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中国古代在声学上的贡献


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  • 10月10日


      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。

    (1)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、(革兆)(摇鼓)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(木瓜)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(如玉石)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(或管)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。

    (2)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”(物体)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”(《张子正蒙注》)。明宋应星具体考察了声的发生的几种情况:“冲”(“飞矢”),“界”(“跃鞭”),“振”(“弹弦”),“辟”(“裂缯”,即撕丝织品),“合”(鼓掌),“击”(挥椎)。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”(《论气·气声》)。

      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”(行动)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。”(《论气·气声七》)。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(古8尺)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。

    (3)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”(《墨子·备穴篇》)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。

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