板和壳的振动

在古代各种乐器中，有些是利用板振动发声的，如古老的磬是石板，锣、钹是金属板。把板弯曲成壳体，利用壳振动发声的，如钟、铃等乐器。在中国传统的音乐文化中，钟磐之音，金石之声，备受青睐，有关的声学知识也就特别丰富。

磬起源于石器时代人们打磨石器的劳动。把石块作成一定的板式，并按照音高把它们成组地编挂在乐架上，就叫编磬。它的出现不晚于殷商时期。在湖北江陵和随具发现的战国时期的编磬分别是二十八具和三十二具，音域都在三个八度内。从这些磬的大小、厚薄和发音高低看，春秋战国时期人们已经认识到，磬板越大、越薄，振动发音越低；磬板越小、越厚，振动发音越高。成书于春秋战国之际的《考工记》科学地记下有关板振动的知识：如果磬板发声太高，就磨锉板的两个正面；如果磬板发声太低，就磨锉板的端面。这个调音技术很符合板振动的发声原理。在磬板的两个正面磨锉，使它相对地变薄，它发声就降低；如果在它的几个端面磨锉，就使它相对地变厚， 于是发声升高。

中国的钟可能起源于原始社会晚期，这些原始钟可能是竹制、木制或陶制的。铜铃或铜钟产生于商初。在春秋战国时期，铜钟的制造技术达到极高水平。把几个、十几个甚至几十个钟按大小和一定音调形式编挂在钟架上，

就叫编钟。近年在湖北随县战国初年的曾侯乙墓中发掘出编钟六十五件，总重量达五千多千克，总音域跨五个八度之多。后来又在曾侯乙墓附近的擂鼓墩二号墓中发掘出编钟三十六件。这两个墓编钟数量之多，艺术之精湛，所含科学文化内容之丰富，成为中华民族史上古老灿烂的“百钟文明”，也成为世界文化史上的一大奇迹。

如果把中国传统的编钟和西方以及印度传统的教堂寺庙钟（就是圆形钟）作一比较，人们不难发现它们结构形状各具特点：

编钟外形是扁圆形状，它的横截面是椭圆；圆形钟的内外表面形状都是圆形，它的横截面也是圆。

编钟外表有许多突起的乳头和花饰；圆形钟一般地外表光滑。编钟的钟肩是椭圆平面；圆形钟的钟肩是半圆球形。

编钟的内表面经调音磨锉，现出一道道竖直的条形声弓；圆形钟的内表面呈现整齐划一的声弓结构。

编钟悬挂牢固，从不摇晃；圆形钟悬挂不牢，容易晃动，不少钟还带有钟舌。

由于以上特点，编钟和圆形钟的发声有巨大差别。圆形钟在被击之后， 声音悠扬长久，各种谐波分音很难衰减，特别是它的嗡音不易消失。在连续敲打之后，发声相互干扰。因此，它们不能作为乐器使用。而编钟发声短， 容易衰减。据实验测定，在敲击之后半秒，全部高谐音消失，基音也开始衰减，一秒之后基音也消失大半。因此它们完全可以作为乐器使用，并适宜于慢速、中速以及比较和缓的快速旋律的演奏。在历代各种文献中，对于编钟的结构形状以及它们对发声的影响有许多记述，尤其是沈括在《梦溪笔谈·补笔谈》中曾对编钟和圆钟的发音特点作了极好的科学总结。

在大量已发掘的编钟中，人们发现其中不少编钟有“一钟双音”现象， 就是在一个钟体上敲击它正中位置发出一个乐音，叫中鼓音，敲击它旁侧又发出一个乐音，叫侧鼓音。中鼓音和侧鼓音往往构成三度谐和关系。经过科学 家 的 研 究 分 析 ， 才 揭 开 这 个 古 老 177 的双音之谜。原来，这些钟都经过乐师和乐工的磨锉调音，编钟的条形声弓就是调音时磨锉的结果。从声学上看，这两个音的振动模式井然有序，互不相干：中鼓音的振动波腹区是侧鼓音的振动波节区，中鼓音的振动波节区是侧鼓音的振动波腹区。这样，在编钟的两个敲击区分别敲击时，它们的振动波节和波腹恰巧互相错开了。因此，一个钟体能发出两个“基音”。这是古代中国人对壳体振动的最伟大的创造性应用，以致我们今天还花费了众多的科学劳动，应用了几乎最先进的仪器设备，才揭开古代人创制双音钟的声学之谜。