Apprenez à créer vous-même des sons grâce à la synthèse FM.

Avez-vous lu mon premier blog sur la synthèse FM ? Alors vous êtes prêt(e) pour la partie 2 : un « how to » complet, dans lequel je vous explique comment fonctionne le sound design en FM. Opérateur, porteuse (carrier), modulatrice (modulator), enveloppe (envelope), scaling, feedback… pour vous, débutant(e), c’est peut-être encore du charabia. Mais après avoir parcouru ce tutoriel FM, vous verrez ces mots comme des bases parfaitement compréhensibles. De quoi acquérir assez de connaissances pour créer vos propres sons ! Au passage, il n’est absolument pas nécessaire de posséder un synthétiseur FM hardware. Vous pouvez par exemple utiliser l’excellent logiciel FM8 de Native Instruments. Si vous avez Komplete, il est déjà inclus.

Porteuse et modulatrice : les opérateurs

Dans notre premier blog (La synthèse FM, c’est quoi ?), nous avons parlé d’une forme d’onde de base (le son audible) et d’un vibrato rapide. En synthèse FM, on utilise des termes spécifiques. Le son audible s’appelle une « porteuse » (carrier) et le vibrato rapide une « modulatrice » (modulator). Dès que vous entendez quelque chose dans un synthétiseur FM, c’est donc grâce à une porteuse. Une modulatrice sert principalement de vibrato rapide, et vous ne l’entendez donc pas directement. Techniquement, vous pouvez d’ailleurs aussi utiliser une modulatrice comme porteuse en même temps, si votre synthétiseur ou plug-in le permet. Mais en pratique, cela n’arrive pas si souvent ! Sur un schéma, on représente cette modulatrice et cette porteuse sous forme de blocs reliés par une flèche. Voici un exemple simple :

La modulatrice module la porteuse

La petite icône tout à droite ci-dessus est un haut-parleur. Formellement, c’est la manière la plus complète de noter la FM. Mais les synthétiseurs et plug-ins FM n’utilisent pas ce type d’icône, car ce n’est, au fond, qu’une formalité. C’est pourquoi l’icône de haut-parleur ne réapparaîtra plus dans cet article. Dans le schéma ci-dessus, il est donc question d’une seule porteuse, et cette porteuse est plus ou moins comparable à un oscillateur « classique » dans un synthétiseur analogique, virtuel-analogique ou basé sur des samples. On voit également une modulatrice : le vibrato rapide. Sur un autre synthétiseur, on appellerait probablement cela un LFO, mais la comparaison n’est pas totalement juste, car la modulatrice en synthèse FM se situe généralement dans le domaine audio (à des fréquences beaucoup plus élevées qu’un LFO). La fonction de la modulatrice est de moduler (faire vibrer) la fréquence de la porteuse. Le schéma ne doit pas forcément être horizontal. Dans les synthétiseurs, par exemple, les schémas sont souvent verticaux. Voici un exemple d’un schéma vertical :

Opérateurs et algorithmes

Avec le schéma ci-dessus, on devient encore un peu plus formel. En synthèse FM, chaque bloc – quelle que soit sa fonction – s’appelle un « opérateur ». La façon dont les opérateurs sont chaînés entre eux s’appelle un algorithme. Dans cet algorithme, il y a donc quatre opérateurs. La position d’un opérateur dans un algorithme détermine s’il s’agit d’une porteuse ou d’une modulatrice. Ici, 1 et 3 sont les porteuses, car ce sont les terminaux de l’algorithme. Les porteuses produisent, comme je l’ai dit, les sons audibles. Il y en a deux dans l’exemple ci-dessus, ce qui est comparable à un synthétiseur doté de deux oscillateurs. Les opérateurs 2 et 4 sont les modulatrices. Mais il peut en être autrement. Ci-dessous, vous voyez un exemple d’un schéma d’un tout autre type :

