中国古代的声学成就

2023年12月12日发(作者：小学生简历)

-

第七节 中国古代的声学成就

声学是中国古代物理学史中发展最完备的学科之一.中国古人在声学的研究中做出了许多发现和发明,声学不仅仅在乐律与音阶的知识积累,还包括建筑、机械制造等各个方面的声学知识.在音律的研究上取得了突出的成就,并对古代文化的发展起到了重要的作用.对于物体的发声与传声,共振与共鸣等现象也从理论和实验上做出了很好的研究.

一、声音定义与其律学

《说文解字》云："聲、从耳".凡是耳朵听见的皆为声.现代人已知道,人耳的听觉阈值在16～20000赫兹之间,低于16赫兹的称为次声,高于20000赫兹的称为超声；次声与超声是人耳所听不见的.繁体"響"从音,意思是有声音就有响,古代人称为"响之应声".如不涉与人耳听觉,仅从物理效果看,这一观点是正确的.对于噪声,古代人也有定义.宋代《重修玉篇》中曰："噪,群呼烦扰也".可见,古人对噪声的定义是极为准确的；那种乱喊乱叫、刺耳声、令人心烦的声音,就是噪声.

古人除了对噪声进行定义外,还对乐音进行了定义,汉代郑玄对声与音从音乐角度作了简捷的定义.他说："宫、商、角、徵、羽,杂比曰音,单出曰声."南北朝皇侃〔488～545〕补充说："单声不足,故杂变五音,使交错成文,乃谓为音也."这是说,当人们仅仅说歌曲中的宫、商、角、徵、羽五个字时,这属于声；而将这五个字反复变化、交错成文唱出来时,就成音.宋代陈场在其著《乐书》》中对声音的定义.他说："凡物动而有声,声变而有音."在他看来,声是物体运动产生的,而乐音是声的清浊与节奏等变化的结果.这个定义富有了清晰的物理概念.

综上可见,古人已把"声"与"音"的概念明确地区分开来了.由于物体的运动、或者人们为了表达某种情感、思想而发出的都是声；在这些声中,凡舒疾快慢、高低变化、强度大小有一定规律和节奏,彼此有一定数理关系的,才是音.

中国古代的律学,就是从数学上确定乐音的音高、音程关系和音阶结构."律"字有多种含义.一、表示音乐中的音.典籍中常称"高一律"或"低一律",在十二等程

图1-13为古代竹制的十二音律管

律中就是高半音或低半音.二、表示音高标准器,尤指律管.三、表示与尺度相关的音高标准.四、产生乐音的有关法则或规律,有生律法或律制之意.不同生律法产生不同的律制.五、狭义的律,即律吕中的"六律"；"律吕"是十二律的别称.

十二律意指有12个乐音,它是律学研究的核心,其名称按音高顺序排列可写作：黄钟,大吕,太＃＃簇,夹钟,姑洗,仲吕,蕤宾,林钟,夷则,南吕,无射,应钟.与今天的音名比较,它们相当于C,C,D,＃＃＃D,E,F,F,G,G,A,A,B.在中国历史上没有"音阶"一词,但有明确的音阶概念.五声音阶和七声音阶分别称为"五声"、"七声".五声的名称是宫,商,角,徵,羽；七声的名称是再加两个变声："变徵"和"变宫"."五声"、"七声"与十二律之间存在着某种对应关系.同时,音阶中的各音也可以轮流为主音,从而构成各种调式,以宫音为主称为宫调式,以微音为主称为微调式,等等.这样,十二律与五声或七声就可以组成六十调或八十四调〔如图7-1-1〕.现在的"乐律学"内容,在古代往往分别称为"律学"和"乐学".前者是从发声体振动规律出发,研究乐音的数理关系,甚而包括与历法和度量衡的关系；后者是从音乐实践出发,探讨乐音与其音感的关系,包括宫调、记谱、读谱与配器法等内容.明代朱载清又将乐律分为"乐"与"律"两种,他分别撰写了《乐学新说》1 / 5 和《律学新说》,而将他的著作统称为《乐律全书》.

