Wat is FM-synthese?

Misschien heb je onze Keuzehulp Synthesizers gelezen en vraag je je af wat FM-synthese precies is. Kort gezegd: het is een manier om klanken te maken, die volgens veel mensen niet bepaald de makkelijkste is. Maar voor FM geldt: ‘onbekend maakt onbemind’, want die lastige reputatie is niet helemaal terecht. In dit blog leg ik uit wat FM-synthese is en wat de voordelen ervan zijn. Met een beetje geluk wordt je waardering groter. Het is beslist de moeite waard!

Inhoud

• Een kort stukje geschiedenis
• Wordt FM-synthese nog steeds gebruikt?
• Waarom FM-software?
• Er zal intussen toch wel cursusmateriaal zijn over FM?
• Voordelen en voorbeelden van FM
• Maar wat is nu de essentie van FM-synthese?
• De instelmogelijkheden van FM op een rijtje

Een kort stukje geschiedenis

FM-synthese (Frequentie-Modulatie) is min of meer per ongeluk ontdekt door John Chowning in de vroege jaren 70, toen hij wat met een analoge synthesizer van zijn universiteit aan het experimenteren was. Hij ondervond dat zeer hoge vibrato-frequenties de klankkleur van zijn basisgolfvorm veranderden, en daar was het dan: FM-synthese! Yamaha maakte later een groot aantal bruikbare FM-synthesizers. Het merk was niet de eerste, maar werd wel de meest succesvolle fabrikant op dat vlak. De muziekwereld veranderde zelfs ingrijpend toen de Yamaha DX7 op de markt kwam, halverwege de jaren 80.

Bruikbare FM-synthesizers

Niet langer zaten we vast aan het mooie maar beperkte klankpalet van analoge (subtractieve) synthese en niet langer waren vroege (en onbetaalbare) samplers het enige klankenalternatief. Met FM-synthese kon Jan met de pet eindelijk eens wat andere klanken maken. Maar toen enkele jaren later de samplers en ROMplers betaalbaarder werden, verloor FM uiteindelijk de aandacht. Veel later, toen software-synthesizers (in onder andere het bekende VST-formaat) populair werden, kwamen de FM-synthesizers weer een beetje terug, en eigenlijk konden we toen pas écht overzichtelijk met FM aan de gang.

Wordt FM-synthese nog steeds gebruikt?

De meeste keyboards, workstations en synthesizers van tegenwoordig zijn niet gebaseerd op FM-synthese. In dat opzicht is FM niet bepaald mainstream. Hoe anders was dat in de jaren 80, toen je complete huizen kon bouwen van het aantal keyboards en synthesizers dat op FM was gebaseerd. Toch zijn er vandaag de dag nog steeds diverse synthesizers met FM aan boord, waaronder de Yamaha Montage-workstations. En nog niet zo heel lang geleden kwam Yamaha met de compacte Reface DX. Maar om FM zo comfortabel mogelijk te beleven, is software absoluut de beste optie. En je hebt veel keus. Zo zijn er heel wat (gratis) FM-synthesizers als VST te downloaden. Mijn eigen voorkeur gaat uit naar Native Instruments FM8, met afstand de beste algoritmische softsynth die ik ken. Niet alleen omdat er heel veel klankmogelijkheden zijn, maar ook omdat het CPU-gebruik een lachertje is. Er zijn ongetwijfeld VST’s die misschien nog wel zuiverder klinken en iets uitgebreider zijn dan FM8. Maar als je dan met het aanslaan van een simpel akkoord al op 30% CPU-gebruik zit (op een i7-systeem), dan haak ik af. Met FM8 kun je tientallen instances gebruiken, genoeg om een complete muziekproductie te maken. FM8 zit standaard bij de befaamde Native Instruments-pakketten Komplete en Komplete Ultimate.

Waarom FM-software?

FM heeft de reputatie dat het moeilijk is, en dat is eigenlijk niet terecht. De reden dat componisten en producers in de jaren 80 veelal met de fabrieksklanken bleven werken, was omdat zo’n DX7 niet bepaald makkelijk werkte. De motivatie om zelf klanken te maken ontbrak daardoor. Let wel: de DX7 werkte niet makkelijk, dat is iets anders dan dat FM-synthese moeilijk zou zijn. En dat komt omdat zo’n DX7 een vrij beperkte interface heeft waarin het gewoon niet leuk was (en is) om met klanken te experimenteren. Er is overigens nog wel een andere reden dat FM-synthese verwarrend kan zijn in bepaalde situaties, maar daar kom ik in het volgende blog op terug.

In het algemeen kun je stellen dat FM-synthese niet moeilijk is, maar wel heel erg uitgebreid!

