formes d’ondes modulantes, on peut créer des modifications complexes.

Par exemple, voyons ce qui se passe quand on utilise, pour la modulation, une forme d’onde dont la fréquence est dix fois celle de la forme d’onde du signal de base.

Comme le montre la Figure 3, cette modulation crée de petites ondulations sur la grande sinusoïde. Ce qui se traduit par l’apparition d’harmoniques de fréquence extrêmement élevée, à des niveaux de fréquence bien supérieurs à la fréquence originale. Cela donne un côté métallique au son produit.

Si l'on utilise un générateur d’enveloppe (EG) pour modifier le niveau de la forme d’onde modulante -donc l’intensité de la modulation- au fil du temps, on peut obtenir une attaque très métallique, puis des sections de descente et relâchement devenant progressivement plus douces en timbre. La couleur du son évolue donc au fil du temps.

En synthèse FM, l’opérateur (le circuit électronique générant des signaux sinusoïdaux, etc.) correspondant à la forme d’onde modulée est appelé le "porteur" (carrier en anglais), et celui correspondant à la forme d’onde modulante, le "modulateur" (modulator en anglais).
Ce procédé révolutionnaire de synthèse sonore consiste à agir sur la combinaison porteur/modulateur et sur leurs niveaux et enveloppes respectifs ; il permet de produire des formes d’ondes tout à fait différentes des formes d’ondes originales de l'opérateur.