二、声音的特性和传播

早在西周时期人们已开始产生了将声音分类的思想,按照发声物质的材料,将乐器分为八类,称为"八音".《周礼·春官》中写道："播之以八音：金、石、土、革、丝、木、匏、竹."由于各种物质材料都独具音色特点,从音色的角度看,这种分类有其合理性.另一种分类是与声音的产生方式相提并论的,这种分类方法是颇具物理意义；宋代张载对此作了较系统的叙述.他说："声音,形气相轧而成.两气者,谷响、雷声之类；两形者,桴鼓叩击之类；形轧气,羽扇、敲矢之类；气轧形,人声、笠簧之类.是皆物感之良能,人皆习之而不察尔."从这里可以看出,古代人对物体振动产生声音和气流冲击物体而产生声音都有深刻的认识.

宋应星在《论气·气声》中将物体运动产生声音分为五类："与夫冲之有声焉,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.""冲"、"界"、"振"、"辟"、"合"五类产生声音的运动方式,与现代声学教科书的某些说法基本相同.直到近代,更为科学的五种分类法是打击乐器、膜鸣器、弦鸣器、气鸣器和电声器.它们虽然取代了古代的分类法,但相比之下,宋应星的分类仍有其合理的因素.

声音有三要素：音调、音品和响度.音调是由声音的频率决定的；响度是指声音的强弱.音品,也称音色,是用以区别具有同样响度和音调的两个声音所以不同的特性.人们可以根据音品辨别不同的音和不同发声物质.战国时期思想家庄子〔约前369～前286〕在《庄子·内篇》中提出了风速与音调有关,并得到"小风则相和的声音小,大风则相和的声音大"的结论.古人已知道不同风速会产生不同声调的声音.战国时期荀况在《荀子·劝学》中写道："顺风而呼,声非加疾也,而闻者彰."顺风方向传播的声音借风速而使声压加大,听者耳膜的刺激量增大,于是声音变得更加明亮有力.这也是一个富有物理意义的观测记录.战国末,秦相吕不韦集合门客共同编写的《吕氏春秋》中也记述了有关音品的知识.该书写道："为木革之声则若雷,为金石之声则若霆,为丝竹歌舞之声则若噪.""木革之声"若"雷",当指普通的雷声或缓缓的雷声."金石之声"若"霆",当指疾雷、迅雷之声.雷与霆二者在程度上稍有区别."噪",此处应指鸟叫,也为婉转动听之声,以此形容弦乐器与管乐器的音品.响度,原指听觉判断声音强弱的属性,古代人常以声音传播的远近来衡量它.《淮南子·说山训》中记述道："钟之与磬也,近之则钟音充,远之则磬音章.物固有近不若远,远不若近者."这段文字表明,在同时敲击不同材料和形制的乐器时,在不同的距离内听觉有不同的感受.钟与磬同击,钟声低沉洪大,磬声清远味亮；近听则闻钟声,远听则闻磬声.

公元前2世纪以董仲舒〔前180～前115〕为代表的灾变家们已对水波和声波有所认识,他们说道："人在天地之间,犹鱼在水中矣.其能以行动天地,犹鱼鼓而振水也,鱼动而水荡气变."鱼动于水中,水波荡漾而开；由人声引起的空气波的传播也发生类似变化,所以人的言行感动天地,如鱼之振水.明末宋应星也提出了声波与水波的相似性.宋应星在《论气·气声》中写道："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,而其文浪以次展开,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." 这里除了以水波比喻声波外,同时还对声强和传播距离的关系有较深入的认识.

