声学的生活运用

声学的生活运用

一、古人如何认识声音的传播

声学是研究一切声音现象、利用声音或消除声音的科学。空气中的声波，是发声体使空气振动而成的。空气振动是一疏一密的状态，其传播能量的方向与振动方向相平行，所以，声波是纵波。

王充是世界上最早展示不可见的声波图景以及指出声强与传播距离关系的人。东汉时期，大约公元l世纪，他在《论衡·变虚篇》指出声音在空气中的传播形式与水波相同，同时还指出声音的强度随传播距离的增大而相应衰减，他以鱼激起不过百步的水波为例，说明人声跟鱼声一样会随着距离而相应衰减。到了明代，科学家宋应星在《论气·气声》里更明确地展示借水波比喻声波的思想。

为什么自己的声音总听起来怪怪的？我们听自己的录音时，常常感觉怪怪的，不像自己听惯的声音。这是因为录音机的声音是从空气传播的，而我们自己听惯的声音是直接从口腔内由骨头传到内耳。自己的录音正是别人所听到的声音，所以，别人不会觉得自己的声音是怪怪的。

二、古代声学实验

1.二十五弦共振

最早记载了二十五弦共振现象的书是《庄子·杂篇·徐旡鬼》，它是古代的调瑟实验，这个实验指出基音的共振现象及基音和泛音的共振现象。瑟是中国古代的一种弦乐器，共有25根弦，把其中一具放在室内，在它的附近或另一室内放上另一具瑟。弹动其中一具瑟的宫弦，另一瑟的宫弦也动，弹动它的角弦，另一瑟的角弦也动，这是因为它们的音律相同。如果改调另一弦，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，另一瑟二十五弦都会动，这是因为这条弦的各个泛音之中总有几个音与瑟的二十五弦的音相当或成简单比例，这说明了瑟的二十五弦共振的道理。

（1）共鸣器。你知道古代的共鸣器和消音器是什么样子吗？原来它们只是普通百姓的日常用品-陶瓮，把瓮口蒙上皮革，就成为一个共鸣器，称“听瓮”或“地瓮”，一般用来侦探敌情。《墨子·备穴》就记载了几种方法，例如，在城墙根下每隔一定距离挖一深坑，坑内埋置一个容量为七、八十升的陶瓮，瓮口蒙上皮革，让听觉聪敏的人伏在瓮口听动静，可听到敌人挖地道攻城的响声，也可以根据瓮声响度的不同来识别敌人的方向和位置。沈括在《梦溪笔谈.器用》曾作出物理解释：“取其中虚”、“盖虚能纳声也”，即现代物理学上的气柱共振现象。

（2）消音器。陶瓮不但可以收集声音，还可吸声，或者说具有隔声的功能，即将声音约束在一定范围内，而不让它传播出去。以前私自铸钱的人，一般把空瓮放到墙边，瓮口朝向室内，这样陶瓮就可以把铸造的噪音吸收，这就是古代的隔音设备

2.共振现象原理

当一个物体发声振动时另一个物体也随之振动，这种现象称为共振，古代称为同声相应或声比则应。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1/1、1/2、2/3。还有一种气柱共振现象：当声音在地面、铁轨、木材等固体中传播时，若遇空穴，空穴处产生交混回响，使原来在空气中传播的听不见的声音变得可以听见。

（1）古代音谐有哪些音阶。古代有五声音阶和七声音阶，五声分别是宫、商、角、徵（古音：止）、羽，相当于现在的do、re、mi、sol、la，七声是在五声内加上两个变声，即变征、变宫，相当于现在的fa和si。

（2）海螺唱歌。到海滩拾贝、听海螺唱歌实在是一件非常浪漫的事情。为什么把海螺贴近耳朵会听到海浪的声音？原来这是一种气柱共振现象，海滩上的各种杂音，如微风轻拂沙滩、白浪拍岸、浪花起舞等会激起海螺里空气柱的共振频率，造成声音忽大忽小，因而使人以为海螺会唱出海之歌。

