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第2章 对共振与声波的认识

对于振动和波的概念,是人们在长期实践中建立和发展起来的。

各种各样的声波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,人就听到了声音。并在人的头脑中逐渐加深了对它们的认识。

唐武宗时,当朝太尉李德裕手下有一个乐官名叫廉郊,师从当时的琵琶大师曹钢,是曹钢的得意弟子,技艺精湛,听他的演奏如闻仙乐。在一个月白风清的夜晚,李太尉带着廉郊及随从们,邀约曹钢带着琵琶,来到李德裕的宅邸湖边,大家欢聚,赏月弹琴。廉郊主奏蕤宾调《芰荷》大曲,曹钢用和声陪衬。乐曲起伏错落,高低昂扬。弹奏几曲以后,音乐会渐进高潮。太尉与众人正神往于乐曲勾画出的音乐意境之中时,湖中传来阵阵像是鱼儿跳出水面又落下时溅水的声音。演奏者一听,就停奏了《芰荷》,改奏其他调的作品,而后湖中的声音消失了,再也没什么动静了。

太尉安慰众位宾客,让师徒二人接着弹。于是师徒两人转轴拨弦,再次演奏。《芰荷》大曲再起,湖水中又有声音传出。师徒两人想到太尉兴致这样高,便交换一下眼色,没有停止演奏。

这时,奇怪的事发生了:湖水中传来的奇特的声响越来越大,好像同琵琶大曲蕤宾调《芰荷》相和。众人正惶恐之间,一块长方形的东西夹带着水声、风声从湖中跃出,“哐当”一声跌落在岸边,奇怪的声音也戛然而止。

正在大家惊魂未定不知所措时,有胆大的随从已把这件东西送到太尉面前。太尉一看,“呵呵”一笑,对曹钢、廉郊说:“这是你们的知音啊!”原来,这是一个沉没湖中多年的名叫“方响”的打击乐器中的一块,刚好是专奏蕤宾调的那块。曹钢说:“太尉高见,这就是声律相应啊!”

在这个有点诡异的故事中,廉郊竟能以美妙的音乐引起湖底沉铁共鸣,受震出水,而琵琶大师曹钢将其解释为“声律相应”,恰恰验证了声音共振这个科学道理。其实,古人获得这些共振知识,是经历了一个长期的实践过程的。

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。在古代典籍中有大量的关于共振现象的记述。比如《庄子》一书最早记下了瑟的各弦间发生的共振现象:

一种情况是,在弹宫、角等基音时,置于一室的诸瑟相应的弦也发生振动;另一种情况是,如果调一弦,使它和宫、商、角、徵、羽“五声”中任何一声都不相当,弹动它时,另一个瑟上25根弦都动了起来。后一种现象一般情况下较难以察觉到,古人能发现这一点,说明他们的观察是很细致的。

古人不但观察到了共振现象,还试图对之加以解释,这方面最具代表性的是西汉时期思想家董仲舒。

他在其《春秋繁露·同类相动篇》中说道:“具有相同性质的物体可以相互感应,之所以会鼓宫宫动,鼓商商应,就是由于它们声调一样,这是必然现象,没有任何神奇之处。”

董仲舒能正确认识到这是一种自然现象,打破了笼罩在其上的神秘气氛,是有贡献的。至宋代,科学家沈括把古人对共振现象的研究进一步向前做了推进。他用实验手段探讨乐器的共鸣。

他剪了一个小纸人,放在基音弦线上,拨动相应的泛音弦线,纸人就跳动,弹别的弦线,纸人则不动。这样,他就用实验方法,把音高相差八度时二弦的谐振现象直观形象地表现了出来。

沈括这个实验,比起欧洲类似的纸游码实验,要早好几个世纪。沈括的实验对后人颇有影响。明代晚期学者方以智就曾在其《物理小识》中明确概括道:声音之和,足感异类。只要声音特性一致,即频率相同或成简单整数比,在不同器物上也能发生共鸣。他指出,乐器上的共鸣具有同样的本质,都是由于“声音相和”引起的。方以智的这些话,标志着人们对共鸣现象本质的认识又深入了一步。事实上,古人对共鸣现象的最初认识及其逐步加深,伴随着对自然界中波的理解。也就是说,在自然界中共振与波密切相关。

上古时代,人们在渔猎生产中常见到这样的现象:湖泊池沼的涟涟水波,水面上的浮萍、木条却并不随波前进,而是在做上下振动;在纺绳织网中,弹动绳子,波浪从一头传至另一头,但绳子上的线头也不随波逐流。对于类似现象,人们经过了长久的思索才有了答案。比如《管子·君臣下》说道:浪头涌起,到了顶头又会落下来,乃是必然的趋势。这是春秋时期人们的回答。

至东汉时期,人们对此有了进一步的认识。东汉时期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。

王充在《论衡·变虚篇》中说道:鱼身长一尺,在水中动,震动旁边的水不会超过数尺,大的不过与人一样,所震荡的远近不过百步,而一里之外仍然安然清澈平静,因为离得太远了。

如果说人操行的善恶能使气变动,那么其远近应该跟鱼震荡水的远近相等,气受人操行善恶感应变化的范围,也应该跟水一样。

王充在这里表达了一个科学思想:波的强度随传播距离的增大而衰减,如鱼激起的水波不过百步,在500米之外便消失殆尽;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,也是他最早指出了声强和传播距离的关系。至明代,借水波比喻空气中声波的思想更加明确、清楚。明代科学家宋应星在《论气·气声篇》中的结论是:敲击物体使空气产生的波动如同石击水面产生的波。声波是纵波,其传播能量的方向和振动方向相平行;水波是横波,其传播能量的方向和振动方向相垂直。尽管古代人由于受到时代的局限性,对纵波和横波分不清,但上述认识已经是古人在声学方面的一个巨大进步。

延伸阅读

唐代洛阳某寺一僧人房中挂着磐这种乐器,经常自鸣作响,僧人惊恐成疾。僧人的朋友曹绍夔是朝中管音乐的官员,闻讯特去看望。这时正好听见寺里敲钟声,磐也随即作响。曹绍夔掏出怀中铁锉,在磐上锉磨几处,磐再也不作响了。这个故事表明我国古人具有丰富的声学知识。

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