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音乐实践导致的声学发现

作者:主编 时间:2022年12月31日 阅读:127 评论:0

音乐是中国文化的重要组成部分,“黄钟大吕”已成了中华久远文明的代名词。我国古代乐器种类繁多,仅《诗经》 中就有数十种乐器的记载。周代乐器按制作材料分为金、石、木、土、草、丝、竹、匏等“八音”,后来又陆续出现了一些其他乐器。

在音乐世界里,蕴含着众多的声学奥秘。春秋战国时期的技术着作 《考工记》 中讨论了钟、鼓、磬等乐器的制作技术,指出钟声来源于钟的振动,钟与磬的音调高低与发声体的厚薄有关。几乎同时,人们已知道弦乐器的发音高低除与弦长有关外,也与弦线粗细有关系。《韩非子》中说: “夫瑟以小弦为大声,以大弦为小声。”在汉代,王充又正确总结了弦张力对音高的影响,知道天雨前琴弦音调会变化,“天且雨……琴弦缓”,实际上这是由于潮湿空气使琴弦变松的缘故。以上这些保证音准的经验表明,中国人在汉代以前就已了解影响音律的各个要素。

共振现象最初也是在音乐实践中被人们发现的。2400年前的《庄子》一书中就记载说: 将两把琴放在两间屋中,拨动其中一把的某一弦,则另一房中的相应弦也会发生振动,即所谓 “鼓宫宫动,鼓角角动”。这种弦的应声关系就是基音共振现象。《庄子》中还记载了更为复杂的基音与泛音的共振现象。后来宋人沈括设计了一个实验,来研究共振。他在室内放置两把琴,将所有弦调好,在其中一把的弦上放置一些小纸人,弹另一把的某根琴弦时,就可以看到相应弦上的小纸人跳了起来,而其他弦上的小纸人则不动。沈括还说,这种方法可以用于乐器的 “正声”。

与共振相对成趣的是共振现象的消除。三国时,魏都大殿前的一口大钟突然自动鸣响,人们去请教着名学者张华,张华回答说: 这是蜀中有铜山崩塌,引起宫中大钟相应。不久蜀郡报告,在大钟自鸣时,的确发生了一起铜山崩塌事件。到西晋时,洛阳有户人家洗澡用的铜盆每天晚上自行鸣响,如同有人敲它一样。主人向张华求教,张华告诉他,铜盆与宫中大钟音调相应,早晚钟响时,铜盆就相应鸣响,只要将铜盆锉掉一些,自然就不会自鸣了。主人依言而行,果然有效。唐代韦绚的《刘宾客嘉话录》中也有一个消除共振的故事。事情发生在唐开元年间(713~741),洛阳一寺庙中的一只石磬经常自鸣,僧人因此吓出病来。太乐令曹绍夔发现磬是和斋钟一起鸣的,于是他要和尚设宴招待,并答应为他消除心疾。第二天他怀揣铁锉赴宴,吃饱之后,在磬上锉了几下,磬就再也不响了。他向僧人解释了原因,僧人就大病痊愈了。其实张华及曹绍夔的方法,都是用锉改变物体的固有频率,使得共振失去了必要条件。

我们看到的这些共振的例证大都与乐器有关,可见音乐对声学知识的发展起了重要的作用。其实,音乐中的声学规律几乎无处不在。例如,只要稍加注意就会发现,用于弹奏音乐的编钟形状完全不同于一般庙观中的圆形大钟,编钟呈明显的扁平状,就好像两片合起来的瓦。为什么要这样呢?沈括给出了正确解释: 钟圆则声长,扁则声短声音太长了前后音乐便自相干扰,导致清浊不分了。今天的学者们发现,编钟由于两片 “瓦” 的弧度及接合方式,其振动衰减很快,在敲击后半秒钟,全部高谐音消失,一秒后基音也消失大半了,因此演奏较慢的旋律时,前后音节不会互相干扰。这种独特的乐器外形中竟包含如此高深的声学知识,我们不禁要为古人喝彩。

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文章来源:主编

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