三、古代乐器的振动原理

1.钟磬乐器

中国古代的声学发展有理论，也有实践，理论方面主要表现在以数学方法准确地计算乐律和音阶组织。我们可以从古代中国人的音乐实践里，看到他们的声学智慧。

（1）磬。锉刀除妖里的磬是一种古代石质乐器，它与锣、钹等金属乐器一样，都利用板振动发声，按声律而编排的磬，叫编磬。一般来说，磬板越大、越薄，其振动发声越低，磬板越小、越厚，其振动发声越高。磨锉磬板不但可消除共振，还可以调音，在磬板两个正面磨锉，使它变薄，发声就降低，磨锉板的端面，则相对地变厚，发声升高。

（2）钟。将铜板弯曲成壳体，就成为钟、铃等利用壳振动发声的乐器，按大小和音调形式编挂在钟架上，就称为编钟。编钟的内表面有条形声弓，是调音磨锉的结果。中国编钟可以成为乐器是由于其发声短，宜于演奏慢速、中速旋律，而且，它们有“一钟双音”的现象，双音是中鼓音和侧鼓音，二者敲击的位置分别是钟体的正中和旁侧，可分别振动而互不干扰，这是中国古代特有的双音乐器。

2.什么是八音

八音是中国古代乐器的分类法，古人根据乐器制作材料的不同而将各种乐器分为八类，即金、石、土、革、弦、木、匏、竹。金是青铜器铸造的编钟；石是用坚硬的石块制成的打击乐器，如磬；土是用黏土制成的埙；革是用皮革制成的鼓；弦是用木料制成的弹拨乐器，如琴、琵琶等；木是用木料制作的打击乐器，如板等；匏是用竹管和簧片制成的吹奏乐器，如笙等；竹是用竹管制成的吹奏乐器，如笛子等。

3.管弦乐器

中国的管弦乐器的发声原理又与板壳振动不同，在西周中晚期，古人就开始从数理角度探索管弦乐器的发音机制。

（1）弦。琴、瑟、筝、筑等弦乐器是靠弦线发音，发音的高低决定于振动频率，而振动频率又决定于弦长、线密度和张力。大约公元前6～前5世纪，“三分损益法”用数学公式总结物理规律，说明了音调与弦长的定量关系，其方法是：从一个被认定为基音的弦（或管）的长出发，把它分为三等分，再去掉一分（“损一”）或加上一分（“益一”），以此来确定另一音的长度。这方法最早见于《管子·地员篇》，比希腊毕达哥拉斯（约公元前570-496年）提出的方法要早得多。

以三分损益法计算而得的弦音可以算得各种音程，惟不能算得完全的高八度音，而是比八度稍高。要得到完全的高八度音，就要采用明代科学家朱载堉创建于1567-1581年间的“新法密率”（现在称为“十二平均律”）。朱载堉将八度音程平均地分为十二等分，在数学上解决了求等比数列的难题，这是现在的钢琴、手风琴等键盘乐器普遍采用的数理方法。

（2）管。篪（迟）、笛、萧、笙等是管内空气柱振动作用的管乐器，与弦振动不同之处在于管振动是纵波，或空气的疏密波，而弦振动是横波。

中国古代已有校正管乐器发音的方法，而朱载堉更创造了缩小管内径的校正方法。一般以管作为定音器，称为律管，以12支长度不同的竹管（或铜管）来设定以三分损益法计算而得的八度内12个音。要使管振动与弦振动的音高一致，管长就不能等同于弦长，而是要比弦长稍微短一些，或者使管内径缩小。朱载堉的管内径的校正公式及校正数据，直到19世纪还受到西方推崇。

（3）喷水鱼洗。古代称“洗”的东西，其形状颇似今天的洗脸盆，有木洗、陶洗和铜洗。盆内底刻鱼的称鱼洗，刻龙的称龙洗，唐宋时期称为喷水鱼洗。洗内盛水后，用手摩擦它侧缘上两个弦（又称“双耳”），立即发出响亮的嗡嗡声，继而盆内出现美丽的浪花，水珠四溅。摩擦愈快，声音愈响，波浪翻腾，水珠喷射愈烈。其实这是一个物理现象：当摩擦洗的两弦时，冼周壁发生激烈振动，其振动如同圆形钟一样，是对称的壳体振动，在洗的振动波腹处，水的振动也最强烈，不仅形成水浪，甚至喷出水珠。