Une porteuse avec plusieurs modulatrices

L’algorithme ci-dessus comporte également quatre opérateurs, mais ils sont clairement chaînés différemment que dans l’algorithme précédent. Le son est donc différent, et le fonctionnement aussi. Dans cet algorithme, il n’y a qu’une seule porteuse : l’opérateur 1. La modulatrice 4 influence l’opérateur 3. Par ce biais, elle influence indirectement l’opérateur 2, mais de manière complexe, puisqu’elle doit d’abord passer par 3. De la même façon, la porteuse est influencée indirectement, mais de manière encore plus complexe. En effet, la modulatrice 4 doit d’abord passer par les modulatrices 3 et 2 pour atteindre la porteuse 1. Comparé à un synthétiseur plus traditionnel, il n’y a donc qu’un seul oscillateur audible, tandis que vous pouvez modifier le timbre à trois endroits. Il faut cependant garder à l’esprit qu’il existe une notion de niveau de sortie (output level), réglable séparément pour chaque opérateur (nous y reviendrons). Supposons que la sortie de la modulatrice 2 soit réglée sur un niveau faible : les modulatrices 3 et 4 auront alors une influence moins marquée sur la porteuse. Après tout, elles doivent passer par la modulatrice 2 pour atteindre la porteuse. Mais… dans l’exemple suivant, vous verrez que cela peut aussi fonctionner autrement !

Deux modulatrices avec autant d’influence

Ci-dessus, vous voyez les mêmes quatre opérateurs que précédemment, mais à nouveau chaînés d’une autre manière : un autre algorithme. L’opérateur 1 reste la porteuse. Autrement dit, il n’y a qu’un seul « oscillateur » qui produit du son. Dans ce schéma, les opérateurs 3 et 4 ont autant d’influence sur l’opérateur 2, tandis que l’opérateur 4 n’influence pas l’opérateur 3. Le point commun est qu’il n’y a toujours qu’un seul « oscillateur » audible, et trois opérateurs qui influencent le timbre. La différence, c’est que cet algorithme modifie la manière dont le timbre réagit aux réglages.

Des possibilités énormes

Imaginez le nombre de façons dont vous pouvez chaîner quatre opérateurs. Cela montre bien que, si le fonctionnement de la FM n’est pas si difficile à comprendre, les possibilités sont tout simplement gigantesques. Le défi consiste à voir et à maîtriser toutes ces possibilités. Pour revenir à la Yamaha DX7 évoquée dans le précédent blog : ce synthétiseur possède six opérateurs et 32 algorithmes différents. À la fin des années 90, Yamaha a poussé le concept encore plus loin avec la FS1r. Il s’agissait d’un module rack 1U avec huit opérateurs et 88 algorithmes, et une interface encore plus pénible que celle de la DX7. On pourrait voir chaque algorithme comme une planète sur laquelle une forme de vie propre apparaît, avec toute sa diversité. Un synthétiseur FM avec plusieurs algorithmes, c’est comme un immense système solaire, avec une vie unique et variée sur chaque planète. Bon courage pour tout décrypter ! C’est aussi l’un des grands inconvénients des algorithmes FM fixes, tels qu’on les trouvait sur ce type de synthés hardware : il faut en quelque sorte savoir à l’avance quel algorithme vous avez besoin de choisir avant de modifier les opérateurs. Si vous vous embrouillez à mi-parcours et que vous découvrez qu’il aurait fallu choisir un autre algorithme, vous êtes bloqué(e) ! Bien sûr, vous pouvez changer d’algorithme, mais il y a de fortes chances que les opérateurs déjà réglés ne fassent plus ce pour quoi ils étaient prévus. Après tout, ils peuvent très bien se retrouver à un autre endroit dans l’algorithme. Il se peut même que certaines modulatrices soient soudain devenues des porteuses ! Cela entre en collision avec le côté spontané des synthés analogiques et autres synthés soustractifs. Personne n’a donc remarqué que programmer la DX7 n’était pas très agréable ? Si : il existe un contrôleur qui rendait les choses un peu plus simples : le Jellinghaus DX Programmer. C’est un boîtier bleu aussi grand que la DX7 elle-même, littéralement rempli de potentiomètres. Il me semble qu’il n’en a été fabriqué que 25, à l’époque, dans les années 80. Si vous en voyez un en vente, préparez un budget conséquent !

