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1、第七节 中国古代的声学成就声学是中国古代物理学史中发展最完备的学科之一。中国古人在声学的研究中做出了许多发现和发明，声学不仅仅在乐律与音阶的知识积累，还包括建筑、机械制造等各个方面的声学知识。在音律的研究上取得了突出的成就，并对古代文化的发展起到了重要的作用。对于物体的发声与传声，共振与共鸣等现象也从理论和实验上做出了很好的研究。 一、声音定义及其律学 说文解字云：“聲、从耳”。凡是耳朵听见的皆为声。现代人已知道，人耳的听觉阈值在1620000赫兹之间，低于16赫兹的称为次声，高于20000赫兹的称为超声；次声与超声是人耳所听不见的。繁体“響”从音，意思是有声音就有响，古代人称为“响之应声”。
2、如不涉及人耳听觉，仅从物理效果看，这一观点是正确的。对于噪声，古代人也有定义。宋代重修玉篇中曰：“噪，群呼烦扰也”。可见，古人对噪声的定义是极为准确的；那种乱喊乱叫、刺耳声、令人心烦的声音，就是噪声。 图1-13为古代竹制的十二音律管古人除了对噪声进行定义外，还对乐音进行了定义，汉代郑玄对声与音从音乐角度作了简捷的定义。他说：“宫、商、角、徵、羽，杂比曰音，单出曰声。”南北朝皇侃（488545）补充说：“单声不足，故杂变五音，使交错成文，乃谓为音也。”这是说，当人们仅仅说歌曲中的宫、商、角、徵、羽五个字时，这属于声；而将这五个字反复变化、交错成文唱出来时，就成音。宋代陈场在其著乐书中对声音的定
3、义。他说：“凡物动而有声，声变而有音。”在他看来，声是物体运动产生的，而乐音是声的清浊与节奏等变化的结果。这个定义富有了清晰的物理概念。综上可见，古人已把“声”与“音”的概念明确地区分开来了。由于物体的运动、或者人们为了表达某种情感、思想而发出的都是声；在这些声中，凡舒疾快慢、高低变化、强度大小有一定规律和节奏，彼此有一定数理关系的，才是音。中国古代的律学，就是从数学上确定乐音的音高、音程关系和音阶结构。“律”字有多种含义。一、表示音乐中的音。典籍中常称“高一律”或“低一律”，在十二等程律中就是高半音或低半音。二、表示音高标准器，尤指律管。三、表示与尺度相关的音高标准。四、产生乐音的有关法则或
4、规律，有生律法或律制之意。不同生律法产生不同的律制。五、狭义的律，即律吕中的“六律”；“律吕”是十二律的别称。十二律意指有12个乐音，它是律学研究的核心，其名称按音高顺序排列可写作：黄钟，大吕，太簇，夹钟，姑洗，仲吕，蕤宾，林钟，夷则，南吕，无射，应钟。与今天的音名比较，它们相当于C，C，D，D，E，F，F，G，G，A，A，B。在中国历史上没有“音阶”一词，但有明确的音阶概念。五声音阶和七声音阶分别称为“五声”、“七声”。五声的名称是宫，商，角，徵，羽；七声的名称是再加两个变声：“变徵”和“变宫”。“五声”、“七声”与十二律之间存在着某种对应关系。同时，音阶中的各音也可以轮流为主音，从而构成各
5、种调式，以宫音为主称为宫调式，以微音为主称为微调式，等等。这样，十二律与五声或七声就可以组成六十调或八十四调（如图7-1-1）。现在的“乐律学”内容，在古代往往分别称为“律学”和“乐学”。前者是从发声体振动规律出发，研究乐音的数理关系，甚而包括与历法和度量衡的关系；后者是从音乐实践出发，探讨乐音与其音感的关系，包括宫调、记谱、读谱与配器法等内容。明代朱载清又将乐律分为“乐”与“律”两种，他分别撰写了乐学新说和律学新说，而将他的著作统称为乐律全书。二、声音的特性和传播早在西周时期人们已开始产生了将声音分类的思想，按照发声物质的材料，将乐器分为八类，称为“八音”。周礼春官中写道：“播之以八音：金、
