中国古代共振效应应用续说.doc

中国古代共振效应应用续说粟 新 华(邵阳学院物理系, 湖南 邵阳 422000)摘要：介绍了中国古代巧妙应用共振效应取水、扩音、准律 、娱乐、预测、防振等.从而充实了“ 中国古代共振研究与应用”一文的部分内容. 关键词：泉；石；钟；地震；激振波；固有频率；共振；中图分类号：42 文献标识码：A “中同古代共振研究与应用” 1一文中已介绍了共振效应的军事应用，作为补充，本文论述共振效应在其他方面的应用.1 用以取水 唐 段成式在酉阳杂俎中指出： “谯郡有功曹涧.天统初，济南来府君出谯郡.时功曹清河崔公恕，弱冠有令德，于时春夏积旱，送别千余人，至此涧上，众渴甚思水，升直万钱矣，来公有思水色.恕独见一青鸟于涧中乍飞乍止，怪而就焉.鸟起，见一石，方五六寸，以鞭拨之，清泉涌出.”2这话听起来好象十分谎谬，但仔细想想不无道理.一个小石子，内部又是空的，用鞭有节奏地拨弄它时，极有可能发生共振，把泉水激出石外.从振动与波的角度看，以鞭拨弄石子，使石子振动，激振波在均匀媒质中传播，并在边界处反射，反射波与激振波相互叠加，最后形成适应特定边界条件的稳定驻波.此时媒质中各质元以同一频率、不同的恒定振幅振动.在振动波腹处，水的激励最为强烈，溅出石外.除击鞭引水外，还有以声引水的.小知录就举出不少例子：“乐音泉，强村乐音泉，唱浪淘沙曲，即得一杯.咄泉，寿州咄泉，大叫则大涌，小叫则小涌.抚掌泉，昭明读书抚掌泉，闻拍掌声则溢.喜客来，大茅峰喜客来泉，客至则出.笑泉，无为州笑泉，闻笑声则沸.卫泉，西宁卫泉，闻足音则溢.”3此外，清陆蕃在粤西偶记还记载泗洲城有“骂泉”，游客们想饮此泉之水，只要给牧童几文钱，牧童们则对着泉眼破口大骂，片刻间就有泉水涌出.上述各泉，泉身是共振腔，泉壁为振源，唱歌、拍掌、踏足、叫喊声使泉壁振动，从而激励泉水作受迫振动.在泉壁振动的入射波与泉水振动的反射波叠加后的波峰处，泉水跳溅而出.2 用于扩音 我国古代也懂得空腔扩音技术.他们在乐器上装上共鸣箱，将声音放大.如战国时流行的秦筝，音箱是木制长方形的.面上张弦，用手指拨动丝弦，“木声丝声均其所自出”，此处柳宗元所谓“木声”，指的就是乐器木质部分的共鸣声 .共鸣箱不仅具有放大作用，而且能改善音色.如琴弦振动，琴匣除了随弦的频率振动外，还要发出泛音，并且改变原来弦的基音和各个泛音之间的强度比.例如音箱的固有频率在低音范围，演奏某些音调时，由于共鸣的作用，泛音可以很强，使音色优美动听.长物志载：“古人有于平屋中埋一缸，缸悬铜钟，以发琴声者.然不知层楼之下,盖上有板则声不散，下空旷则声透彻.或于乔木修竹 、岩洞石室之下，地清境绝，更为雅称耳.”4可见共鸣效应也应用于琴室.以缸助琴的秘密，很快就为唱戏的人所注意.我国古代剧场在舞台下常常埋上几口缸.北京故宫畅音阁下，就挖有五口井，舞台上发出的“畅音”宏亮而圆润，有余音绕梁的效果.这是因为这种建筑系统可以造成反射、共鸣等声学效应.中国古代具有这种声学效应的建筑还有许多，如初建于明代永乐十八年(1420年)的北京天坛公园，就保存着我国古代建筑声学里光彩夺目的丰碑回音壁.三音石、圜丘天心石和新发现的对话石.与上述相反，明代方以智记载，有些私铸金钱的人，为了避免被人发现，“匿于湖（地洞）中，人犹闻其锯锉之声，乃以翁为秋秋瓦，累而墙之，其口向内，则外过者不闻其声.何也？声为瓮所收也.”清代郑光祖也有类似记载：“人家墙壁以空翁横砌而成，使口尽向内，则室中所作之声尽收入瓮，而贴邻不闻.”这种诮音技术，正是空腔扩音技术的逆运用.3 用以准律我国古代的度量衡是用一根管子做标准的，叫“黄钟律管,”它有一定的管长、管经，也有一定容积.把黄钟律管翻造以后分发全国各地当作度量衡标准.如果谁弄虚作假.只要把国家保存的黄钟律管跟他的律管一此，真象就能戳穿.因为一定长度的空气柱能和一定频率的声源发生共鸣.假如黄钟律管内空气柱长度与国家的标准黄钟不一，该黄钟就无法发生共鸣.检定黄钟律管的长度，通常是在缇室里进行的:“候气之法，为室三重，户闭，涂衅必周，密布缇缦.