古代声学

声学是研究一切声音现象、利用声音或消除声音的科学。自然界中时刻都发生各种各样的声音，可谓无所不有，五花八门。

声学是我国历史上最悠久的学科之一。宋代沈括在《梦溪笔谈》中叙述共振现象和音调的无穷变化时说“此声学要妙处也”。可见“声学”在我国历史上是最早定名的科学名词之一。

在我国古代，声学效应早就在实际中加以应用了。从振动与波的概念的形成，到实践中的“地听”、乐器制造、声学建筑等，都有许多突出的成就。

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，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，来到李德裕的平泉别墅湖边，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》，改奏其他作品，而湖中声音消失了，也没什么动静了。

太尉安慰众位宾客，让接着弹。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，便交换一下脸色，没有停止演奏。

这时，奇怪的事发生了：湖水中传来的奇特的音响越来越大，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，受振出水，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。当一个物体发声振动时另一个物体也随着振动，这种现象叫作共振。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》写道：

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。两汉时期，人们对共鸣现象有了进一步的认识，其中值得一提的是西晋时期文学家张华，他把共鸣现象范围推广至乐器之外。据传当时殿前有一大钟，有一天钟忽然无故作响，人们十分惊异，去问张华。张华回答说这是蜀郡有铜山崩塌，所以钟会响。不久，蜀郡上报，果然如此。

张华把铜山崩与钟响应联系起来，这未必意味着他从共振的角度出发考虑这件事。不过用董仲舒的观点也能解释：钟是铜铸的，铜山崩，钟即应，是由于“同类相动”的缘故。

南北朝时期的志怪小说集《异苑》中提及张华的另一件事，却明明白白是从共鸣角度作解的。洛阳附近的某人有一个铜洗盆，晨夕自鸣，就问张华。张华说此盆与钟相应，洛阳朝暮撞钟，故铜盆作声响应。

张华建议他以铁锉打磨铜盆至稍轻，其鸣自止。此人如法磨盆，果不复鸣。这里，张华不仅认定这是共鸣现象，找到了共鸣源，而且提出了消除共鸣的方法，制止了共鸣的发生。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。

上古时候，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》写道：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》写道：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。

对共鸣与隔音的利用

共鸣器是将声音放大，以便听到远处的声音。值得注意的是，那种以竹筒听地声的方法正是后来医用听诊器的始祖。在战争环境下，古代人发明了各种各样的共鸣器，用来侦探敌情。

早在战国初期，勇敢善战的墨家就发明了侦探敌情的方法。《墨子·备穴》就记载了其中的几种。

古代的中国人还发明了隔声的方法，是把声音约束在一定范围内，不让它传播出去。

三国时期，诸葛亮率蜀军南下，来到云南陆良，与南军在战马坡相会。南蛮王孟获特意请深通法术的八纳洞洞主木鹿大王前来助阵。

木鹿大王来到战马坡，命手下官兵挖了两条长不到40米，宽不足1米的山路，叫做“惊马槽”，并将蜀军引到附近。

双方开战后，军南阵营突然响起“呜呜”的号角声，随即虎豹豺狼、飞禽走兽乘风而出。蜀军深入云南，从未见过这阵势，一时无力抵挡，迅速退入山谷。就在这时，意外发生了。

一阵狂风过后，只听周围的岩石、树木一齐作响，发出凄厉的尖啸，似厉鬼呼号，摄人魂魄。蜀军马惊人坠，损失惨重。后来，诸葛亮施展才智，巧用计谋，才降伏了孟获。

此战过后，惊马槽一带从此阴云不散。1000多年来，生活在这里的村民，在一处幽深的山谷中，经常会听到兵器相碰、战马嘶鸣的声音，他们把这种奇怪的现象叫作“阴兵过路”。直至惊马槽的旁边修了一条公路，怪声便很难听到了。

其实，惊马槽的形状很像啤酒瓶的瓶身，如果吹一下啤酒瓶口，可以听到刺耳的响声。吹进惊马槽的风，在与岩壁不断撞击之后，形成了共鸣与声音反射的声学现象，于是村民们传说的怪声出现了。