4.听中乐分管弦

（1）排箫。排箫是由多根竹管排列制成，古称箫、凤箫、比竹。据说它是舜时代大型舞乐《韶》的主要乐器，《韶》也被称为《箫韶》。孔子在齐国欣赏了《韶》的演奏后，说：“尽美矣，又尽善也”。这就是成语“尽善尽美”的由来。

（2）古筝。筝是春秋战国时代流行于秦国的乐器，又称秦筝，其音色明亮、华丽，尤盛于唐代。你知道如何区别琴和筝吗？原来筝和琴形制的最大不同之处就是弦柱，它是用来承托筝面上的弦线，所以，有柱为筝，无柱为琴。

（3）琵琶。琵和琶原是两种弹奏手法的名称，琵是右手向前弹，琶是右手向后弹。在秦汉至唐时期，琵琶二字成为弹拨乐器的总称。直至宋代，才用来称呼有梨形音箱的曲颈琵琶。琵琶音域宽广，音色灵敏清雅，能演奏雄壮的武曲和抒情的文曲。

（4）笛子。中国在7000多年前就已经有七孔骨笛，这是笛子的雏形。古人称笛子为横吹、横笛，汉代时已流行用竹制造横吹笛。它的种类很多，较短小的高音笛称为梆笛，其音色高亢嘹亮，较长大的中音笛称曲笛，其音色浑厚圆润

四、回音

1.天坛回音壁

北京天坛的回音壁是中国迄今保存较完好的具有回音效果的古代建筑，回音其实是声音反射作用的结果。中国各地某些半圆形拱门、拱桥、英国伦敦圣保罗教堂等都是声学与建筑学结合的产物。

回音壁建于1530年，是一座高约六米的圆形围墙，半径32.5米。围墙内有三座建筑物，其中一座叫皇穹宇，整个围墙整齐光滑，是优良的声音反射体。在墙壁近旁即使相距较远的二个人都可以小声交谈，这声音并非直线式传播，而是绕围墙一周传播的。

天坛始建于1420年，是明清两代帝王祭天的地方。15世纪初，明代建成天地坛，合祭天地，明中叶实行四郊分祀天地日月之制，天坛自始专供祭天。清代时加以扩建，成为中国现存最大的一座坛庙建筑。天坛占地273公顷，由两道坛墙构成内坛、外坛，主要建筑物集中在内坛南北两端，中间由一条长360米的条石台基相连，由南至北分别为圆丘、皇穹宇、祈年殿和斋宫等。整个天坛设计精巧，色彩调和，建筑艺术高超，是中国最出色的古建筑之一。

2.三音石

皇穹宇南面路上第三块石板，正处在围墙中央，传说在这里拍一掌可听到三响，故称其为三音石。三音石的效果也是声音反射的结果：当掌声等距地传播到围墙之后，被围墙同时反射回中央，于是人们听到第一响回声，这第一次回声又照样传播出去，并被围墙反射回来，于是听到第二响，如此类推。

3.圆丘

回音壁南面有一座由青石砌成的圆形平台，叫圆丘，建于1530年。它的最高层离地面约5米，半径约11.5米。整个圆丘包括地面都是由反射性能良好的青石和大理石砌成的。其平台并不平，而是从圆心向周边稍有倾斜的台面。当人站在台中心叫一声，他自己听到的声音比平常的声音更响，似乎是从他脚底石板下传上来的。这是由于声波被青石栏杆反射到稍有倾斜的台面，再从台面反射到人耳的缘故。

4.喜怒无常的飞机声

天气阴晴不但影响人，也影响飞机的情绪。晴天的时候，飞机的噪音听起来较短促、轻快，阴天则较长久而深沉。其实这是一种声音反射的现象，阴天云层较多，把向上扩散的噪音反射回地面，因而噪音比晴天较长久。