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谈到“声波”与“振动”概念史时必须澄清一个重要观念,即:无论东西方,在伽利略之前,没有“频率”(单位时间内振动次数)的概念。古代人衡量乐音的高低是以振动体(弦线)的长度为标准的。古希腊人曾以铁锤的大小衡量它也是错误的。频率概念的引出,要精密到有“秒”的计时器,且振动体的振动可以计数。伽利略是以血脉的跳动作为时间单位,以单摆摆动为计算对象,这才引出“频率”的概念。近半个世纪来,某些科学史家不明就里,以为古希腊以频率定乐音高低,比中国人以弦长定乐音高明。如此断论者,多非物理学出身者也。
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二、共振与混响
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古代人发现并记载了大量的共振现象:弦共振、弦管共振、钟磬共振等等。《庄子·杂篇·徐无鬼》曰:
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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,二十五弦皆动。
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这就是在厅堂和在室内分别置相同瑟的共振实验。后一句说的是泛音共振现象。《庄子》最早记下了弦线共振现象,并解释了共振成因:“音律同矣。”
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唐代韦询在《刘宾客嘉话录》中记述了一个消除共振的故事:洛阳某僧因房中磬日夜自鸣,惧而成疾。他求术士解除而不得。某日,宫内太乐令曹绍夔得悉此事,笑对僧人说:“明日设盛馔,余当为除之。”次日酒足饭饱之后,曹从怀中出利锉,锉磬边数处而去,自此鸣声遂绝。僧喜并问曹所以然。曹答:“此磬与寺内钟律合,故击彼应此。”僧疾因而愈。这个故事被许多典籍辗转传抄。
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固体(如地表面)传声过程中,如遇有空穴,即在穴内产生混响。利用这种固体传声的空穴效应,就可以造成“地听器”。例如在地面埋一陶瓮,人耳贴瓮而听,可探知远处敌军人马声。这个陶瓮成为最早的原始地听器。它是战国时期墨翟及其弟子最早发明并应用的军事装备。后来历代兵家也以此作为战场必需设备。行军中,将士们将空箭袋作枕,闻敌军动静,也是这个道理。蒙学课本《千家诗》中有宋张耒(1054~1114年)《夏日》诗:
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长夏村墟风日清,檐牙燕雀已生成。
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蝶衣晒粉花枝干,蛛网添丝屋角晴。
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落落疏帘邀月影,嘈嘈虚枕纳溪声。
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久判两鬓如霜雪,直欲樵渔过此生。
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“嘈嘈虚枕纳溪声”就是对空穴效应的描述。沈括将这种效应正确地解释为“虚能纳声”。固体、液体传声比空气传声阻力小,而速度快。因此在湖泊中可以噪声捕鱼。几只船围成圈,同时以木棍敲打船舷(古人称此谓“鸣桹”),不久,鱼即翻漂水面。从汉迄清,渔人无不知晓此捕鱼法,历代文人亦和诗以颂。唐代皮日休(?~883年)《鸣桹》诗写道:
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尽日平湖上,鸣桹乃动桨。
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丁丁入波心,澄澈和清响。
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鹭听独寂寞,鱼惊昧来往。
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尽水无所逃,川中有钓党。
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鉴此噪声捕鱼法,令鱼种灭绝。20世纪50年代初,我国已明令禁止。
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然而,另一种捕鱼法值得提倡。利用去节竹筒,插入海底,耳贴竹筒一端,可闻水下鱼群活动声。尤以四五月间,黄花鱼汛到来之时,鱼群活动声有如“水下雷声”。至晚明代,江浙沿海渔民,以此方法捕鱼。明代田汝成(嘉靖五年,即1526年进士)在《西湖游览志余》中写道:
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杭人最重江鱼,鱼首有白石二枚,又名石首鱼。每岁盛夏,来自海洋,绵亘数里,其声如雷,若有神物驱押之者。渔人每以竹筒探深水底,闻其声,乃下网截流之。
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“石首鱼”即今日黄花鱼。竹筒探鱼,或可称为古代“声纳”。
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三、青铜钟
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中国是最早铸造青铜钟的文明古国。传统上,人们将钟分为铃、钟、镈、铙、钲、铎等名称。这是据其大小、用途而命名的。西方人统统称其为Bell(钟)。
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在河南汤阴县白营村出土了公元前30世纪的龙山文化时期的陶铃。在山西襄汾县陶寺村出土了公元前25至21世纪最早的铜铃。商代铜铃(如动物装饰铃、玩具铃、军铃、乐铃等)大量出土。在安阳殷墟前后几次出土了编钟,它们具有一定音阶关系,可用以演奏音乐。西周时期编钟大发展,春秋至战国初,铸造编钟的技术达到了顶峰。曾侯乙编钟就是战国初的作品。
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从考古发掘的钟来看,先秦时期,中国的青铜钟绝大部分是扁圆形体,即其横截面近似为椭圆。圆形钟极为罕见。然而,在四川广汉三星堆曾出土属于约公元之前13世纪的圆形钟:铜贝和石榴花形钟(如图3.3所示)。可以说,椭圆形钟是中国传统,圆形钟是西方传统。西方音乐学家和科学史家说,钟的形态起源于植物的花果。石榴是汉代从西域传入的。难道三星堆的古铜钟是巴比伦文化向东传播的产物(向西传播影响到古希腊),抑或四川平原上早有石榴这种植物?
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