中國(guó)古代在聲學(xué)上的貢獻(xiàn)

字號(hào):

在中國(guó)古代物理學(xué)中,聲學(xué)的成就可以說是一技獨(dú)秀,有特別加以記述的必要。
    (1)樂器制作與樂律理論
    中國(guó)古代音樂是世界文明中的一個(gè)寶庫(kù)。河南舞陽縣賈湖村的骨笛,是公元前5000~前6000年新石器時(shí)代的遺物,這是迄今發(fā)現(xiàn)的世界上最早的樂器。西周時(shí)期,見于《詩(shī)經(jīng)》記載的樂器就有29種,其中頻率固定的打擊樂器有鼓、馨、鐘、鈴、(革兆)(搖鼓)等,調(diào)頻彈撥樂器有琴、瑟,管類樂器有簫、管、塤、笙等。《漢書·律歷志》已將當(dāng)時(shí)的樂器品種按質(zhì)料分為八種:“土曰塤,鮑(木瓜)曰笙,皮日鼓,竹曰管,石日馨,金日鐘,木日祝,絲曰瑟?!睆谋姸喑鐾恋墓艠菲髦?,引人注目的是編馨和編鐘。編馨是用特殊石頭(如玉石)制成的具有若干固定音列的組合馨。1950年在安陽武官村出土的殷代大理石馨,82厘米×42厘米×2.5厘米,音色渾厚如銅;1970年在湖北江陵出土的楚國(guó)編馨25只,其形狀已頗為規(guī)則,音域達(dá)三個(gè)八度。編鐘是由一系列銅制的鐘掛在木架上的組合鐘。1978年在陜西扶風(fēng)曾出土了西周的青銅編鐘,1979年在湖北隋縣的戰(zhàn)國(guó)曾侯乙墓出土了公元前443年的編鐘,一套共65件,總重2500余斤,總音域跨五個(gè)八度,12個(gè)半音齊全,音色優(yōu)美,效果極佳,充分顯示了我國(guó)古代音樂、冶金和樂器制造水平之高超。
    由于重視“禮、樂、術(shù)、數(shù)”,我國(guó)古代研究樂音數(shù)學(xué)規(guī)律的律學(xué)相當(dāng)發(fā)達(dá),《二十四史》有許多律歷志的記載。最晚到殷商時(shí)期已產(chǎn)生了宮、商、角、徵、羽五聲,西周編鐘已刻有十二律(由于對(duì)樂音成組的認(rèn)識(shí),而產(chǎn)生十二律,其名稱為:黃鐘、大呂、太簇、夾鐘、姑洗、仲呂、蕤賓、林鐘、夷則、南呂、無射和應(yīng)鐘,黃鐘為十二律中的第一律)中的一些銘文。以黃鐘為標(biāo)準(zhǔn)音高之首,逐次按半音降低,就形成了十二律。最早的樂律計(jì)算法見于《管子·地員篇》中的“三分損益法”,約產(chǎn)生于公元前7~3世紀(jì)間,即將主音律的弦(或管)長(zhǎng)三等分,取其兩份(全管長(zhǎng)的2/3,為損一),或增加一份(全管長(zhǎng)的4/3,為益一),依次確定十二律中其他各律的方法。這種以弦長(zhǎng)為準(zhǔn)的方法,與歐洲當(dāng)時(shí)以頻率為準(zhǔn)的“五度相生法”是成倒數(shù)關(guān)系的。16世紀(jì)末,朱載堉提出了十二平均律的理論和算法。十二平均律是我國(guó)對(duì)音樂聲學(xué)的重大貢獻(xiàn)。
    (2)聲的傳播與發(fā)聲原理的探討
    據(jù)北魏酈道元《水經(jīng)注》卷三十四《江水》記載:陳遵在造江陵金堤(公元512~518)時(shí),曾利用鼓聲推算高地的高度,可能是利用鼓聲的傳播速度推算的。這一記載很有意義。
