中國(guó)古代的聲學(xué)成就

1、中國(guó)古代的聲學(xué)成就中國(guó)古代在聲學(xué)方面的偉大成就，至今仍值得我們引以為自豪。一、有關(guān)聲的產(chǎn)生和傳播的研究東漢王允在論衡中記載了聲音的產(chǎn)生機(jī)理及其傳播與媒質(zhì)的關(guān)系?！吧怂匝哉Z(yǔ)吁呼者，氣括口喉之中，張翕（X0其口，故能成言。譬如吹簫笙，蕭笙折破，氣越不括，手無(wú)所弄，則不成音，夫蕭笙之管，猶人之口喉也；手弄其孔，猶人之動(dòng)舌也?！笔钦f(shuō)人要發(fā)聲就須“動(dòng)搖其舌”，簫笙要發(fā)聲則須“手弄其孔”，對(duì)于聲的傳播要有氣，他提出聲波猶如水波的見解：“今人操行變氣遠(yuǎn)近，宜與魚等；氣應(yīng)而變，宜與水均。”西方明確“空氣是聲音傳播的一種媒質(zhì)”，是17世紀(jì)由玻意耳提出以后的事了。明代宋應(yīng)星在天工開物的論氣氣聲篇中討論了聲的產(chǎn)

2、生：“氣本渾淪之物，分寸之間，亦具生聲之理，然而不能自為生沖之有聲焉，飛矢是也；界之有聲焉，躍鞭是也；振之有聲焉，彈弦是也；持物擊物，氣隨所持之物而逼及于所擊之物有聲焉，揮椎是也凡以形破氣而為占也，急則成，緩則否，勁則成，懦則否”。宋應(yīng)星認(rèn)為，聲還空氣的運(yùn)動(dòng)，由于有形之物沖擊空氣使其振動(dòng)而發(fā)聲，他分析聲音的大小、強(qiáng)弱取決于形、氣間沖擊的強(qiáng)度，把這叫做“勢(shì)”說(shuō)“氣得勢(shì)而聲生焉?！彼€討論了聲在空氣中的傳播，論氣氣聲篇寫道：“物之沖氣也，如其激水然，氣與水，同一易動(dòng)之物，以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其紋浪以次而開，至縱橫尋丈而猶未歇，其蕩氣也亦猶是焉，特微渺而不得聞耳。”形象地說(shuō)明了以物沖

3、氣而產(chǎn)生的聲音，在空氣中傳播的情形很像以石擊水形成的水波擴(kuò)散。二、對(duì)共鳴現(xiàn)象的研究公元前3、4世紀(jì)成書的莊子徐元鬼中，有關(guān)于弦線共鳴的記載：“為之調(diào)瑟，廢（置）于一堂，廢于一室，鼓宮宮動(dòng)鼓角角動(dòng)，音律同矣，夫改調(diào)一弦，于五音無(wú)當(dāng)也，鼓之，二十五皆動(dòng)?！眳问洗呵镆灿小奥暠葎t應(yīng)，故鼓宮則宮應(yīng)，鼓角而角應(yīng)”弦共振的記載，這里的“宮、角”是指中國(guó)古代的音階之二。西漢董仲舒認(rèn)為物體之所以“自鳴”，必有“使之然”的原因“聲比則應(yīng)”以及“五音經(jīng)而自鳴”，他已粗略地闡明了共鳴的物理過程。晉、唐又有了消除共鳴的方法記載：晉代的張華指出，鐘與銅盆共鳴時(shí)用工具改變其中之一的重量或形狀，便可消除，唐代劉賓客嘉話錄記有

4、洛陽(yáng)某僧房的磬無(wú)故自鳴，僧俱成疾，其友曹紹夔聞?dòng)崋柡驎r(shí)發(fā)現(xiàn)齋鐘有聲磬也作聲，次日取銼鑢磬數(shù)處其聲遂絕。曹解釋說(shuō)：“此磬與鐘律合，故擊彼此應(yīng)”。明白真相后僧人不治自愈了。夢(mèng)溪筆談是北宋科學(xué)家沈括的著名著作。筆談也記載了對(duì)共鳴的研究，沈括友人的琵琶置于空室，當(dāng)管樂奏雙調(diào)時(shí)琵琶不奏自鳴，友人視為至寶，沈括則指出：“殊不知此乃常理”，認(rèn)為這是一種普遍的自然現(xiàn)象。沈還用實(shí)驗(yàn)揭示了共鳴的機(jī)理：“欲知應(yīng)聲者，先調(diào)其弦令聲和，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦，則紙人躍，它弦不動(dòng)?！笔钦f(shuō)剪些小紙人放在琴弦上，撥動(dòng)一根琴弦，可以看到與它頻率相應(yīng)的另一琴弦上的紙人跳動(dòng)不止，而其它弦上的紙人則紋絲不動(dòng)，沈括的實(shí)驗(yàn)要比意大利達(dá)