6、石、土、革、丝、木、匏、竹。”由于各种物质材料都独具音色特点，从音色的角度看，这种分类有其合理性。另一种分类是与声音的产生方式相提并论的，这种分类方法是颇具物理意义；宋代张载对此作了较系统的叙述。他说：“声音，形气相轧而成。两气者，谷响、雷声之类；两形者，桴鼓叩击之类；形轧气，羽扇、敲矢之类；气轧形，人声、笠簧之类。是皆物感之良能，人皆习之而不察尔。”从这里可以看出，古代人对物体振动产生声音和气流冲击物体而产生声音都有深刻的认识。宋应星在论气气声中将物体运动产生声音分为五类：“及夫冲之有声焉，飞矢是也；界之有声焉，跃鞭是也；振之有声焉，弹弦是也；辟之有声焉，裂缯是也；合之有声焉，鼓掌是也。”“
7、冲”、“界”、“振”、“辟”、“合”五类产生声音的运动方式，与现代声学教科书的某些说法基本相同。直到近代，更为科学的五种分类法是打击乐器、膜鸣器、弦鸣器、气鸣器和电声器。它们虽然取代了古代的分类法，但相比之下，宋应星的分类仍有其合理的因素。 声音有三要素：音调、音品和响度。音调是由声音的频率决定的；响度是指声音的强弱。音品，也称音色，是用以区别具有同样响度和音调的两个声音所以不同的特性。人们可以根据音品辨别不同的音和不同发声物质。战国时期思想家庄子（约前369前286）在庄子内篇中提出了风速与音调有关，并得到“小风则相和的声音小，大风则相和的声音大”的结论。古人已知道不同风速会产生不同声调的声
8、音。战国时期荀况在荀子劝学中写道：“顺风而呼，声非加疾也，而闻者彰。”顺风方向传播的声音借风速而使声压加大，听者耳膜的刺激量增大，于是声音变得更加明亮有力。这也是一个富有物理意义的观测记录。战国末，秦相吕不韦集合门客共同编写的吕氏春秋中也记述了有关音品的知识。该书写道：“为木革之声则若雷，为金石之声则若霆，为丝竹歌舞之声则若噪。”“木革之声”若“雷”，当指普通的雷声或缓缓的雷声。“金石之声”若“霆”，当指疾雷、迅雷之声。雷与霆二者在程度上稍有区别。“噪”，此处应指鸟叫，也为婉转动听之声，以此形容弦乐器与管乐器的音品。响度，原指听觉判断声音强弱的属性，古代人常以声音传播的远近来衡量它。淮南子说山
9、训中记述道：“钟之与磬也，近之则钟音充，远之则磬音章。物固有近不若远，远不若近者。”这段文字表明，在同时敲击不同材料和形制的乐器时，在不同的距离内听觉有不同的感受。钟与磬同击，钟声低沉洪大，磬声清远味亮；近听则闻钟声，远听则闻磬声。 公元前2世纪以董仲舒（前180前115）为代表的灾变家们已对水波和声波有所认识，他们说道：“人在天地之间，犹鱼在水中矣。其能以行动天地，犹鱼鼓而振水也，鱼动而水荡气变。”鱼动于水中，水波荡漾而开；由人声引起的空气波的传播也发生类似变化，所以人的言行感动天地，如鱼之振水。明末宋应星也提出了声波与水波的相似性。宋应星在论气气声中写道：“物之冲气也，如其激水然。气与水，
10、同一易动之物。以石投水，水面迎石之位，一拳而止，而其文浪以次展开，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。” 这里除了以水波比喻声波外，同时还对声强和传播距离的关系有较深入的认识。对声音的反射、折射和衍射现象，古人也有众多记载，清代郑光祖在其著一斑录中写道：“气有所震而成声。前有墙一曲，声为勒转必相应。若墙外有圈洞，则愈甚。故山多之处，应声百出其变也。”“空旷之地，壁立数寻巨石。人贴石而立，则隔石发火枪而不闻，声不到也。不知者谓为聋石，愚矣。然此须一无遮碍。若巨石外另有屋宇、树林、或远近山阜，将声抑迫，即不能竟不闻也。”郑光祖所述的第一例中解释了墙壁所产生的多次反射现象；第二例
11、中，郑光祖解释了所谓“聋石”，他不仅清楚地记述了这一声音现象，而且他还具体地指出了发生这种现象所需的环境条件，即“须一无遮碍”的空旷之地。否则，声波被周围树林、屋宇等物反射回来，巨石下的人就不能不听到声响。这表明郑光祖已具有较深刻的声学知识。方以智在物理小识中写道：“若高山日暮，闻城市之喧声，以日气敛而人静听也。”“愚尝江上晡出三山峡，即闻鲁港、鸠兹之人声。”“风顺夜静，则山头闻百里，不为奇矣。”其一例子的环境是傍晚，夕阳西照，地面附近温度高，上空温度低。气温随高度增加而降低，因而声波的波阵面法线偏折向上。加之环境安静，因而在高山上听见山下城市之喧闹声。其二例子的环境是夏天，长江江面，约下午3
