中國古代在聲學上的貢獻

中國古代對物理學貢獻一書中的其中一章節，中國古代音樂是世界文明中的一個寶庫。河南舞陽縣賈湖村的骨笛，是公元前5000～前6000年新石器時代的遺物，這是迄今發現的世界上最早的樂器。

基本介紹

• 中文名：中國古代在聲學上的貢獻
• 聲學的成就：一技獨秀
• 內容介紹：樂器製作與樂律理論等
• 領域：中國古代物理學

概述

在中國古代物理學中，聲學的成就可以說是一技獨秀，有特別加以記述的必要。

內容介紹

（1）樂器製作與樂律理論

中國古代音樂是世界文明中的一個寶庫。河南舞陽縣賈湖村的骨笛，是公元前5000～前6000年新石器時代的遺物，這是迄今發現的世界上最早的樂器。西周時期，見於《詩經》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，調頻彈撥樂器有琴、瑟，管類樂器有簫、管、塤、笙等。《漢書·律曆志》已將當時的樂器品種按質料分為八種：“土曰塤，鮑（木瓜）曰笙，皮日鼓，竹曰管，石日磬，金日鐘，木日祝，絲曰瑟。”從眾多出土的古樂器中，引人注目的是編馨和編鐘。編馨是用特殊石頭（如玉石）製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編馨25 只，其形狀已頗為規則，音域達三個八度。編鐘是由一系列銅製的鐘掛在木架上的組合鐘。1978年在陝西扶風曾出土了西周的青銅編鐘，1979年在湖北隋縣的戰國曾侯乙墓出土了公元前443年的編鐘，一套共65件，總重2500餘斤，總音域跨五個八度， 12個半音齊全，音色優美，效果極佳，充分顯示了我國古代音樂、冶金和樂器製造水平之高超。

由於重視“禮、樂、術、數”，我國古代研究樂音數學規律的律學相當發達，《二十四史》有許多律曆志的記載。最晚到殷商時期已產生了宮、商、角、徵、羽五聲，西周編鐘已刻有十二律（由於對樂音成組的認識，而產生十二律，其名稱為：黃鐘、大呂、太簇、夾鐘、姑洗、仲呂、蕤賓、林鐘、夷則、南呂、無射和應鐘，黃鐘為十二律中的第一律）中的一些銘文。以黃鐘為標準音高之首，逐次按半音降低，就形成了十二律。最早的樂律計算法見於《管子·地員篇》中的“三分損益法”，約產生於公元前7～3世紀間，即將主音律的弦（或管）長三等分，取其兩份（全管長的2/3，為損一），或增加一份（全管長的4/3，為益一），依次確定十二律中其他各律的方法。這種以弦長為準的方法，與歐洲當時以頻率為準的“五度相生法”是成倒數關係的。16世紀末，朱載堉提出了十二平均律的理論和算法。十二平均律是我國對音樂聲學的重大貢獻。

（2）聲的傳播與發聲原理的探討

據北魏酈道元《水經注》卷三十四《江水》記載：陳遵在造江陵金堤（公元512～518）時，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。

對於發聲原理，東漢王充在《論衡·論死篇》中先說明人的語言是由於“氣括口喉之中，動搖其舌，張合其口”而生的，然後推廣到“簫笙之管，猶人之口喉也，手弄其孔，猶人之動舌也”。宋代張載（1020～1077）及明代王夫之（1619～1692）進一步形成“形”（物體）與“氣”相衝突而發聲的觀點：“聲者，形氣相軋而成”。是“兩氣”相碰，如“谷響雷聲之類”，“兩形”相碰，“桴鼓所擊之類”，“形軋氣，羽扇敲矢（指羽扇生風、飛矢鳴鏑）之類……氣軋形，人聲笙簫之類”（《張子正蒙注》）。明宋應星具體考察了聲的發生的幾種情況：“沖”（“飛矢”），“界”（“躍鞭”），“振”（“彈弦”），“辟”（“裂繒”，即撕絲織品），“合”（鼓掌），“擊”（揮椎）。他認為發聲第一必須有氣：“氣而後有聲”，“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”，“急沖急破，其聲方起”，例如“擊物”就是“氣隨所持之物而逼及於所擊之物有聲焉”（《論氣·氣聲》）。

關於聲音發生與傳播更為深刻的見解是王充和宋應星指出的。王充在《論衡·變虛篇》中將魚“動於水中，振旁側之水”與人的“操行”（行動）引起“氣應而變”加以對比。宋應星則明確提出“物之沖氣也，如其激水然。氣與水，同一易動之物。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。”（《論氣·氣聲七》）。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”。對聲波的發生與傳播從物理上分析如此精闢，在我國古代物理學中是很突出的。

關於共鳴現象的趣聞，莊子調瑟時發現共振現象，沈括在弦共振時作紙人試驗，噴水魚洗的研究等，文獻記載相當豐富。

（3）古代建築中的聲學效應

利用聲學效應的建築在我國已發現不少。古典籍中關於空穴傳聲類的記載與建築有關的也有“地聽”、“牆聽”（《墨子·備穴篇》）等，用陶瓮口向內砌牆可以隔音，在琴室及戲台下埋大缸可增加混聲迴響效果。著名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。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縣普救寺鶯鶯塔的蛙聲。《西廂記》中“日午當庭塔影圓”，就是指此塔。該塔初建於隋唐，現存的塔重修於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，建於陡坡的高處，周圍空曠，整個塔身和塔檐由塗釉青磚建成，這些青磚的聲反射係數達0.95～0.98，是聲音的良反射體。塔身成空筒形，對聲波起著諧振腔作用。由於十三層塔檐各層砌磚所成曲線的巧妙配合，對來自塔前距離約24米處的擊石聲產生良好的反射及會聚作用，因而“於地擊石，有聲如吠蛙”。同樣，遠處的聲音通過十三層塔檐反射就會聚在檐前附近，使人耳接收到的聲波能量大增。五里外的蒲州鎮的演唱聲，猶如塔內有戲台。

我國古代建築是利用聲學效應的科學寶庫，還有待於進一步發掘。上述成就體現了聲學與音樂、聲學與哲學和聲學與建築、軍事等的結合，這也是我國古代物理學發展的根本特點之一。