板與殼的振動

在古代各種樂器中，有些是利用板振動發(fā)聲的，如古老的磬是石板，鑼、鈸是金屬板。將板彎曲成殼體，利用殼振動發(fā)聲的，如鐘、鈴等樂器。在中國傳統(tǒng)的音樂文化中，鐘磬之音、金石之聲，備受青睞，有關(guān)的聲學(xué)知識也就特別豐富。

磬起源于石器時代人們打磨石器的勞動。將石塊作成一定的板式，并按照音高將它們成組地編掛在樂架上，就稱為編磬。它的出現(xiàn)不晚于殷商時期。在湖北江陵和隨縣發(fā)現(xiàn)的戰(zhàn)國時期的編磬分別為28具和32具，其音域都在三個八度內(nèi)。從這些磬的大小、厚薄及發(fā)音高低看，春秋戰(zhàn)國時期人們已認(rèn)識到，磬板越大、越薄，其振動發(fā)聲越低；磬板越小、越厚，其振動發(fā)聲越高。成書于春秋戰(zhàn)國之際的《考工記》科學(xué)地記下有關(guān)板振動的知識：如果磬板發(fā)聲太高，就磨銼板的兩個正面；如果磬板發(fā)聲太低，就磨銼板的端面。這個調(diào)音技術(shù)很符合板振動的發(fā)聲原理。在磬板的兩個正面磨銼，使它相對地變薄，其發(fā)聲就降低；如果在它的幾個端面磨銼，就使它相對地變厚，于是發(fā)聲升高。

中國的鐘可能起源于原始社會晚期，這些原始鐘可能是竹制、木制或陶制的。銅鈴或銅鐘產(chǎn)生于商初。在春秋戰(zhàn)國時期，銅鐘的制造技術(shù)達到極高水平。將幾個、十幾個、甚至幾十個鐘按其大小和一定音調(diào)形式編掛在鐘架上，就稱為編鐘。1978年湖北隨縣曾侯乙墓中發(fā)掘保存完好的編鐘64件，總重量達2500多公斤，總音域跨五個八度之多。后來又在曾侯乙墓附近的擂鼓墩二號墓中發(fā)掘出編鐘36件。這兩個墓編鐘數(shù)量之多，藝術(shù)之精湛，所含科學(xué)文化內(nèi)容之豐富，成為中華民族史上古老燦爛的“百鐘文明”，也成為世界文化史上的一大奇跡。

如果將中國傳統(tǒng)的編鐘和西方以及印度傳統(tǒng)的教堂寺廟鐘(即圓形鐘)作一比較，(圖3-2)人們不難發(fā)現(xiàn)它們結(jié)構(gòu)形狀各具特點：

編鐘外形為橢球殼狀，其橫截面為橢圓；圓形鐘的外形為圓球殼狀，其橫截面為圓。

編鐘外表有許多突起的乳頭和花飾；圓形鐘一般地外表光滑。

圖3-2編鐘及其各部分名稱示意圖(左)；西方圓形鐘(右)。

編鐘的鐘肩是橢圓平面；圓形鐘的鐘肩是半圓球形。

編鐘的內(nèi)表面經(jīng)調(diào)音磨銼，現(xiàn)出一道道豎直的條形聲弓；圓形鐘的內(nèi)表面呈現(xiàn)整齊劃一的聲弓結(jié)構(gòu)。

編鐘懸掛牢固，從不搖晃；圓形鐘懸掛不牢，容易晃動，不少鐘還帶有鐘舌。

由于以上特點，編鐘和圓形鐘的發(fā)聲有巨大差別。圓形鐘在被擊之后，聲音悠揚長久，各種諧波分音很難衰減，特別是其嗡音不易消失，被連續(xù)敲擊之后，發(fā)音相互干擾，因此，不能作為樂器使用。而編鐘發(fā)聲短，容易衰減，據(jù)實驗測定，在敲擊之后0.5秒，全部高諧音消失，基音也開始衰減，一秒之后基音也消失大半，因此完全可以作為樂器使用，并適宜于慢速、中速以及較和緩的快速旋律的演奏。在歷代各種文獻中，對于編鐘的結(jié)構(gòu)形狀以及它們對發(fā)聲的影響有許多記述，尤其是沈括曾對編鐘與圓鐘的發(fā)音特點作了極好的科學(xué)總結(jié)。

在大量已發(fā)掘的編鐘中，人們發(fā)現(xiàn)其中不少編鐘有“一鐘雙音”現(xiàn)象，即在一個鐘體上敲擊其正中位置發(fā)出一個樂音，稱為中鼓音；敲擊其旁側(cè)又發(fā)出一個樂音，稱為側(cè)鼓音。中鼓音與側(cè)鼓音往往構(gòu)成三度諧和關(guān)系。經(jīng)過科學(xué)家們的研究分析，才揭開這個古老的雙音之謎。原來，這些鐘都經(jīng)過樂師與樂工的磨銼調(diào)音，編鐘的條形聲弓就是調(diào)音時磨銼的結(jié)果。從聲學(xué)上看，這二個音的振動模式井然有序，互不干擾：中鼓音的振動波腹區(qū)是側(cè)鼓音的振動波節(jié)區(qū)，中鼓音的振動波節(jié)區(qū)是側(cè)鼓音的振動波腹區(qū)。反之亦然。這樣，在編鐘的兩個敲擊區(qū)分別敲擊時，它們的振動波節(jié)與波腹恰巧互相錯開了。因此，一個鐘體能發(fā)出二個“基音”。這是古代中國人對殼體振動的最偉大的創(chuàng)造性應(yīng)用，以致我們今天還花費了眾多的科學(xué)勞動，應(yīng)用了幾乎最先進的儀器設(shè)備才揭開古代人創(chuàng)制雙音鐘的聲學(xué)之謎。

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