5、芬奇的同類實(shí)驗(yàn)早幾個(gè)世紀(jì)。明清之際的方以智看過夢(mèng)溪筆談后，重復(fù)了共鳴實(shí)驗(yàn)并擴(kuò)大了認(rèn)識(shí)范圍，他在物理小識(shí)中寫道：“今和琴瑟者，分門內(nèi)外，外彈仙翁，內(nèi)弦亦動(dòng)，如定三弦子為梅花調(diào)，以小紙每弦帖之，旁吹笛中梅花調(diào)一字，此弦之紙亦動(dòng)?！边@是說(shuō)，先將樂器分別置于門內(nèi)外，外彈仙翁調(diào)時(shí)門內(nèi)的琴弦也發(fā)生共鳴；若將三弦定成梅花調(diào)，再用同一調(diào)吹笛子時(shí)三弦也會(huì)振動(dòng)，這是不同樂器上的共鳴，于是證明了發(fā)生共鳴的條件是頻率相同，而與樂器的種類無(wú)關(guān)，這一點(diǎn)是沈括沒有認(rèn)識(shí)到的。三、古樂器制造技術(shù)中國(guó)古代制造樂器的歷史可追溯到史前時(shí)期，在弓箭的使用中產(chǎn)生了簡(jiǎn)單的弦樂器，琴操中還有“伏羲作琴”的說(shuō)法。在河姆渡文化遺址（距今7000

6、年）發(fā)現(xiàn)有骨哨160件，在仰韶文化遺址（距今6000年）發(fā)現(xiàn)兩個(gè)陶哨，形似橄欖；另外還有石磬、陶塤、土鼓等，據(jù)陶塤的發(fā)音判斷，原始社會(huì)晚期可以已萌發(fā)了音階概念。春秋末年的考工記詳細(xì)地記述了鐘的制造及其音響分析，用編鐘奏樂是我國(guó)古代的重要發(fā)明（1978年，湖北省隨縣一座戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的曾侯乙墓中出土了幾組編鐘達(dá)65件，總重量2500多千克，可用來(lái)演奏現(xiàn)代樂曲，同時(shí)出土的還有其它樂器如琴、瑟、編磬等59件）?？脊び浻?54字指出鐘體各部位的名稱和尺寸比例，記述鐘壁厚度、鐘口形狀對(duì)發(fā)音的影響，說(shuō)明鐘的大小、長(zhǎng)短及其音響效果，還確定了為調(diào)音而銼鐘壁的比例等，真是語(yǔ)言簡(jiǎn)練、層次分明、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?？脊び浭侨祟悮v史

7、上的最早論述制鐘技術(shù)的專著，比歐洲同樣內(nèi)容的論著幾乎要早1500年。四、朱載堉的十二平均律明仁宗庶子的后人朱載堉在樂律全書中記述了他發(fā)明的十二平均律，受到世界科學(xué)界的高度贊揚(yáng)。春秋時(shí)代已開始用三分損益法來(lái)確定管、弦的長(zhǎng)度與音調(diào)高低的關(guān)系,但計(jì)算出的十二律中相鄰兩律間的頻率之比不完全相等，故稱為十二不平均律，這在樂器的變調(diào)和演奏和聲時(shí)十分不便,朱載堉在前人探索的基礎(chǔ)上發(fā)明了十二平均律,用等比級(jí)數(shù)的方法平均分配倍頻程的距離,取公比為2的十二次方根,使得十二律中相鄰兩律間的頻率比完全相等：設(shè)黃鐘律長(zhǎng)為1尺,倍黃鐘則為2尺；倍黃鐘律長(zhǎng)開平方,即十二平均律中任意兩相鄰律的比率（詳見表1）,這一發(fā)明比歐洲

8、音樂理論家梅爾（生于1636年）發(fā)表的十二平均律要早52年,至今仍有很高的科學(xué)性和實(shí)用性。表1十二平均律計(jì)算在研究方法上，朱載堉把聲學(xué)研究與數(shù)學(xué)緊密結(jié)合起來(lái)，注重定量計(jì)算，這是對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)物理學(xué)方法的重大突破。五、具有回聲效應(yīng)的奇妙建筑建于1530年的明代天壇，其中回音壁、三音石、圜丘具有奇特的聲學(xué)效應(yīng)回音壁即環(huán)護(hù)皇穹宇的圓形圍墻，高6米半徑32.5米，墻壁光滑構(gòu)成良好的聲波反射體。若一人緊貼圍墻甲處小聲說(shuō)話，在圍墻對(duì)面乙處的人可以聽得十分清楚，這是因?yàn)榧c(diǎn)發(fā)聲的傳播方向與甲點(diǎn)切線形成的角度小于22時(shí)，聲波就會(huì)被連續(xù)反射，一直保持著幾乎等于原來(lái)的能量傳到乙點(diǎn)，如圖1所示。0三音石是皇穹宇南面路上的第三塊石板。正好位于圍墻的圓心，所以人站在石上擊掌一次能聽到三次回聲，其實(shí)聲波每被圍墻反射一次經(jīng)等距返回中心，人便能聽到一次掌聲，多次往返聽到的也不止三次，只不過三次以后的聲音過于微弱罷了。圜丘是天壇南面用青石筑成的三層圓形高臺(tái)，是明、清皇帝祭天之處，圜丘半徑11米，圓形光滑地面的