中国古代在声学上的贡献

2019-11-10 10:39栏目:中国史
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宋应星在《论气》中写道:“气本浑沦之物,……及夫冲之有声焉,飞矢是也;界之有声焉,跃鞭是也;振之有声焉,弹弦是也;辟之有声焉,裂缯是也;合之有声焉,鼓掌是也;持物击物,气随所持之物而逼及于所击之物有声焉,挥椎是也。”说明一切声现象都离不开气的因素,声音的产生是因为物体的振动或急速运动对空气的冲击。他还写道:“物之冲气也,如其激水然。气与水,同一易动之物。以石投水,水面迎石之位,一拳而止,而其文浪以次而开,至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也,亦犹是焉,特微渺而不得闻耳。”在此宋应星明确地用水波与声波相比较,认为声音传播过程中空气的振动与水波的振动类似。当然他那个时代还不可能知道声波是纵波而水波是横波的差别。

在中国古代物理学中,声学的成就可以说是一技独秀,有特别加以记述的必要。 乐器制作与乐律理论 中国古代音乐是世界文明中的一个宝库。河南舞阳县贾湖村的骨笛,是公元前5000~前6000年新石器时代的遗物,这是迄今发现的世界上最早的乐器。西周时期,见于《诗经》记载的乐器就有29种,其中频率固定的打击乐器有鼓、馨、钟、铃、等,调频弹拨乐器有琴、瑟,管类乐器有箫、管、埙、笙等。《汉书·律历志》已将当时的乐器品种按质料分为八种:“土曰埙,鲍曰笙,皮日鼓,竹曰管,石日馨,金日钟,木日祝,丝曰瑟。”从众多出土的古乐器中,引人注目的是编馨和编钟。编馨是用特殊石头制成的具有若干固定音列的组合馨。1950年在安阳武官村出土的殷代大理石馨,82厘米×42厘米×2.5厘米,音色浑厚如铜;1970年在湖北江陵出土的楚国编馨25只,其形状已颇为规则,音域达三个八度。编钟是由一系列铜制的钟挂在木架上的组合钟。1978年在陕西扶风曾出土了西周的青铜编钟,1979年在湖北隋县的战国曾侯乙墓出土了公元前443年的编钟,一套共65件,总重2500余斤,总音域跨五个八度,12个半音齐全,音色优美,效果极佳,充分显示了我国古代音乐、冶金和乐器制造水平之高超。 由于重视“礼、乐、术、数”,我国古代研究乐音数学规律的律学相当发达,《二十四史》有许多律历志的记载。最晚到殷商时期已产生了宫、商、角、徵、羽五声,西周编钟已刻有十二律(由于对乐音成组的认识,而产生十二律,其名称为:黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射和应钟,黄钟为十二律中的第一律)中的一些铭文。以黄钟为标准音高之首,逐次按半音降低,就形成了十二律。最早的乐律计算法见于《管子·地员篇》中的“三分损益法”,约产生于公元前7~3世纪间,即将主音律的弦长三等分,取其两份(全管长的2/3,为损一),或增加一份(全管长的4/3,为益一),依次确定十二律中其他各律的方法。这种以弦长为准的方法,与欧洲当时以频率为准的“五度相生法”是成倒数关系的。16世纪末,朱载堉提出了十二平均律的理论和算法。十二平均律是我国对音乐声学的重大贡献。 声的传播与发声原理的探讨 据北魏郦道元《水经注》卷三十四《江水》记载:陈遵在造江陵金堤(公元512~518)时,曾利用鼓声推算高地的高度,可能是利用鼓声的传播速度推算的。这一记载很有意义。 对于发声原理,东汉王充在《论衡·论死篇》中先说明人的语言是由于“气括口喉之中,动摇其舌,张合其口”而生的,然后推广到“箫笙之管,犹人之口喉也,手弄其孔,犹人之动舌也”。宋代张载(1020~1077)及明代王夫之(1619~1692)进一步形成“形”与“气”相冲突而发声的观点:“声者,形气相轧而成”。可以是“两气”相碰,如“谷响雷声之类”,“两形”相碰,“桴鼓所击之类”,“形轧气,羽扇敲矢(指羽扇生风、飞矢鸣镝)之类……气轧形,人声笙箫之类”。明宋应星具体考察了声的发生的几种情况:“冲”,“界”,“振”,“辟”(“裂缯”,即撕丝织品),“合”,“击”。他认为发声第一必须有气:“气而后有声”,“气本浑沦之物,分寸之间,亦具生声之理,然而不能自生”;第二必须是“以形破气”,“气之一动”,“急冲急破,其声方起”,例如“击物”就是“气随所持之物而逼及于所击之物有声焉”。 关于声音发生与传播更为深刻的见解是王充和宋应星指出的。王充在《论衡·变虚篇》中将鱼“动于水中,振旁侧之水”与人的“操行”引起“气应而变”加以对比。宋应星则明确提出“物之冲气也,如其激水然。气与水,同一易动之物。以石投水,水面迎石之位,一拳而止,而其文浪以次而开,至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉,特微渺而不得闻耳。”。他们明确指出:“气”被“冲”如同“水”被“激”,“荡气”与水的“文浪”相似,可从“一拳”依次“开”至“纵横寻丈”犹未止,只是“荡气”微小到听不见而已,这就是“气声”。对声波的发生与传播从物理上分析如此精辟,在我国古代物理学中是很突出的。 关于共鸣现象的趣闻,庄子调瑟时发现共振现象,沈括在弦共振时作纸人试验,喷水鱼洗的研究等,文献记载相当丰富。 古代建筑中的声学效应 利用声学效应的建筑在我国已发现不少。古典籍中关于空穴传声类的记载与建筑有关的也有“地听”、“墙听”等,用陶瓮口向内砌墙可以隔音,在琴室及戏台下埋大缸可增加混声回响效果。著名的北京天坛中的回音壁、三音石与圜丘都巧妙地利用了声的反射效应。还有河南郏县蛤蟆音塔,四川潼南县大佛寺的石琴等。 近年来深入研究了山西永济县普救寺莺莺塔的蛙声。《西厢记》中“日午当庭塔影圆”,就是指此塔。该塔初建于隋唐,现存的塔重修于1564年明嘉靖年间,是一座方形空筒式十三层密檐式砖塔,高36.7米,建于陡坡的高处,周围空旷,整个塔身和塔檐由涂釉青砖建成,这些青砖的声反射系数达0.95~0.98,是声音的良反射体。塔身成空筒形,对声波起着谐振腔作用。由于十三层塔檐各层砌砖所成曲线的巧妙配合,对来自塔前距离约24米处的击石声产生良好的反射及会聚作用,因而“于地击石,有声如吠蛙”。同样,远处的声音通过十三层塔檐反射就会聚在檐前附近,使人耳接收到的声波能量大增。五里外的蒲州镇的演唱声,犹如塔内有戏台。 我国古代建筑是利用声学效应的科学宝库,还有待于进一步发掘。上述成就体现了声学与音乐、声学与哲学和声学与建筑、军事等的结合,这也是我国古代物理学发展的根本特点之一.

