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中国古代的声学知识

[作者:戴念祖]  [2007/8/3]
通俗地说,声学是研究一切声音现象、利用声音或消除声音的科学。自然界中时刻都发生各种各样的声音,可谓无所不有,五花八门。和谐的声音,像歌声,令人陶醉;不和谐的声音,像噪声,令人烦躁。声学是历史上最悠久的学科之一。宋代沈括在《梦溪笔谈》卷六《乐律二》中叙述共振现象和音调的无穷变化时曾说:“此声学至要妙处也。”可见,“声学”这一术语在中国历史上也是最早定名的科学名词之一。在中国古代,从振动波的概念到诸如建筑等实践中的应用,从乐器制造到乐律学的进步,都有许多突出的成就。

振动和波的古代观念

人们常见到水面波和绳子波,它们传播能量的方向和振动方向相垂直,因此这种波叫横波。空气中的声波是发声体使空气振动而成的。空气发生了像弹簧那样一疏一密的振动,它的传播能量的方向和振动方向相平行,因此这种波叫纵波。各种各样的声音都是由发声体振动引起的,这种振动通过空气或其他媒介传播到人的耳朵,人就听到声音。振动和波的概念的建立和发展,是和人们的生活实践和生产实践分不开的。

上古时代,人们在渔猎生产中常见到湖泊池沼的涟涟水波,水面上的浮萍、木条却并不随波前进,而是在作上下振动。在纺绳织网中,弹动绳子,波浪从一头传到另一头,但绳子上的线头也不随波逐流。经过人们长久思索之后,这种大自然的美终于在新石器时代被匠师以艺术的形式描画在各种陶土工艺上。如上图(1)、(2)是仰韶文化彩陶片,(3)是商代陶鼎。这些纹饰和近代波动描绘图几乎一致。

西周时期一首著名的民歌《伐檀》①唱道:

“丁丁当当来把檀树砍,

砍下檀树放河边,

河水清清纹儿像连环。

…………

做车轮儿砍树响丁当,

砍来放在大河旁,

河水清清圈儿连得长。

…………”

管子·侈靡篇》中说道:“荡荡若流水,使人思之。”荡漾的水波激起诗人的情感,唱出了劳动的自豪。但同时,它又能牵动思维神经,提出科学的疑问:为什么扩展而开的水波不能阻止水的往下流动?《管子·君臣篇下》说:“夫水波而上,尽其摇而复下,其势固然者也。”这是古代人的回答。
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约公元一世纪时,东汉思想家王充终于发现,声音在空气中的传播形式是和水波相同的。他在《论衡·变虚篇》中说:“鱼长一尺,动于水中,振旁侧之水,不过数尺,大若不过与人同,所振荡者不过百步,而一里之外淡然澄静,离之远也。今人操行变气远近,宜于鱼等,气应而变,宜与水均。”这段文字的前一句,描写了游动的鱼搅起水浪的大小浪花传播距离的远近。后一句指出,人的言语行动也使空气发生变化,变动的情况和水波一样。此外,王充在这里还表达了另一个科学思想:波的强度随传播距离的增大而衰减:鱼激起的水波不过百步,在一里之外消失殆尽;人的言行激起的气波和鱼激起的水波一样,也是随距离而衰减的。可以认为,王充是世界上最早向人们展示不可见的声波图景的,也是最早指出声强和传播距离的关系。

到了明代,借水波比喻空气中声波的思想更加明确、清楚。明代科学家宋应星(1587—1660)在《论气·气声篇》中说道:“物之冲气也,如其激水然。……以石投水,水面迎石之位,一拳而止,而其文浪以次而开,至纵横寻丈而犹未歇。其荡气也亦犹是焉。”敲击物体使空气产生的波动如同石击水面波。这就是宋应星的结论。

当然,声波是纵波,水波是横波。古代人由于受到时代的局限性,对这一点分不清,我们是不能苛求的。

共振现象

当一个物体发声振动时另一个物体也随着振动,这种现象叫做共振。凡是共振的两个物体,它们的固有频率或者相同,或者成简单的整数比,如一比一,一比二,二比三。在古代典籍中有大量的关于共振现象的记述,并把这种现象解释为“同声相应”(《周易·乾》),或“声比则应”(《吕氏春秋·有始览·应同篇》,又《恃君览·召类篇》)。这个解释和现代的科学定义几乎完全相同。

公元前四到三世纪,《庄子》一书最早记下了瑟的各弦间发生的共振现象。在这部书的《杂篇·徐无鬼》中说:“为之调瑟,废于一堂,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,二十五弦皆动。”

这里描述的瑟有二十五根弦。宫、商、角、徵(zhǐ)、羽是古代人使用的乐音音名,相当于现在的do、re、mi、sol、la。当在高堂明室中放上一具瑟(“废”是放置的意思),进行调音时,人们发现:弹动某一弦的宫音,别的宫音弦也动;弹动某一弦的角音,别的角音弦也动。这是因为它们的音律相同的缘故。如果改调一弦,使它发出的音和五音中的任何一声都不相当,再弹这根弦时,瑟上二十五根弦都会动。我们知道,这条弦虽然弹不出一个准确的乐音,但它的许多泛音中总有那么几个音和瑟的二十五根弦的音相当或成简单的比。这就是它会和瑟的二十五根弦都共振的道理。

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