12、5时（“哺”即申时，太阳落山前一个时辰）。三山峡（今安徽繁昌县境内）与鲁港（芜湖市郊一集镇）同在长江一侧，相距不超过3000米的宽阔水面，鲁港与鸠兹（今芜湖市）也在5000米之内。方以智在长江上乘船旅行，日哺时出三山峡，听到鲁港人声；过了鲁港，又听到鸠兹人声。由环境条件可知，大气温度随高度增加而增加，而水面温度较低，因而声波波阵面法线偏折向下，甚至很可能在水面与上层热空气之间发生声波全反射，因而使普通的声音能传播到较远的距离。其三例子的环境是“风顺夜静”，山下与山顶之间有一定的风速梯度，风速随高度而增加，加上寂静的夜晚，因此，山头上听见较远距离的山下村庄里的声音。宋代曾三异在其著因话录中指出，
13、声音可以绕过墙垣。他说：“声者气之精华也。一纸之隔而气不能达，墙垣之间，声得可闻。声之感通者若神。”言下之意，墙之所以不能隔断声音，正是声波衍射造成的。但曾三异不明其中道理，他只能以“声之感通者若神”作为他的解释，显得有些莫棱两可了。三、舞台、建筑与声学大约在南北朝时期，萧梁朝周兴嗣（？521）在其撰千字文中有“空谷传声、虚堂习听”的描述。中国古代的戏院和舞台的建筑有着悠久历史，宋元时期的露天舞台或戏台多为木石结构，它除屋顶之外，还具有后墙和两面侧墙；这对于露天场地的较远的听众无疑具有较为清晰的听闻情况。增加混响，大概是古人想到的使厅堂或广场内演唱声传播得更远的方法。宋代赵希鹄（生活于13世纪
14、）写道：“盖弹琴之室，宜实不宜虚，最宜重楼之下。盖上有楼板，则声不散；其下空旷清幽，则声透彻。若高堂大厦，则声散；小阁密室，则声不达；园囿亭榭，尤非所宜。若幽人逸士，于高林大木或岩洞石室之下，地幽境寂，更有泉石之胜，则琴声愈清，与广寒殿何异也。” 赵希鹄认为，最好的琴室是“重楼之下”，即二层小楼下，或取自然景区，如岩洞石室和高林大木之中。“重楼”对声的反射及其混响，其下又“空旷清幽”，这就成了一个自然的扩音喇叭，使琴声往听众方向传播。而岩洞石室和高林大木又都能很好的反射声音，增加混响，低微的琴声可以由它们放大。这种琴室的设计符合古琴声微的特点。赵希鹊认为不良的琴室或弹琴之地，如高堂大厦、园圃亭
15、棚等，都因周围太空旷，琴声传不到反射体就已经消失了。有时古人还在琴室地下埋瓮，以共鸣增加琴声音响，公元前45世纪，墨翟及其弟子在地下挖地道、埋空瓮，以监听地面声源的方位。从唐宋起，在舞台下埋瓮的建筑逐渐增多，后来竟成为中国舞台传统，一直流传到最近几十年间的民间舞台建筑中。文震亨（15851645）写道：“古人有以平屋中埋一缸，缸中置铜钟，以发琴声音。” 中国古代人至迟在明代还建造了隔声建筑。方以智在物理小识中写道：“私铸者匿于湖中，人犹闻其锯挫之声，乃以瓮为，累而墙之，其口向内，则外过者不闻其声。何也？声为瓮所收也。”以瓮累墙，使其口朝向室内，再在各个瓮之间实以泥土，就筑成了最古老的隔声墙。这
16、样建造的隔声房间极为近似于近代以亥姆霍茨共鸣器建造的隔声墙或隔声房间。 图1-14为北京天坛皇穹宇回音壁 北京的天坛初建于明永乐十八年（1420）。其中，祈年殿、皇穹宇、圜丘三座宏伟建筑座落在南北纵轴线上。皇穹宇和圜丘建于明嘉靖九年（1530）。皇穹宇围以高约6米，半径约32.5米的围墙。这个围墙，就是闻名的回音壁（如图7-3-1）。回音壁的围墙以砖石砌成，墙壁面整齐、光滑，是一个优良的声音反射体。围墙内三座建筑，座落北面最大的圆形建筑就是皇穹宇。东西两边对称地各有一个长方形配殿。圆形围墙与声音在凹面的反射密切相关，当人对着凹墙面低语，声波沿着凹墙面经多次反射传播到对面很远的地方去。从皇穹宇到回音壁的大门有一白石路，从皇穹宇往南数第一、二石处拍掌可以分别听到一次和二次回声；在第三石处拍掌可以听到三次回声，人称此石为“三音石”。三音石的