很显然，这是一个物理现象，在声学上叫“共鸣”。

共鸣是一种物理现象。我国古代对共鸣现象的认识和利用是颇有成就的。比如制造共鸣器，让声音通过它来放大，便能听到远处的声音。这项技术曾经被用于军事上。

早在战国初期，墨家创始人墨翟就发明了几种用共鸣器侦探敌情的方法，并在《墨子》一书中记载下来。

一种方法是：在城墙根下每隔一定距离挖一深坑，坑里埋置一只容量七八十升的陶瓮，瓮口蒙上皮革，让听觉聪敏的人伏在瓮口听动静。遇有敌人挖地道攻城的响声，不仅可以发觉敌情，而且根据各瓮声音的响度差别，可以识别来敌的方向和位置。

另一种方法是：在同一个深坑里埋设两只蒙上皮革的瓮，两瓮分开一定距离。根据这两只瓮的响度差别，来判别敌人所在的方向。还有一种方法：一只瓮和前两种方法所说的相同，也埋在坑道里，另一只瓮则很大，要大到足以容纳一个人，把大瓮倒置在坑道地面，并让监听的人时刻把自己覆在瓮里听响动。利用同一个人分别谛听这两种瓮的声响情形，来确定来敌的方向和位置。

埋瓮测听就是利用了共鸣的原理。《墨子》一书记载的方法被历代军事家因袭使用。唐代军事理论家李筌、宋代军事家曾公亮、明代儒将茅元仪等，都曾在他们的军事或武器著作中记述了类似的方法。

除了埋瓮外，古代军队中还有一种用皮革制成的枕头，叫作“空胡鹿”，让聪耳战士在行军之夜使用，只要敌军人马活动在15千米外，东西南北皆可侦听到。

从宋代起，人们还发现，去节长竹，直埋于地，耳听竹筒口，则有“嗡嗡”若鼓的声音。当声音在像地面、铁轨、木材等固体中传播时，遇到空穴，在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。值得我们注意的是，有一种利用竹筒听地声的方法正是近代医用听诊器的雏形。

至明代，抗倭名将戚继光曾用大瓮覆人来听敌开凿地道的声音。戚继光也曾用埋竹法谨防倭寇偷袭。甚至在现代的一些战争中，不少国家和民族还继续采用这些古老而科学的共鸣器。

我国古代对隔声也有认识和利用。

隔声是指声波在空气中传播时，用各种易吸收能量的物质消耗声波的能量，使声能在传播途径中受到阻挡而不能直接通过的措施，这种措施称为“隔声”。

我国古代有的建筑为了隔音，用陶瓮口朝里砌成墙，每个瓮都起隔音作用。这种隔音技术正是利用了共鸣消耗声能的特性。如明代的方以智曾说：私铸钱者，藏匿于地下室之中，以空瓮垒墙，使瓮口向着室内，声音被瓮吸收。这样，过路人就听不见他们的锯锉之声了。

清代初期，人们用同样的方法，把那种在地下的隔声室搬到地面上，以致“贴邻不闻”他室声。可见，我国人最早创建了隔声室。

奇妙的古代声学建筑

古代人常常应用声音的一些特性建造一些特殊的建筑物。比如北京天坛中的回音壁、三音石、山西普救寺内的莺莺塔等，以此增加它们肃穆威严气氛。

这些建筑物巧妙利用了声学的一些原理，既有很强的使用价值，也收到了奇妙的艺术效果。表现了我国古代劳动人民的聪明才智。

利用声学效应的建筑在我国已发现不少。北京天坛和山西省永济的莺莺塔是迄今保存完好的具有声音效果的建筑。此外，还有四川省潼南县的石琴、河南省郊县的蛤蟆音塔和山西省河津县的镇风塔等。

北京天坛是著名的明代建筑。其中皇穹宇建于1530年，原名“泰神殿”，1535年改为今名。天坛的部分建筑具有较高的声学效果，使这一不寻常的“祭天”场所，更增添了神秘的色彩。

天坛建筑物中最具声学效应的是：回音壁、三音石和圜丘。

回音壁是环护皇穹宇的一道圆形围墙，高约6米，圆半径约32.5米。内有3座建筑，其中之一是圆形的皇穹宇，位于北面正中，它与围墙最接近的地方只有2.5米。回音壁只一个门，正对皇穹宇。

整个墙壁都砌得十分整齐、光滑，是一个良好的声音反射体。

如有甲、乙两人相距较远，甲贴近围墙，面向墙壁小声讲话，乙靠近墙壁可以听得很清楚，声音就像从乙的附近传来的。只要甲发出的声音与甲点的切线所成的角度大于22度时，声音就要碰到皇穹宇反射到别处去，乙就听不清或听不到。