Ajuster les caractéristiques des opérateurs

Jusqu’ici, il n’était question que de la FM dans sa forme la plus simple. Mais avec de simples modulatrices et porteuses, vous ne pouvez en réalité créer que des formes d’onde statiques. Bien sûr, la série DX de Yamaha faisait déjà un peu plus que cela. Cette approche a été reprise (et étendue) dans les logiciels FM, qui sont aujourd’hui, dans l’ensemble, le meilleur terrain de jeu pour la synthèse FM. Voyons de quelles manières vous pouvez modifier les opérateurs. Les caractéristiques ci-dessous correspondent plus ou moins à ce que proposent la plupart des synthétiseurs FM, qu’ils soient hardware ou software. Je les aborde une par une. Il est toutefois possible que tous les modèles n’offrent pas toutes ces options.

• forme d’onde (waveform)
• hauteur (pitch)
• enveloppe (envelope)
• scaling
• velocity
• niveau de sortie (output level)

Forme d’onde (waveform)

Dans la plupart des synthétiseurs FM, la forme d’onde d’un opérateur (le dessin dans un oscilloscope) est une sinusoïde. Ce n’est pas un hasard. Une sinusoïde est le son le plus minimal que vous puissiez générer. Construire à partir d’une sinusoïde permet donc de garder un son très simple, tout en pouvant le rendre extrêmement complexe. Mais vous pouvez généralement choisir d’autres formes d’onde. Il existe même des synthétiseurs FM hardware qui le permettent. La Yamaha TX81z (module rack) en est un, la série Yamaha SY/TG en propose beaucoup, et la FS1r mentionnée plus haut en propose également un grand nombre. Sur le papier, cela semble formidable : les milliers de possibilités avec une simple sinusoïde sont déjà impressionnants, alors imaginez ce qu’on peut faire avec encore plus de formes d’onde. Sur le papier, donc. Dans la pratique, c’est plus mitigé. Il est vrai que chaque forme d’onde ouvre une palette sonore entièrement nouvelle, mais la qualité est souvent très brute. Pensez à des formes d’onde comme le carré et la dent de scie : elles sont en fait déjà trop complexes pour fabriquer facilement de « beaux » instruments. Aucun synthétiseur ne l’illustre mieux que la série SY/TG de Yamaha. Ces synthétiseurs combinent la FM traditionnelle avec des samples : des samples peuvent être utilisés comme opérateur. En d’autres termes, au lieu d’une sinusoïde, vous pouviez par exemple utiliser un son de piano. Là encore : sur le papier, c’est impressionnant. En pratique, les sons étaient presque inutilisables, franchement très laids. Cela dit, entre les mains d’un sound designer expérimenté, des formes d’onde complexes peuvent parfois produire des résultats très intéressants. C’est pourquoi les meilleures formes d’onde alternatives restent celles qui sont relativement basiques et proches de la sinusoïde, comme le triangle.

Fréquence (et ratio)

