中国古代的声学成就

1、中国古代的声学成就中国古代在声学方面的伟大成就，至今仍值得我们引以为自豪。一、有关声的产生和传播的研究东汉王允在论衡中记载了声音的产生机理及其传播与媒质的关系。“生人所以言语吁呼者，气括口喉之中，张翕（X0其口，故能成言。譬如吹箫笙，萧笙折破，气越不括，手无所弄，则不成音，夫萧笙之管，犹人之口喉也；手弄其孔，犹人之动舌也。”是说人要发声就须“动摇其舌”，箫笙要发声则须“手弄其孔”，对于声的传播要有气，他提出声波犹如水波的见解：“今人操行变气远近，宜与鱼等；气应而变，宜与水均。”西方明确“空气是声音传播的一种媒质”，是17世纪由玻意耳提出以后的事了。明代宋应星在天工开物的论气气声篇中讨论了声的产

2、生：“气本浑沦之物，分寸之间，亦具生声之理，然而不能自为生冲之有声焉，飞矢是也；界之有声焉，跃鞭是也；振之有声焉，弹弦是也；持物击物，气随所持之物而逼及于所击之物有声焉，挥椎是也凡以形破气而为占也，急则成，缓则否，劲则成，懦则否”。宋应星认为，声还空气的运动，由于有形之物冲击空气使其振动而发声，他分析声音的大小、强弱取决于形、气间冲击的强度，把这叫做“势”说“气得势而声生焉。”他还讨论了声在空气中的传播，论气气声篇写道：“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，而其纹浪以次而开，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。”形象地说明了以物冲

3、气而产生的声音，在空气中传播的情形很像以石击水形成的水波扩散。二、对共鸣现象的研究公元前3、4世纪成书的庄子徐元鬼中，有关于弦线共鸣的记载：“为之调瑟，废（置）于一堂，废于一室，鼓宫宫动鼓角角动，音律同矣，夫改调一弦，于五音无当也，鼓之，二十五皆动。”吕氏春秋也有“声比则应，故鼓宫则宫应，鼓角而角应”弦共振的记载，这里的“宫、角”是指中国古代的音阶之二。西汉董仲舒认为物体之所以“自鸣”，必有“使之然”的原因“声比则应”以及“五音经而自鸣”，他已粗略地阐明了共鸣的物理过程。晋、唐又有了消除共鸣的方法记载：晋代的张华指出，钟与铜盆共鸣时用工具改变其中之一的重量或形状，便可消除，唐代刘宾客嘉话录记有

4、洛阳某僧房的磬无故自鸣，僧俱成疾，其友曹绍夔闻讯问候时发现斋钟有声磬也作声，次日取锉鑢磬数处其声遂绝。曹解释说：“此磬与钟律合，故击彼此应”。明白真相后僧人不治自愈了。梦溪笔谈是北宋科学家沈括的著名著作。笔谈也记载了对共鸣的研究，沈括友人的琵琶置于空室，当管乐奏双调时琵琶不奏自鸣，友人视为至宝，沈括则指出：“殊不知此乃常理”，认为这是一种普遍的自然现象。沈还用实验揭示了共鸣的机理：“欲知应声者，先调其弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，它弦不动。”是说剪些小纸人放在琴弦上，拨动一根琴弦，可以看到与它频率相应的另一琴弦上的纸人跳动不止，而其它弦上的纸人则纹丝不动，沈括的实验要比意大利达

5、芬奇的同类实验早几个世纪。明清之际的方以智看过梦溪笔谈后，重复了共鸣实验并扩大了认识范围，他在物理小识中写道：“今和琴瑟者，分门内外，外弹仙翁，内弦亦动，如定三弦子为梅花调，以小纸每弦帖之，旁吹笛中梅花调一字，此弦之纸亦动。”这是说，先将乐器分别置于门内外，外弹仙翁调时门内的琴弦也发生共鸣；若将三弦定成梅花调，再用同一调吹笛子时三弦也会振动，这是不同乐器上的共鸣，于是证明了发生共鸣的条件是频率相同，而与乐器的种类无关，这一点是沈括没有认识到的。三、古乐器制造技术中国古代制造乐器的历史可追溯到史前时期，在弓箭的使用中产生了简单的弦乐器，琴操中还有“伏羲作琴”的说法。在河姆渡文化遗址（距今7000

6、年）发现有骨哨160件，在仰韶文化遗址（距今6000年）发现两个陶哨，形似橄榄；另外还有石磬、陶埙、土鼓等，据陶埙的发音判断，原始社会晚期可以已萌发了音阶概念。春秋末年的考工记详细地记述了钟的制造及其音响分析，用编钟奏乐是我国古代的重要发明（1978年，湖北省随县一座战国时代的曾侯乙墓中出土了几组编钟达65件，总重量2500多千克，可用来演奏现代乐曲，同时出土的还有其它乐器如琴、瑟、编磬等59件）。考工记用254字指出钟体各部位的名称和尺寸比例，记述钟壁厚度、钟口形状对发音的影响，说明钟的大小、长短及其音响效果，还确定了为调音而锉钟壁的比例等，真是语言简练、层次分明、逻辑严谨。考工记是人类历史

7、上的最早论述制钟技术的专著，比欧洲同样内容的论著几乎要早1500年。四、朱载堉的十二平均律明仁宗庶子的后人朱载堉在乐律全书中记述了他发明的十二平均律，受到世界科学界的高度赞扬。春秋时代已开始用三分损益法来确定管、弦的长度与音调高低的关系,但计算出的十二律中相邻两律间的频率之比不完全相等，故称为十二不平均律，这在乐器的变调和演奏和声时十分不便,朱载堉在前人探索的基础上发明了十二平均律,用等比级数的方法平均分配倍频程的距离,取公比为2的十二次方根,使得十二律中相邻两律间的频率比完全相等：设黄钟律长为1尺,倍黄钟则为2尺；倍黄钟律长开平方,即十二平均律中任意两相邻律的比率（详见表1）,这一发明比欧洲

8、音乐理论家梅尔（生于1636年）发表的十二平均律要早52年,至今仍有很高的科学性和实用性。表1十二平均律计算在研究方法上，朱载堉把声学研究与数学紧密结合起来，注重定量计算，这是对中国传统物理学方法的重大突破。五、具有回声效应的奇妙建筑建于1530年的明代天坛，其中回音壁、三音石、圜丘具有奇特的声学效应回音壁即环护皇穹宇的圆形围墙，高6米半径32.5米，墙壁光滑构成良好的声波反射体。若一人紧贴围墙甲处小声说话，在围墙对面乙处的人可以听得十分清楚，这是因为甲点发声的传播方向与甲点切线形成的角度小于22时，声波就会被连续反射，一直保持着几乎等于原来的能量传到乙点，如图1所示。0三音石是皇穹宇南面路上的第三块石板。正好位于围墙的圆心，所以人站在石上击掌一次能听到三次回声，其实声波每被围墙反射一次经等距返回中心，人便能听到一次掌声，多次往返听到的也不止三次，只不过三次以后的声音过于微弱罢了。圜丘是天坛南面用青石筑成的三层圆形高台，是明、清皇帝祭天之处，圜丘半径11米，圆形光滑地面的