在皇穹宇台阶下向南铺有一条白石路直通围墙门口。从台阶下向南数第三块白石正当围墙中心，传说在这块白石上拍一下掌，可以听到3响，所以这块位于中心的白石就叫“三音石”。

事实上，情况不完全是这样。在三音石上拍一下掌，可以听到不止3响，而是5响、6响，而且三音石附近也有同样的效应，只是声音模糊一些。

这是因为从三音石发出的声音等距离地传播到围墙，被围墙同时反射回中心，所以听到了回声。回声又传播出去再反射回来，于是听到第二次回声。

如此反复下去，可以听到不止3次回声，直至声能在传播和反射过程中逐渐被墙壁和空气吸收，声强减弱而听不见。

如果拍掌的人在三音石附近，从那里发出的声音，传播到围墙，不能都反射到拍掌人的耳朵附近来，因此听到的回音就比较模糊。

圜丘是明清两代皇帝祭天的地方。它是一座用青石建筑的3层圆形高台。高台每层周围都有石栏杆。在栏杆正对东、西、南、北方位处铺设有石阶梯。最高层离地面约5米，半径约11.4米。

高台面铺的是非常光滑、反射性能良好的青石，而且圆心处略高于四周，成一微有倾斜的台面。人若站在高台中心说话，自己听到的声音就比平时听到的要响亮得多，并且感到声音好像是从地下传来的。

这是因为人发出的声音碰到栏杆的下半部时，立即反射至倾斜的青石台面，再反射到人耳附近的缘故。莺莺塔就是山西永济的普救寺舍利塔。因古典文学名著《西厢记》中张生和莺莺的故事发生在普救寺，所以人称莺莺塔。塔初建于唐代武则天时期，是7层的中空方形砖塔。后毁于明代的1555年大地震。震后8年按原貌修复，并把塔高增到13层50米。莺莺塔最明显的声学效应是，在距塔身10米内击石拍掌，30米外会听到蛙鸣声；在距塔身15米左右击石拍掌，却听到蛙声从塔底传出；距塔2500米村庄的锣鼓声、歌声，在塔下都能听见；远处村民的说话声，也会被塔聚焦放大。

诸如此类奇特的声学效应，原来是由于塔身的形体造成的：塔体中空，具有谐振腔作用，可以把外来声音放大。塔身外部每一层都有宽大的倒层式塔檐，可以把声音反射回地面，相距稍有差别的13层塔檐的反射声音会聚于30米外的人的耳朵而形成蛙鸣的感觉。

石琴位于重庆市潼南县大佛寺大佛阁右侧的一条上山石道中，由36级石梯组成，像一个巨大的石壁。从下半部的主洞口自下而上的第四级石阶，直至第十九级石阶，每一个阶梯像一根琴弦，若拾级而上，就会发出悠扬婉转，音色颇似古琴的声音。

石蹬发音的声学原理是，脚踏石阶产生强迫振动，在空气中形成声波。其中以两侧岩壁最高处的7级石阶发声最响，脚下响声似琴音，令人神往。古人称为“七步弹琴”，并题“石蹬琴声”4个大字。

蛤蟆音塔在河南省郊县。音塔其貌不扬，却以奇声夺人。在塔的任何一面，距塔10米以外，无论拍掌、击石都可以听到蛙鸣的回声。如春天池塘里有千万只蛤蟆在鼓膜低唱，令人遐想。

分析结论是，蛤蟆塔本身排列有序，而且其塔檐对声音有会聚反射作用，从而产生回音。

镇风塔位于山西省河津县的康家庄，是一座比世界名塔永济莺莺塔回音效果还要好的回音塔。

镇风塔呈平面方形，为密檐式实心塔，共13层，围长18．4米，高约30米，每层檐拱角各悬吊一只小铁钟，风来丁零作响。

塔刹呈葫芦形，顶端有一立式凤凰。站在塔下拍手、跺脚、敲砖、击石，塔的中上部便传出小青蛙、大蛤蟆的不同叫声，还有清脆悦耳的鸟鸣声。如果10多个人一齐拍手，其声犹如群蛙在夏夜池塘边竞相放歌，悦耳动听，妙不可言！

我国古代建筑是利用声学效应的科学宝库，很多声学建筑成就体现了声学与音乐、声学与哲学和声学与建筑、军事等的结合。这也是我国古代物理学发展的根本特点之一。