室中以木为案，每律各一，内庳外高，从其方位，加律其上，以葭莩灰抑其内端，案历而候之，气至者灰动.”5缇是一种素色无纹的丝织品，用它来布置一间帐房，帐房外面有三层套间，还有三重曲折的门径，使室内听不到外来的声响，吹不进外来的风.做实验的人在缇室中央，四周摆一圈木桌.桌上微微倾斜地放着那些一端开口一端封闭的圆形待测管.每根待测的管子里都放一点轻灰，轻灰是用芦苇杆里的薄膜烧成的，稍有振动就会移动位置.做实验的人在缇室中心位置吹笛，发出标准的黄钟音.凡是共鸣的管子，都会把管内的轻灰振成一小堆一小堆的，不会共鸣的管子里，轻灰依然不动.这样真假就分清了. 缇室不仅可为各种乐器定音，在制造乐器和调整乐器上也有过重要作用：“截管为律，吹以考声，列以物气，道之本也.术家以其声微而体难知，其分数不明，故作准以代之.准之声，明畅易达，分寸又粗.然弦以 缓急清浊，非管无以正也.均其中弦，令与黄钟相得，案画以求诸律，无不如数而应者矣.”64用以娱乐我国古代将共振原理应用于玩器中，让人们从娱乐中得到快乐，并以此作为教化工具，启迪人的思维.“唐明皇令道士叶法静治化金药，成,点磁盆试之者.鱼盆则一木素盆也，方圆二尺，中有木纹，成二鱼状，鳞鬣毕俱，长五寸许.若贮水用，则双鲤隐然涌起，顷之，遂成真鱼；覆水，则宛然木纹之鱼也.”7这种玩器，叫“喷水鱼洗”或“鱼洗”，其特点王明清在挥麈前录中有过描述：“又命取磁盆一枚示似夫，云：此亦石所献，有画双鲤存焉，水满则跳跃如生，覆之无它矣.”8当然，最完整的记载当数清稗类钞：“古州城外河街，有陈顺昌者，以钱二千向苗人购一古铜锅，重十余斤.贮冷水于中，摩其两耳，即发声如风琴，如庐笙，如吹牛角.其声嘹亮，可闻里余.锅中冷水即起细沫如沸水，溅跳甚高，水面四围成八角形，中心不动.”9鱼洗就如倒置的钟，其振动与钟的振动相似，喷水原理与上述以鞭击水一样.除“喷水鱼洗”外，我国还流传一种叫做“传声筒”的装置：“传声筒者，截竹筒两枚，空其两端，各以一面用皮纸冒之，胶封甚固.两筒纸面相向，取长数丈之细线穿过之.使两人各执一筒，一人属口于此筒之空面，一人属耳于彼筒之空面，相去数丈，属口者随意言语，属耳者听之了了，他人不闻也.”10这种装置，今名“土电话”.其工作原理是：人对着话筒讲话，声音从话筒经细线传给听筒，使受话人接收发话人的声音.装置中的话筒、听筒均为同鸣箱，对声音起放大作用.秋千也是一种很好的娱乐工具，它起源于汉武帝时.设想你的一个同伴在荡秋千，而你在地上按他的振荡频率一次一次地去推送，那么他就会越荡越高，这就是一种共振现象.假如你推送的频率与秋千振荡频率不一致，就会造成干扰，使秋千越荡越低.5用以预测固体器物无故自鸣，往往预兆天灾人祸的发生：“石鼓，冀县有天鼓山，山有石如鼓.河鼓星摇动，则石鼓鸣，鸣则秦土有殃.”11“西河有钟，在水中晦朔辄鸣，声响悲激，羁客闻而凄怆”.12“陕州黄河有铜钟，水大水小常自浮出，每昧朔阴雨之日辄鸣，声响悲亮，行客闻之莫不怆然.”13“康熙戊申六月十七日戌刻.山东、江南、浙江诸省,同时地大震，而山东之沂、莒、郯三州县尤甚.郯之马头镇,死伤数千人.地裂山溃,沙水涌出,水中多有鱼蟹之属.又天鼓鸣，钟鼓自鸣.”14我们清楚，当海面发生风暴时，强风掠过,海面就会产生次声波,次声波和风暴怒吼的声波一起向四面八方传播，声波很容易被空气和大海“吃”掉，唯有频率很低的次声波在传播过程中能量损失慢，因此传播距离很远.所以.当人们听不到大海的咆哮声时，次声波依然存在.加之次声波比风浪速度快许多倍，它能成为风暴来临的警报.可惜我们的耳朵无法听到次声.此时，钟声共鸣却起到报警作用.另一方面，海潮的起涨跟月的阴晴圆缺有密切关系，每当农历每月初一黄昏潮汐时，就有次声波推动铜钟自鸣.当然，地震和火山爆发前地壳也会产生次声波，那么，能不能制造一种仪器去搜集这种次声信号，及时发出预报？在没有解决这个问题之前，铜钟有时起到这种仪器的作用：“天中记云，汉武帝时，未央宫前殿钟无故自鸣，三日三夜不止.诏问太史，待诏王朔，朔言恐有兵气.更问东方朔，朔曰，臣闻铜者山之子，山者铜之母，以阴阳气类.