    對(duì)于發(fā)聲原理,東漢王充在《論衡·論死篇》中先說明人的語言是由于“氣括口喉之中,動(dòng)搖其舌,張合其口”而生的,然后推廣到“簫笙之管,猶人之口喉也,手弄其孔,猶人之動(dòng)舌也”。宋代張載(1020~1077)及明代王夫之(1619~1692)進(jìn)一步形成“形”(物體)與“氣”相沖突而發(fā)聲的觀點(diǎn):“聲者,形氣相軋而成”??梢允恰皟蓺狻毕嗯觯纭肮软懤茁曋悺?,“兩形”相碰,“桴鼓所擊之類”,“形軋氣,羽扇敲矢(指羽扇生風(fēng)、飛矢鳴鏑)之類……氣軋形,人聲笙簫之類”(《張子正蒙注》)。明宋應(yīng)星具體考察了聲的發(fā)生的幾種情況:“沖”(“飛矢”),“界”(“躍鞭”),“振”(“彈弦”),“辟”(“裂繒”,即撕絲織品),“合”(鼓掌),“擊”(揮椎)。他認(rèn)為發(fā)聲第一必須有氣:“氣而后有聲”,“氣本渾淪之物,分寸之間,亦具生聲之理,然而不能自生”;第二必須是“以形破氣”,“氣之一動(dòng)”,“急沖急破,其聲方起”,例如“擊物”就是“氣隨所持之物而逼及于所擊之物有聲焉”(《論氣·氣聲》)。
    關(guān)于聲音發(fā)生與傳播更為深刻的見解是王充和宋應(yīng)星指出的。王充在《論衡·變虛篇》中將魚“動(dòng)于水中,振旁側(cè)之水”與人的“操行”(行動(dòng))引起“氣應(yīng)而變”加以對(duì)比。宋應(yīng)星則明確提出“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,而其文浪以次而開,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?!保ā墩摎狻饴暺摺罚?。他們明確指出:“氣”被“沖”如同“水”被“激”,“蕩氣”與水的“文浪”相似,可從“一拳”依次“開”至“縱橫尋(古8尺)丈”猶未止,只是“蕩氣”微小到聽不見而已,這就是“氣聲”。對(duì)聲波的發(fā)生與傳播從物理上分析如此精辟,在我國(guó)古代物理學(xué)中是很突出的。
    關(guān)于共鳴現(xiàn)象的趣聞,莊子調(diào)瑟時(shí)發(fā)現(xiàn)共振現(xiàn)象,沈括在弦共振時(shí)作紙人試驗(yàn),噴水魚洗的研究等,文獻(xiàn)記載相當(dāng)豐富。
    (3)古代建筑中的聲學(xué)效應(yīng)
    利用聲學(xué)效應(yīng)的建筑在我國(guó)已發(fā)現(xiàn)不少。古典籍中關(guān)于空穴傳聲類的記載與建筑有關(guān)的也有“地聽”、“墻聽”(《墨子·備穴篇》)等,用陶甕口向內(nèi)砌墻可以隔音,在琴室及戲臺(tái)下埋大缸可增加混聲回響效果。的北京天壇中的回音壁、三音石與圜丘都巧妙地利用了聲的反射效應(yīng)。還有河南郟縣蛤蟆音塔,四川潼南縣大佛寺的石琴等。
    近年來深入研究了山西永濟(jì)縣普救寺鶯鶯塔的蛙聲?!段鲙洝分小叭瘴绠?dāng)庭塔影圓”,就是指此塔。該塔初建于隋唐,現(xiàn)存的塔重修于1564年明嘉靖年間,是一座方形空筒式十三層密檐式磚塔,高36.7米,建于陡坡的高處,周圍空曠,整個(gè)塔身和塔檐由涂釉青磚建成,這些青磚的聲反射系數(shù)達(dá)0.95~0.98,是聲音的良反射體。塔身成空筒形,對(duì)聲波起著諧振腔作用。由于十三層塔檐各層砌磚所成曲線的巧妙配合,對(duì)來自塔前距離約24米處的擊石聲產(chǎn)生良好的反射及會(huì)聚作用,因而“于地?fù)羰新暼绶屯堋?。同樣,遠(yuǎn)處的聲音通過十三層塔檐反射就會(huì)聚在檐前附近,使人耳接收到的聲波能量大增。五里外的蒲州鎮(zhèn)的演唱聲,猶如塔內(nèi)有戲臺(tái)。
    我國(guó)古代建筑是利用聲學(xué)效應(yīng)的科學(xué)寶庫(kù),還有待于進(jìn)一步發(fā)掘。上述成就體現(xiàn)了聲學(xué)與音樂、聲學(xué)與哲學(xué)和聲學(xué)與建筑、軍事等的結(jié)合,這也是我國(guó)古代物理學(xué)發(fā)展的根本特點(diǎn)之一。