大地传声

在中国物理史上，固体传声，尤其是大地传声的利用，值得提上一笔。古人对大地传声现象的利用，主要集中在军事方面。成书于战国时期的

《墨子》记载的埋坛入地以判断地下声源的方法，就是一个比较典型的例子。该书《备穴篇》在谈到敌军挖坑道攻城时的防守办法时说：

“穿井城内，五步一井，附城足。高地丈五尺，下地得泉三尺而止。令陶者为罂，容四十斗以上，固顺之以薄■革，置井中。使聪耳者伏罂而听之， 审知穴之所在，凿穴迎之。”引文中“固顺”二字含义不清，有学者认

为“顺”字当作“■”，“固■之以薄■革”，是说在坛口紧绷一层薄生革。

整个这段话大意是说：当敌军挖坑道攻城时，守军在城中挖井，沿城墙每五步挖一口井，紧挨着墙根挖。遇到高地挖一丈五尺深，低地则挖到水位下三尺。让陶工烧制大坛子，每个容积在四十斗以上，坛口紧绷一层薄生革，放置井中。使听觉灵敏者伏在坛口谛听，就可以判断出敌方挖坑道的方位，从而使守军也挖坑道迎击。

《墨子》的这段话是在军事上利用大地传声现象的一个典范。当敌方挖坑道时，挖坑声沿着大地传播的能量远大于在空气中传播的能量，坛子就像一个拾音器，沿大地传播的声能传到坛子所在处，在坛中产生“交混回响”， 形成较强的余音效果，容易被人听到。紧挨着墙根挖，是为了最大限度地接近声源。高地深挖，一方面可以增强监听效果，另一方面则可以使所埋坛子相互处于基本相同的水平深度，在判定敌方挖坑方位时不致产生太大误差。低地要将坛子埋在水面以下，是因为土壤孔隙被水充满后，传声性能更佳的缘故。至于要“审知穴之所在，凿穴迎之”，则需要根据三四个相邻井内各个坛子的响度差来加以判断，单从一个坛子谛听不足以判断对方挖坑的方位。

《备穴篇》还介绍了另一种听声定位的方法，那也是利用大地传声特点， 在地下埋坛谛听。具体办法是：

“埋两罂，深平城，置板亓上，■板以井听。五步一密。”

“■”，有学者认为是“联”字之误。这段文字，用今天的话来解释， 就是在一口井里埋两个坛子，坛口跟城基相平，其上放板（亓，音 qí，“其” 的古体），使人侧耳伏板谛听。井的密度也是大约每五步一口。这种方法坛子埋设稍浅，易受干扰，传声效果不及前者。但因为是一口井里埋两个坛子， 两个坛子之间稍有距离，根据它们的响度差可以大致判定声源的方向，再与相邻两个井里的坛声相比较，就可以比较准确地确定声源所处方位。所以这种方法在定向准确性方面要优于前者，而且操作简便。

类似于墨家所设计的这种地下声源定向装置，在古代战争中常被采用， 例如宋代曾公亮撰述的兵家法典《武经总要》，就图文并茂地介绍了“瓮听” 与“地听”两种设施。该书卷十二《守城篇》说：“瓮听：用七石瓮，覆于地道中，择耳聪人坐听于瓮下，以防城中凿地道迎我。”“地听：于地中八方，穴地如井，各深二丈，勿及泉，令听事聪审者，以新瓮自覆于井处，则凿地迎之，用熏灼法。”这些方法，史载者甚多，杜佑《通典》、茅元仪《武备志》等均有述及，是古代战争的传统方法。

古人不但利用大地传声特点判断地下声源方位，而用还利用这一特点侦察地面军事情况，《武经总要》卷六《警备篇》记载了相应的侦察方法：

“选聪耳少睡者，令卧枕空胡鹿，其胡鹿必以野猪皮为之，凡人马行在三十里外，东西南北皆响闻。其中每营置一二所，营中阔者置三四所，若孤镇铺栅各置一所，听子必频改易四，勿常定处所，仍以子将一人斡当，每日一替。”

所谓空胡鹿，实际是用野猪皮绷起来的硬空筒，它相当于一个“拾音器”，

当周围二三十里内有军马活动时，声响沿地面传来，在空筒内产生回响，被枕者感知，发出警报，就可以起到警备作用。因为声波沿大地传播时，其能量传输比在空气中要大得多，因此用这种方法监听的范围比直接在空气中监听也要大得多。

对于这种监听方法的原理，北宋沈括曾有过解释，他在其《梦溪笔谈》卷十九中说：

“古法以牛革为矢服，卧则以为枕。取其中虚，附地枕之，数里内有人马声，则皆闻之。盖虚能纳声也。”

矢服，指盛箭的箭筒。头枕箭筒睡觉，远处人马行动，可以听到，从而预做

准备。沈括认为这是由于箭筒中间是空的，“虚能纳声”。这种说法，在某种程度上是对的。箭筒的功用，相当于一个拾音器，“中虚”是它能够拾音的主要原因。所谓“纳声”，包括两种情况，一是人马行动声音中总有与筒内空气柱相当的声波波长，从而与筒内空气柱发生共振。另外，对于大量不能发生共振的声音，光滑的箭筒内壁具有良好的声反射性能，这就使得在筒内形成较强的余音效果，便于为人耳所感知。但是这一切，都是以有声音传来为前提条件，所以沈括说的“虚能纳声”，尚未触及要害，这个问题的关键在于大地传声。

“虚能纳声”现象不但被古人用以接受大地传播的声音，而且还被用于消声或隔音。我国曾经出土过战国时期的空心砖，用这种砖砌成的建筑物就可以隔音。至于战国时人们是否已经有意识地这么做，现在还不能肯定，但是明末方以智《物理小识》卷一则明明白白地记载了这项技术。

“私铸者匿于湖中，人犹闻其锯锉之声，乃以瓮为甃，累而墙之，其口向内，则外过者不闻其声。何也？声为瓮所收也。”

这是说，私自铸钱的人，怕被人发觉，藏匿于地洞（湖）之中，锯锉之

声仍然会传出来，于是以瓮为墙，瓮口向室内，从室外路过者就听不到室内的动静了。《物理小识》的记载是切实可行的。由于叠砌的瓮墙具有多孔结构，其孔腔可以吸收声能，因此这种结构可以达到消声目的。方以智的学生揭暄在为此条作的注中，专门将此与枕地听声相提并论，表明他们也许窥到了这二者之间的某种联系。