La hauteur (fréquence) d’un opérateur FM est cruciale. Il est temps d’y regarder de plus près. Si votre porteuse a une fréquence de 80 Hz et que votre modulatrice a une fréquence de, par exemple, 133 Hz, vous n’obtiendrez pas vraiment une belle note. John Chowning a découvert que des rapports simples donnent, eux, un résultat musical. Ainsi, une porteuse à 80 Hz et une modulatrice à 160 Hz produisent une belle note. On peut noter ces 160 et 80 Hz comme un rapport (ratio) : 2:1. La grande force de la FM réside dans ces ratios. Des rapports comme 1:1, 2:1, 3:1 et 4:1 produisent des sons très exploitables. Un ratio 2:1 est d’ailleurs, sur le fond, la même chose que 4:2 ou 8:4, avec la différence que la hauteur produite monte à chaque fois d’une octave. Et un ratio de 3,5:1 donne-t-il un beau son ? Absolument. On pourrait croire que 3,5 sort des « beaux » multiples bien ronds de Chowning, mais ce ratio est utile pour une raison simple : 3,5:1 a le même timbre que 7:2, et c’est à nouveau un ratio « propre » ! Et 263:137, est-ce un beau rapport ? Non : vous ne pouvez pas le simplifier en un rapport plus petit. Or, pour obtenir de beaux sons FM, il est en réalité essentiel que le ratio simplifié ne soit pas trop extrême. Un ratio 14:1 est superbe pour des sons d’e-piano, un ratio 15:4 est sympa pour créer des cloches ou des carillons, mais avec un ratio du type 47:31, il ne faut pas s’attendre à grand-chose. Le chiffre de gauche (modulatrice) doit-il toujours être plus élevé que celui de droite (porteuse) ? Non, mais c’est le cas pour la plupart des sons. Quand c’est l’inverse, le son audible monte et vous finissez vite avec des sifflets stridents, des oiseaux exotiques et des robots de mauvaise humeur. Cela peut être amusant, mais il ne faut plus espérer s’approcher d’un violon ou d’une clarinette. Notez qu’avec un synthé FM, vous pouvez aussi donner une fréquence absolue à chaque opérateur, mais dans ce cas, il sonnera identique sur toutes les touches. Cela donnera un son étrange, avec lequel vous ne pourrez pas jouer de mélodies. Avec les ratios, ce problème est résolu.

Enveloppe (envelope)

L’enveloppe est au moins aussi importante que la fréquence, comme sur les synthétiseurs analogiques/soustractifs. Avec une enveloppe, vous définissez l’attaque et l’évolution du son. Les instruments déclenchés par un pincement ou un coup (guitare, xylophone) ont une enveloppe qui démarre immédiatement puis décroît en intensité. Des instruments comme le violon, la trompette ou la flûte ont une enveloppe qui ne décroît pas en intensité, mais peuvent bénéficier d’une attaque (attack) très courte. Dans un synthétiseur FM, il y a une enveloppe pour chaque opérateur ! Pour la porteuse, l’enveloppe détermine le volume (comme sur d’autres synthés). Pour les modulatrices, en revanche, l’enveloppe modifie l’intensité du timbre FM ! L’effet FM devient ainsi variable. Avec un algorithme à six opérateurs (dans ce cas, un algorithme créé dans un logiciel), vous pourriez donner à chaque opérateur sa propre enveloppe. Inutile de dire que cela peut produire un son très riche et détaillé ! Vous le constaterez en expérimentant.

Scaling

Vous avez peut-être remarqué que les notes aiguës des instruments acoustiques ont moins de « vraie » couleur sonore. Quand des instruments comme la clarinette et le hautbois jouent la même note très aiguë, il n’est pas toujours évident d’entendre la différence. Pour qu’un instrument synthétique paraisse crédible, il est important que le synthétiseur puisse suivre cette évolution du timbre dans les aigus. Sur un synthé analogique, on utilise du filter scaling : les touches plus hautes sonnent un peu plus sourdes (via un filtre passe-bas). En FM, c’est le même principe, sauf que vous pouvez régler un scaling unique par opérateur. Ici encore, sur une porteuse, vous percevez le scaling comme une variation de volume, tandis que sur une modulatrice, vous l’entendez comme une variation de timbre. Dans les logiciels modernes, le scaling se règle souvent sous forme de courbe dans un graphique : le niveau de sortie d’un opérateur change progressivement au fur et à mesure que la note monte. Sur des synthés plus simples, vous ne disposez parfois que de quelques réglages basiques.