言之子母相感，山恐有崩弛者，故钟先鸣.易曰：鸣鹤在阴，其子和之，精之至也，其应在后五日内.居三日，南阳太守上书，言山崩，延袤二十余里.”15这段记载，就是利用铜钟自鸣预测祸福的.应该说，王朔和东方朔的预测都有科学道理.王朔说恐有兵气，是说可能有敌犯境，末央宫铜钟与敌军号鼓相应.东方朔也许根据当时情况排除敌军犯境的可能性,而猜想即将有地震发生.“鸣鹤在阴，其子和之”，明确指出声音来自地下(即地声,地声是一种声发射现象:地壳在聚积能量的过程中,会在岩体的脆弱部位首先发生微破裂,从而引起声发射.微破裂时的声发射能量较低,很难传到地面.但这种破裂继续发展,就会具有很大能量.离震区很远的地方,可能听不到这种声音,但次声的传播,距离却十分遥远)，“其子”（指铜钟）与地声频率相合，故钟自鸣.他于是断定：地震会在五日内发生.果然不出所料，第三天南阳山崩.“昆明池刻玉石为鱼，每至雷雨常鸣吼, 髟耆 尾皆动.汉世祭之以祈雨，往往有验.”16很明显，上述“石鱼”已是一种人工制造的、用以预测雷雨风暴的仪器，制器目的相当明确，而且预测非常灵验，以至人们将这种仪器“神化”，对它顶礼膜拜，用它求雨.可见拥有该器之人，未必懂得该器用途.6用以防振房屋、桥梁等建筑有时会因共振而倒塌.如1906年，一支沙俄军队在本国首都附近的丰垣卡河大桥上齐步走的时候，大桥突然断裂.1940年11月7日，美国新建的一座跨度为850米的悬索桥，突然在一场大风中坍塌那天风速为19米/秒.大风中，桥面扭曲跳动，越跳越厉害，最后终于断毁.究其原因,都是共振造成的恶果:大风吹过桥身或人在桥上齐步走,人或风不断对桥施以周期性外力,使桥作受迫振动.当周期性外力频率与桥的固有频率相同或成倍数关系时,其受迫振动的振幅达最大值,从而产生共振,最终导致桥毁人亡.桥梁和其他建筑物都有各自的固有频率.梁的固有频率与梁 的长短、宽窄、厚薄及材料的性质有关，楼板固有频率也是由这些因素来决定的.为了避免共振而导致建筑物倒塌，建筑设计师们应将建筑物的固有频率不与地震波、风力等因素发生共振.我国隋代大业年间（605618）由李春建造的赵州桥，就是防震建筑的典范.赵州桥建桥1300多年了，中间经历过多次地震，但他安然无恙.1966年3月邢台地震时，赵州桥离震中仅40千米，许多房屋倒塌，而它却末受丝毫影响.我国山西省应县佛宫寺有座木塔，建于公元1056年，从地面到塔尖高67.31米，在古代木构建筑中，是当今世上最高的.940余年以来，木塔经历了多次强烈地震以及大风和炮击，至今仍然完好.从1305年至1976年，那里发生过12次烈度5度以上地震，其中1626年灵丘的7级地震，在应县烈度高达7度，然木塔挺拔如故.中国是研究共振现象最早的国家，取得了许多令人瞩目的成就，在共振原理应用方面，“中国古代共振研究与应用”中第一、二部分也举了不少例子，这里不再重复.本文收束前，顺便提一下何良俊语林中的一个故事：“太常缺黄钟，铸不能成，李嗣真居崇山里，疑土中有之，弗得其所.道上逢一车，有铎声甚历.嗣真曰，宫声也.市以归，振于空地，若有应者，掘之得钟.”17这个故事有点玄乎，不可置信.但如果钟也悬在空中，“以铎引钟”就有可能，所以，用共鸣效应寻找相应之物的方法未必不可取. 4 参考文献1 粟新华.中国古代共振研究与应用 J.邵阳师范高等专科学校学报.2002,24(2):31-33.2 唐 段成式.酉阳杂俎前集卷之九事感 .北京：中华书局，1981.863 清 陆凤藻.小知录卷二泉石 .上海：上海古籍出版社，1991.454 明 文震亨.长物志卷一琴室 .北京：中华书局，1985.45 宋 范晔.后汉书.志第一律历上 .北京：团结出版社,1996.8896 宋 范晔.后汉书.志第一律历上 .北京：团结出版社,1996.8887 宋 王明清.挥尘前录 卷三 M .8 宋 何 薳 .春渚纪闻卷九 M .北京：中华书局，1983.143.9 清 徐珂.清稗类钞第九册鉴赏类 .北京：中华书局，1986.434410 清 徐珂.清稗类钞第五册工艺类 .北京：中华书