对声音的反射、折射和衍射现象,古人也有众多记载,清代郑光祖在其著《一斑录》中写道："气有所震而成声.前有墙一曲,声为勒转必相应.若墙外有圈洞,则愈甚.故山多之处,应声百出其变也.""空旷之地,壁立数寻巨石.人贴石而立,则隔石发火枪而不闻,声不到也.不知者谓为聋石,愚矣.然此须一无遮碍.若巨石外另有屋宇、树林、或远近山阜,将声抑迫,即不能竟不闻也."郑光祖所述的第一例中解释了墙壁所产生的多次反射现象；第二例中,郑光祖解释了所谓"聋石",他不仅清楚地记述了这一声音现象,而且他还具体地指出了发生这种现象所需的环境条件,即"须一无遮碍"的空旷之地.否则,声波被周围树林、屋宇等物反射回来,巨石下的人就不2 / 5 能不听到声响.这表明郑光祖已具有较深刻的声学知识.

方以智在《物理小识》中写道："若高山日暮,闻城市之喧声,以日气敛而人静听也.""愚尝江上晡出三山峡,即闻鲁港、鸠兹之人声.""风顺夜静,则山头闻百里,不为奇矣."其一例子的环境是傍晚,夕阳西照,地面附近温度高,上空温度低.气温随高度增加而降低,因而声波的波阵面法线偏折向上.加之环境安静,因而在高山上听见山下城市之喧闹声.其二例子的环境是夏天,长江江面,约下午3～5时〔"哺"即申时,太阳落山前一个时辰〕.三山峡〔今##繁昌县境内〕与鲁港〔芜湖市郊一集镇〕同在长江一侧,相距不超过3000米的宽阔水面,鲁港与鸠兹〔今芜湖市〕也在5000米之内.方以智在长江上乘船旅行,日哺时出三山峡,听到鲁港人声；过了鲁港,又听到鸠兹人声.由环境条件可知,大气温度随高度增加而增加,而水面温度较低,因而声波波阵面法线偏折向下,甚至很可能在水面与上层热空气之间发生声波全反射,因而使普通的声音能传播到较远的距离.其三例子的环境是"风顺夜静",山下与山顶之间有一定的风速梯度,风速随高度而增加,加上寂静的夜晚,因此,山头上听见较远距离的山下村庄里的声音.宋代曾三异在其著《因话录》中指出,声音可以绕过墙垣.他说："声者气之精华也.一纸之隔而气不能达,墙垣之间,声得可闻.声之感通者若神."言下之意,墙之所以不能隔断声音,正是声波衍射造成的.但曾三异不明其中道理,他只能以"声之感通者若神"作为他的解释,显得有些莫棱两可了.

三、舞台、建筑与声学

大约在南北朝时期,萧梁朝周兴嗣〔？～521〕在其撰《千字文》中有"空谷传声、虚堂习听"的描述.中国古代的戏院和舞台的建筑有着悠久历史,宋元时期的露天舞台或戏台多为木石结构,它除屋顶之外,还具有后墙和两面侧墙；这对于露天场地的较远的听众无疑具有较为清晰的听闻情况.增加混响,大概是古人想到的使厅堂或广场内演唱声传播得更远的方法.宋代赵希鹄〔生活于13世纪〕写道："盖弹琴之室,宜实不宜虚,最宜重楼之下.盖上有楼板,则声不散；其下空旷清幽,则声透彻.若高堂大厦,则声散；小阁密室,则声不达；园囿亭榭,尤非所宜.若幽人逸士,于高林大木或岩洞石室之下,地幽境寂,更有泉石之胜,则琴声愈清,与广寒殿何异也." 赵希鹄认为,最好的琴室是"重楼之下",即二层小楼下,或取自然景区,如岩洞石室和高林大木之中."重楼"对声的反射与其混响,其下又"空旷清幽",这就成了一个自然的扩音喇叭,使琴声往听众方向传播.而岩洞石室和高林大木又都能很好的反射声音,增加混响,低微的琴声可以由它们放大.这种琴室的设计符合古琴声微的特点.赵希鹊认为不良的琴室或弹琴之地,如高堂大厦、园圃亭棚等,都因周围太空旷,琴声传不到反射体就已经消失了.