Velocity

La velocity correspond à la sensibilité à la vélocité, c’est-à-dire à la manière dont un paramètre réagit à une attaque forte ou douce. C’est l’une des choses les plus puissantes et les plus musicales que vous puissiez faire avec la FM ! En FM, vous pouvez régler le niveau de sortie d’un opérateur pour qu’il augmente ou diminue selon la force de frappe. Et cela, vous pouvez le faire pour chaque opérateur. La différence avec un synthé analogique ou un synthé à samples est énorme. Sur ce type de synthés, la sensibilité à la vélocité se limite souvent à deux choses : le volume et la profondeur du filtre (généralement un filtre passe-bas). Dans les deux cas, l’essence du son ne change pas : c’est toujours le même son, au mieux un peu plus sombre (effet du filtre). Mais en FM, si vous liez la velocity à la sortie d’une modulatrice, vous changez le cœur du timbre : vous pouvez faire évoluer le son d’un timbre complexe (attaque forte) vers une sinusoïde pure (attaque douce).

Niveau de sortie (output level)

Nous avons déjà mentionné le niveau de sortie à propos du scaling et de la velocity. C’est un paramètre qui permet de régler la sortie de chaque opérateur. Pour la porteuse, la sortie concerne évidemment le volume de ce que vous entendez. Pour une modulatrice, la sortie concerne le timbre : l’intensité FM. C’est sans doute l’aspect le plus simple à appréhender, mais aussi l’un des plus importants. Dans la plupart des cas, vous allez peaufiner votre son en jouant précisément avec les niveaux de sortie de tous les opérateurs utilisés.

Des sons vivants

Ce sont surtout l’enveloppe, le scaling, la velocity et le niveau de sortie qui donnent vie à un son FM. C’est LA caractéristique ultime de la FM par rapport à d’autres modèles de synthèse : la vie. À l’exception, peut-être, du physical modelling, même si celui-ci n’a pas encore vraiment percé dans le grand public. Mais pour un concept aussi simple que la FM, la musicalité et l’expression tonale sont inégalées. Les bons sons FM sont des sons synthétiques avec des qualités acoustiques !

Feedback

Il reste un point qui n’a pas été assez mis en avant : le feedback. C’est probablement la chose la plus difficile à visualiser sur un oscilloscope. Dans le schéma ci-dessous, vous voyez que la sortie de l’opérateur descend, ce qui signifie que cela peut être une porteuse, ou une modulatrice (si l’on suppose qu’il existe ailleurs une porteuse). Mais la ligne rouge indique que la sortie revient aussi vers l’opérateur lui-même. Plus précisément : la sortie de l’opérateur module sa propre fréquence. Pourquoi est-ce utile ?

Créer une dent de scie et une onde carrée à partir d’une sinusoïde

On a très vite compris qu’avec la modulation entre opérateurs, on pouvait certes créer des milliers de sons, mais qu’il manquait les dents de scie et les ondes carrées vraiment claires et « pures » des synthés analogiques (à moins que votre synthé FM ne permette de choisir une telle forme d’onde, bien sûr). Avec le feedback, il devient possible de créer ce type de formes d’onde claires à partir d’une sinusoïde. Ci-dessous, vous voyez l’algorithme FM le plus connu – aussi appelé « simple FM » – utilisant le feedback. Ce schéma suffit pour générer une belle dent de scie ou une onde carrée. La dent de scie a un ratio de fréquence 1:1 (M:C), l’onde carrée a un ratio de fréquence 2:1 (M:C). Ensuite, il faut ajuster le niveau de sortie de l’opérateur 2, ainsi que la part renvoyée en feedback vers l’opérateur 2. La FM ne sert d’ailleurs pas uniquement à fabriquer des dents de scie et des ondes carrées « parfaites ». De manière générale, on peut dire que le feedback rend un opérateur plus complexe et plus « grenu » et (à des valeurs extrêmes) génère pas mal de bruit.