‘Uitgebreid’ is een term die een probleem kan zijn als je een hardware-synthesizer wilt produceren, want dan ben je eigenlijk verplicht om het hele paneel vol met bedieningselementen te zetten. Dat was budgetair gewoon niet haalbaar: elke draaiknop of schuifknop kost nu eenmaal geld. In plaats daarvan werd de populaire DX7 een synthesizer met één data-slider en veel membraanknopjes. Dat werkte helaas niet zo fijn, met name voor een nieuw soort synthesizer die qua klankopwekking heel anders werkte dan de analoge synthesizers die iedereen inmiddels goed begreep. En die ruimte, dat overzicht, dat heb je nu net wél in software. In software kost het immers niets extra om nog wat meer virtuele draaiknoppen te plaatsen. Je computermonitor biedt al de ruimte en het overzicht die je bij zo’n DX7 niet had.

Er zal intussen toch wel cursusmateriaal zijn over FM?

Zeker, en veel van die artikelen zijn geschreven door wetenschappers die zulke artikelen schrijven voor hun vakbroeders. Je kunt FM namelijk heel erg technisch benaderen, met wiskundige termen die de gemiddelde muzikant niet bijster veel zeggen. Ik houd mijn blogs hierover daarom zo simpel mogelijk, en ik kan je meteen vertellen dat je al die wiskunde niet nodig hebt. Je moet vooral goed luisteren en veel experimenteren, dan valt het kwartje vanzelf. Mocht je op internet bijvoorbeeld ooit een ‘bessel-functie’ tegenkomen: loop er dan met een grote boog omheen. Je hoeft dat allemaal niet te weten!

Voordelen en voorbeelden van FM

#1 In een sample-based synthesizer speel je met klanken die ‘statisch’ zijn. FM-klanken daarentegen, zijn extreem muzikaal en veranderlijk. Met FM heb je niet zo gauw last van het machinegun-effect dat je vaak bij samples hoort. Dit fenomeen hoor je bijvoorbeeld bij het achtereenvolgens spelen van een gesamplede snaredrum: je hoort dat het een onveranderlijke klank is, en dat lijkt dus veel op het schieten met een machinegeweer. Tegenwoordig zijn ‘round robin samples’ een soort ‘brute force’-oplossing. Goed ontworpen FM heeft dit probleem van nature niet. Meer daarover in het volgende blog!

#2 Nog een voordeel is dat je met FM een heleboel verschillende klanken kunt maken. Op dit vlak is FM-synthese vele malen uitgebreider dan analoge en virtueel-analoge synthese. FM heeft een beetje de naam dat het vooral goed is voor bellen, klokken en andere situaties waarin twee metalen voorwerpen tegen elkaar tikken (denk aan vibrafoons en xylofoons), maar dit doet FM wel wat tekort. Ook blaasinstrumenten, bassen, percussieklanken, Rhodes-piano’s, orgels en dergelijke zijn niet moeilijk te maken. En natuurlijk is er een immens palet aan puur synthetische klanken mogelijk. Sterker nog, de simulaties van akoestische instrumenten zijn maar een klein hoekje in het FM-landschap.

#3 FM heeft dus een veelzijdig klankpalet. Dit betekent ook dat je FM-klanken (subtiel of ingrijpend) kunt veranderen op een manier die met andere synthesemethodes niet kan. Laten we even luisteren. Je hoort vijfmaal een korte passage met een klank die gebaseerd is op een typische DX-EPiano. Die EPiano is misschien wel de bekendste FM-klank ooit, al was het alleen maar omdat hij in alle keyboards, synthesizers en digitale piano’s te vinden is! Maar dan wel als gesamplede variant, dus statisch. In de varianten hieronder hoor je subtiele of ingrijpende veranderingen die alleen maar het resultaat zijn van één of twee FM-parameter-aanpassingen. Zó veelzijdig is FM ten opzichte van zijn gesamplede synthesizerscollega’s!

Geluidsvoorbeeld 1: vijf EP-klanken

Maar wat is nu de essentie van FM-synthese?

De volgende stelling is essentieel om te onthouden, dus schrijf hem over, print hem uit en vergeet hem nooit:

FM is niets anders dan ‘snel vibrato’.

Maar een plaatje vertelt meer dan duizend woorden, dus laat ik aan de hand van enkele afbeeldingen iets over de FM-geluidsleer vertellen. Wie met een oscilloscoop naar audio ‘kijkt’, zal bij alle soorten algoritmische synthesizers (dat zijn onder andere de synthesizers op basis van analoge, FM- of additieve synthese) figuurtjes zien, zoals een sinusoïde, driehoek, zaagtand of blokgolf (afbeelding 1). Eén herhaling van zo’n figuurtje noemen we ook wel een cyclus, dus bijvoorbeeld één golfje in het geval van een sinusoïde. Een lang klinkende toon bestaat uit een aantal herhalingen van een cyclus. Je ziet in afbeelding 2 en 3 hieronder dat een cyclus breder of smaller kan zijn. Hoe breder een cyclus is, hoe groter de ‘duratie’, ofwel: hoe lager de toon.