有时古人还在琴室地下埋瓮,以共鸣增加琴声音响,公元前4～5世纪,墨翟与其弟子在地下挖地道、埋空瓮,以监听地面声源的方位.从唐宋起,在舞台下埋瓮的建筑逐渐增多,后来竟成为中国舞台传统,一直流传到最近几十年间的民间舞台建筑中.文震亨〔1585～1645〕写道："古人有以平屋中埋一缸,缸中置铜钟,以发琴声音."

中国古代人至迟在明代还建造了隔声建筑.方以智在《物理小识》中写道："私铸者匿于湖中,人犹闻其锯挫之声,乃以瓮为,累而墙之,其口向内,则外过者不闻其声.何也？声为瓮所收也."以瓮累墙,使其口朝向室内,再在各个瓮之间实以泥土,就筑成了最古老的隔声墙.这样建造的隔声房间极为近似于近代以亥姆霍茨共鸣器建造的隔声墙或隔声房间.

的天坛初建于明永乐十八年〔1420〕.其中,祈年殿、皇穹宇、圜丘三座宏伟建筑座落在南北纵轴线上.皇穹宇和圜丘建于明嘉靖九年〔1530〕.皇穹宇围以高约6米,半径约32.5米的围墙.这个围墙,就是闻名的回音壁〔如图7-3-1〕.回音壁的围墙以砖石砌成,墙壁面整齐、光滑,是一个优良的声音反射体.围墙内3 / 5

图1-14为天坛皇穹宇回音壁 三座建筑,座落北面最大的圆形建筑就是皇穹宇.东西两边对称地各有一个长方形配殿.圆形围墙与声音在凹面的反射密切相关,当人对着凹墙面低语,声波沿着凹墙面经多次反射传播到对面很远的地方去.从皇穹宇到回音壁的大门有一白石路,从皇穹宇往南数第一、二石处拍掌可以分别听到一次和二次回声；在第三石处拍掌可以听到三次回声,人称此石为"三音石".三音石的第一次回声是由东西两个配殿的墙基和墙面反射的,第二、三次回声是由回音壁反射而成的.

##永济县普救寺内的莺莺塔,是由《西厢记》主人公张生与崔莺莺冲破封建礼教的爱情故事发生在普救寺内而得名.今存莺莺塔重建于嘉靖四十三年〔1564〕,共13层36.76米高.莺莺塔是四方形砖塔,塔内为方形空筒状.全塔与塔檐都由砖石砌成.各层塔檐成半穹窿形.该塔最为明显的声学效果是：在塔外的一定距离内击石、拍掌,可以听到蛙鸣声；距塔2．5千米村庄的锣鼓声、歌声,在塔下却能听见,且似乎来自塔内；远处村民的说话声也会被塔聚焦放大.诸如此类奇特的声学效应,皆出于塔本身的结构与形状.中空的塔内腔起了谐振腔作用,可以将外来声音放大；半穹窿状塔檐不仅可以将声波反射回地面,而且还有会聚声波的作用.不同高度的13层塔檐的声反射脉冲会聚于人耳,相邻两层塔檐的反射声时间间隔合适,约10毫秒,因此形成蛙鸣之感.

四、共振

中国古人往往将共振现象描写为"声比则应","同声相应".此处"同"多指固有频率相等的两个物体的共振；"比"多指固有频率成整数比或简单分数比的两个物体的共振.公元前2世纪,吕不韦在其组织编纂的《吕氏春秋》中记述了共振现象："类同相召,气同则合,声比则应.鼓宫而宫动,鼓角而角动."汉代高诱〔生卒年不详〕在《吕氏春秋》注中说："鼓,击也.击大宫而小官应,击大角而小角和,言类相感也."汉代经学家郑玄在集解《史记》中说："乐之器,弹其宫则众宫应."意思是,与宫音同高或高一个、二个,乃至几个八度的宫音的弦线都可以和宫音弦共振.即固有频率成任意整数比的二弦都可以产生共振.