Régler séparément le timbre et le volume

Il est intéressant de savoir qu’une seule porteuse sinusoïdale avec feedback suffit déjà pour générer une dent de scie plutôt correcte. Mais cela a un inconvénient : le volume de cette porteuse, autrement dit son niveau de sortie, influence la quantité de signal renvoyée via le feedback vers la fréquence de la porteuse. Cela signifie que la quantité de feedback augmente à mesure que le volume augmente. En réalité, il se passe quelque chose de comparable sur les instruments acoustiques : un instrument produit plus d’harmoniques quand on joue plus fort. Sur les synthétiseurs, vous préférerez toutefois généralement un système où le timbre et le volume peuvent être réglés séparément, afin d’avoir davantage de contrôle. C’est pourquoi l’algorithme ci-dessus est plus adapté pour une dent de scie.

Plusieurs boucles de feedback dans un même algorithme

Dans la série DX traditionnelle de Yamaha, vous n’aviez toujours qu’une seule boucle de feedback, dont la position était fixe dans l’algorithme. C’est suffisant pour créer une dent de scie avec une porteuse et une modulatrice, mais si vous vouliez utiliser deux porteuses (avec un léger detune entre elles, pour obtenir un joli effet chorus flottant), cela ne fonctionnait pas très bien, car une seule des deux colonnes d’opérateurs pouvait avoir une boucle de feedback. L’autre colonne n’avait donc pas une dent de scie parfaite. Avec un logiciel comme FM8, heureusement, vous pouvez donner un feedback à chaque opérateur, et ce problème disparaît.

Un feedback vers deux porteuses ?

J’entends déjà quelqu’un demander si une seule modulatrice avec feedback peut alimenter deux porteuses. Oui ! Dans l’algorithme, deux flèches partent alors d’une modulatrice vers deux porteuses différentes. Mais si ces deux porteuses sont légèrement detunées l’une par rapport à l’autre alors que la modulatrice reste en fréquence « au milieu », cela ne marche plus. Réfléchissez : vous obtenez deux colonnes dont l’une a par exemple un ratio 1:0.999 et l’autre un ratio 1:1.001. Cela ne fonctionne pas : vous entendez une sorte de battement qui altère l’essence du son, et ce n’est certainement pas le beau flottement de chorus que vous recherchiez !

Round robins… ou pas ?

Dans le premier blog, j’ai mentionné, parmi les avantages de la FM, le phénomène du « round robin ». La FM ferait cela « naturellement », et j’y reviens brièvement ici. Concrètement : sur les bons synthétiseurs FM (c’est le cas des séries Yamaha SY/TG/DX et de FM8, en tout cas), vous pouvez déterminer si la phase de la forme d’onde d’un opérateur est réinitialisée lors d’une nouvelle note. Avec une réinitialisation fixe, vous entendez exactement le même son à chaque nouvelle note jouée (voir la première image ci-dessous). Sans réinitialisation, la génération sonore reprend là où la forme d’onde s’était arrêtée (deuxième image). En simplifiant : la forme d’onde (sinus, dent de scie, etc.) commence alors à chaque fois à un autre endroit. Normalement, cet effet est négligeable, car la forme d’onde ne change pas : elle ne fait que démarrer à un autre point. Mais en FM, rien n’est vraiment « normal ». En FM, une phase d’opérateur différente modifie subtilement le timbre. Ce n’est pas radical, mais c’est audible. C’est une grande force de la synthèse FM et cela contribue fortement au caractère acoustique (où deux interprétations ne sont jamais strictement identiques) des bons sons FM.

Phase fixe (à cause de la réinitialisation) :

Exemple d’une phase décalée (donc sans réinitialisation) :

À vous de jouer

Félicitations : vous avez désormais tous les outils en main pour vous lancer dans la synthèse FM, sans avoir à vous demander ce que vous êtes réellement en train de faire. Conseil : commencez simplement, avec deux opérateurs. Vous serez surpris(e) du nombre de sons différents que vous pouvez déjà créer, simplement en jouant sur quelques caractéristiques ou sur la manière de les chaîner.

Quelles découvertes particulières avez-vous faites lors de vos expérimentations en FM ? Laissez votre réaction !

Voir également

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» La synthèse FM, c’est quoi ?
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