Afbeelding 1 (van boven naar onder): sinusoïde, blokgolf, driehoek, zaagtand 

Afbeelding 2: lage toon

Afbeelding 3: hoge toon

Gewoon vibrato

Stel dat je het modulatie-wiel van een synthesizer gebruikt om een natuurlijk vibrato te maken, dan gaat de toonhoogte dus op en neer. Dit betekent dat de cycli afwisselend breder en smaller worden. (Je kunt die figuurtjes ook zien als je in audio-software inzoomt op zo’n klank.) Je ziet in afbeelding 4 hieronder dat het sinusoïde-figuurtje tijdens zo’n natuurlijk vibrato niet veel verandert. Het blijft hetzelfde herkenbare figuurtje dat alleen afwisselend breder en smaller wordt. Dat komt omdat een normaal vibrato zo rond de 4 à 5 Hz zit: vier tot vijf trillingen per seconde. Dat lijkt misschien snel, maar het is behoorlijk langzaam als je het vergelijkt met de razendsnelle herhalingen van de figuurtjes van een hoorbare klank. Vandaar dus dat de vibrato geen extreme invloed heeft op de vorm van de figuurtjes.

Afbeelding 4: toon met vibrato

Snelle vibrato

We komen nu bij de snelle vibrato van FM-synthese. Wat als we nu niet een vibrato van 4 à 5 Hz toepassen, maar van 100 Hz, terwijl de toon zelf óók wordt afgespeeld op 100 Hz? Dan krijg je de situatie dat het breder en smaller worden van zo’n cyclus gebeurt binnen elke cyclus (dus binnen elk figuurtje) van de 100 Hz-toon. Op dat moment begint de sinusoïde sterk van vorm te veranderen, en op dat moment hebben we het resultaat van FM-synthese! Je ziet hieronder dat je op deze manier een figuurtje krijgt dat een beetje tussen een sinusoïde en een zaagtand in zit. Voor de kenner: op het oog lijkt dit op het effect van een low-pass filter op een zaagtand, en zo klinkt het ook een klein beetje.

Afbeelding 5: toon met FM-synthese

Geluidsvoorbeeld 2: een steeds sneller wordende vibrato. Het eindigt in een toon die nauwelijks nog lijkt op de oorspronkelijke sinusoïde.

Sinus of sine of sinusoïde?

Hier nog een detail dat je meteen weer mag vergeten: in de wereld van klanksynthese spreekt men over een sine(-wave), en Nederlandstalige sound-designers gebruiken het woord sinus. Maar wis- en natuurkundigen zullen zeggen dat een sinus de verhouding van een hoek is, en dat het figuurtje de naam sinusoïde hoort te hebben.

De instelmogelijkheden van FM op een rijtje

Misschien begin je al een beetje een idee te krijgen over hoe uitgebreid FM-synthese is. Denk je eens in wat je allemaal kunt instellen:

• de frequentie van de basisgolfvorm
• de frequentie van het snelle vibrato
• de diepte van het snelle vibrato (in afbeelding 5 hierboven kun je daar min of meer mee instellen hoe ver de roze punten boven- en onderin de afbeelding horizontaal uit elkaar liggen)
• het figuurtje (de waveform) van de basisgolfvorm (maar niet iedere FM-synthesizer heeft de mogelijkheid om een andere waveform dan een sinusoïde te kiezen. Zelfs de populaire DX7 had alleen maar de sinusoïde als waveform.)
• het figuurtje (de waveform) van het snelle vibrato

Onthoud: ondanks de vele instelmogelijkheden, hebben we nog steeds te maken met een opvallend eenvoudige basis van maar één basisgolfvorm, één snel vibrato en verder niets. Hoezo ingewikkeld? In het volgende blog gaan we kijken hoe je zelf aan de slag kunt met het maken van FM-klanken.

Wat zijn jouw ervaringen met FM-synthese? Laat je reactie achter!

Zie ook

» Synthesizer: geschiedenis, soorten & tips
» Leer zelf klanken maken met FM-synthese
» Wat is de beste synthesizer voor mij?
» Wat is de beste instrument-plugin voor mij?
» Wat zijn romplers en samplers?

» Alle synthesizers
» Synthesizers met FM-synthese
» Alle instrument-plugins
» Native Instruments instrument-plugins
» DAW’s

Maarten | Bax Music

Maarten, sinds 2012 fulltime copywriter bij Bax Music, is journalist, muziektechnoloog en componist met credits in tv, film, games en theater. Hij geeft graag tekst en uitleg over alles wat muzikaal gebruikt kan worden.

Leer zelf klanken maken met FM-synthese Yamaha Reface-serie: wat zijn dat voor synthesizers? Wat zijn romplers en samplers? Synthesizer: geschiedenis, soorten & tips Wat zijn virtueel-analoge en hybride synthesizers? Wat kan een moderne synth? Ontdek de Cobalt 8!