公元11世纪,沈括完成了世界上第一个弦线共振的演示实验.他写道："琴瑟弦皆有应声：宫弦则应少宫,商弦则应少商,其余皆隔四相应.今曲中有〔应〕声者,须依此用之.欲知其应者,先调诸弦令声和,乃剪纸人加弦上,鼓其应弦,则纸人跃,他弦即不动.声律高下苟同,虽在他琴鼓之,应弦亦震,此之谓正声."由于调性和曲调的不同,琴与瑟的定弦都有多种.最常见的一种是从外侧的一弦起至内侧的某弦止,依次定为宫、商、角、徽、羽.沈括所谓宫与少宫、商与少商的共振,实质上就是频率比为1∶2的共振.沈括将纸人夹于共振弦线上,弹其应弦,则纸人跳跃,而在其他弦线上夹的纸人并不跳跃,这样,就极为容易让人识别发生共振的那些弦线.沈括还告诉人们,共振是一种自然规律、是不值得惊异的事.沈括以纸人演示共振的方法对后代有深远的影响.

中国人早在3世纪就掌握了消除共振的方法；据刘宋时期刘敬叔〔390～470〕所著《异苑》写道："晋中朝有人蓄铜澡盘,晨夕恒鸣如人扣,乃问张华.华曰：‘此盘与洛阳钟宫商相应,宫中朝暮撞钟,故声相应耳.可错令轻,则韵乖,鸣自止也.’如其言,后不复鸣."意思是洛阳皇家宫殿内朝暮撞钟,某人家中悬挂的乐器"铜澡盘"就相应地产生共鸣.晋博物学家张华不仅知道共振的原因,而且还知道消除共振的方法：将铜盘稍微挫〔古文"错"与挫通用〕去一点点,它就不再和宫内钟声共鸣了.其实,稍微挫去一点铜盘物质,就改变了它的固有振动频率.该频率一变,它就不再与钟声共鸣了.

共鸣器是可以和外界声源发生共振的中空器物,人们常利用它进行声学测量.中国古代由陶坛或瓦瓮等陶器组成的地听器,就是将它埋于地下可以监听并识别地面声源的方位.古代人称它为地听或瓮听.另外与地听器类似的,如空心枕、牛皮箭套、竹筒等.地听器能够将固体物质中传播的声音放大,使原来听不见的声音变得可以听见,因此有人称它为声音放大器；又因4 / 5 为它能够发现声源的方位,又被人称为振动检测器.春秋战国之际的思想家、政治家墨子与其弟子们最早将地听器用于战争中监听敌情,并且设计了多种识别声源方位的方法.《墨子·备穴》写道："穿井城内,五步一井,傅城足.高地,丈五尺；下地,得泉三尺而止.今陶者为罂,容四十斗以上……,使聪耳者伏罂而听之,审之穴之所在.凿穴迎之."意思是在地势低洼处挖地洞,要挖到地下水位之下"三尺"为止,挖地洞是为了在其内安置陶罂〔罂,是腹大口小的坛或瓮〕.埋于地面的陶罂在受声波作用时,小口短颈内空气振动,聪耳者谛听之声,然后,根据最近的方位,在城内往外挖地道,以便在地道内迎击敌人.中国古代人不仅利用去节的竹筒作为地听器,监听地面传播的声音,而且还在湖泊海洋中用它探听鱼群的方位,使它成为现代声纳的始祖.同时利用日常生活用具如陶瓮、竹筒、胡鹿枕、空瓦枕、牛皮箭套等,当作地面传声的地听器,这是世界声学史上的伟大创举.

5 / 5

-