方以智曾进行声波共鸣现象的观察和实验,他说:“《梦溪笔谈》曰:今有琵琶,以管色奏双调,则琵琶有声应之,以为异物。殊不知乃常理。二十八调,但有声同者即应,若遍二十八调而不应,则是逸调也。古法一律七音,共八十四调,更细分之,逸调至多,偶见其应,便以为奇耳。智按洛钟西应,即此理也。今和琴瑟者,分门内外,外弹仙翁,则内弦亦动,如定三弦子为梅花调,以小纸每弦帖之,旁吹笛中梅花调一字,此弦之纸亦动。曹师夔鑢磬不应钟,犹之茂先知铜山崩也。声音之和足感异类。岂诬也哉!”他还记述了一种原始的隔声技术:“私铸者匿于湖中,人犹闻其锯锉之声,乃以瓮为甃,累而墙之,其口向内,则外过者不闻其声。何也?声为瓮所收也。”与隔音消声相反,在音乐演奏中常常为了增强效果而需要共鸣装置。文震亨写道:“古人有于平屋中埋一缸,缸悬铜钟以发琴声者然。不如层楼之下,盖上有楼板,则声不散;其下空旷清幽,则声透彻;或于乔木、修竹、岩洞、石室之下,地境清绝,更为雅称耳。”

1495.com,驰名中外的北京明代建筑物天坛,其中的回音壁、三音石和圜丘具有奇妙的声学效果。“回音壁”是一道圆形的围墙,高约6 米,半径约32.5米。围墙内有三座建筑物,北面一座皇穹宇距离围墙最近处约2.5米。整个围墙整齐光滑,是良好的声反射体。围墙的弧形使得当入射角小于 22°时,声波可被围墙连续反射而不受皇穹宇的散射。因此,如果一人贴近围墙讲话,而相距较远的另一人如也贴近墙壁,则可听得很清楚。“三音石”是位于回音壁中心的一块石板,人若站在此处击掌,可听到三次甚至多达五六次回响。这是因为声音等距离地传到围墙后,被反射回到中心,于是听到第一次回声;然后声波再次传到围墙,再次被反射回来,又听到第二次回声;如此往返,直到声波能量衰耗殆尽。“圜丘”是一座由青石和大理石砌成的圆形平台,高出地面约5米,半径约11.5米。平台中心略高,向四周略有倾斜。除东南西北四个出入口外,四周全部围有青石栏杆。人若在圜丘中央大叫一声,听到的声音比平时要响亮。这是由于声波被栏杆反射到稍有倾斜的台面上,再从台面上反射到人耳,与原来的声音混合在一起的缘故。

朱载堉创建十二平均律

朱载堉创建的“新法密率”,是我国古代最杰出的科学发现之一。这也是世界上首次提出的十二平均律的数理理论,为现代键盘乐器的创制奠定了基础。

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