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弦與管的振動(dòng)

諸子百家 >國(guó)學(xué)文化

佚名  2025-03-26 11:22:16

弦與管的振動(dòng)

在科學(xué)史上

,正如杠桿原理的誕生要比人類實(shí)際使用杠桿晚得很多一樣,有關(guān)樂(lè)器的聲學(xué)理論也要比人類實(shí)際上演奏各種樂(lè)器要晚很長(zhǎng)的歷史時(shí)期

弦樂(lè)器琴、瑟

、箏、筑
,可能在上古時(shí)代已有了雛型
,后來(lái)他們中的古琴成為中國(guó)傳統(tǒng)樂(lè)器
,一直流傳至今
。胡琴類弦樂(lè)器產(chǎn)生較晚,大約隋唐時(shí)期先在少數(shù)民族中盛行
。管樂(lè)器中篪〔chi遲〕、笛
、簫
、笙的歷史也非常悠久
。其中的笙早在商代已成為演奏樂(lè)器,考古發(fā)掘的最早的骨笛是新石器時(shí)代的器物
。然而,從數(shù)理角度探討它們的發(fā)音機(jī)制、確定它們的音高位置的規(guī)律卻是在西周中晚期才開(kāi)始的

弦線發(fā)音的高低是由其振動(dòng)頻率決定的

,而振動(dòng)頻率又決定于弦長(zhǎng)
、線密度和張力。大約公元前6至5世紀(jì)
,人們已經(jīng)懂得了音調(diào)與弦長(zhǎng)的定量關(guān)系,這就是聞名的“三分損益法”
。這是我國(guó)古代物理學(xué)史中最早用數(shù)學(xué)公式總結(jié)物理規(guī)律的一個(gè)例證
。方法是:從一個(gè)被認(rèn)定為基音的弦(或管)的長(zhǎng)出發(fā)
,把它分為三等分
,再去掉一分(“損一”)或加上一分(“益一”)
,以此來(lái)確定另一音的長(zhǎng)度
。在數(shù)學(xué)上
,就是將發(fā)基音的弦長(zhǎng)乘以2/3(損一),或乘以4/3(益一)。依此類推
,計(jì)算12次
,就可以在弦上得到比基音高一倍或低一倍的音(即高八度或低八度的音),也就完成了一個(gè)八度中的12個(gè)音的計(jì)算
。從這12個(gè)音中選出五個(gè)或七個(gè)
,就構(gòu)成了五聲音階或七聲音階
。這方法的最早記載見(jiàn)于《管子·地員篇》,比希臘畢達(dá)哥拉斯(約公元前570-496年)提出的基本相同的方法要早得多

古代人除了對(duì)音調(diào)與弦長(zhǎng)成反比關(guān)系總結(jié)出“三分損益法”的規(guī)律外

,他們還知道音調(diào)隨線密度變化的關(guān)系
。《韓非子》記述“大弦小聲
、小弦大聲”(《韓非子·外儲(chǔ)說(shuō)》),就是這種關(guān)系的定性描述
。同時(shí)
,還研究張力對(duì)音調(diào)的影響:當(dāng)粗弦調(diào)得太緊因而發(fā)音太高時(shí)
,要在同一樂(lè)器上調(diào)出某一調(diào)式
,那么細(xì)弦就有繃斷的危險(xiǎn)。(《淮南子·泰族訓(xùn)》)

以三分損益法計(jì)算而得的弦音

,自然純正
,悅耳動(dòng)聽(tīng)
。但是
,用它計(jì)算而得的高八度音
,并非是完全的高八度
,而是比八度高。在西方
,以五度相生法(即乘以2/3)所得的結(jié)果也是如此
。為了使數(shù)學(xué)計(jì)算能得到一個(gè)完全八度音
,東西方的音樂(lè)家都曾作過(guò)種種嘗試,花費(fèi)了上千年的時(shí)間
。最后完成這一計(jì)算并創(chuàng)造一種新的數(shù)學(xué)方法的是明代科學(xué)家
、王子朱載堉。他將八度音程(即2)平均地分為十二等分,在數(shù)學(xué)上解決了求等比數(shù)列的難題
。朱載堉稱這種方法為“新法密律”
,現(xiàn)在稱之為“十二平均律”
。這就是現(xiàn)在的鋼琴
、手風(fēng)琴等鍵盤樂(lè)器普遍采用的數(shù)理方法。十二平均律是朱載堉在1567—1581年間創(chuàng)建的
;而今天在音樂(lè)舞臺(tái)上占有樂(lè)器之王的鋼琴是西方文化的產(chǎn)物
。在中國(guó)播下的科學(xué)種子卻在西方開(kāi)花結(jié)果
,這是東西方文化交流中至今仍有重大影響的文明之光。

在管樂(lè)器中

,管內(nèi)空氣柱的振動(dòng)與弦線振動(dòng)有本質(zhì)的不同
。管振動(dòng)是縱波
,或空氣的疏密波
;弦振動(dòng)是橫波
。(圖3-1)古代人常以管作為定音器
,以12支長(zhǎng)度不同的竹管(或銅管)來(lái)標(biāo)定以三分損益法計(jì)算而得的八度內(nèi)12個(gè)音,這12支竹管就稱為律管。在歷史上
,曾經(jīng)有不少人誤以為,管長(zhǎng)與弦長(zhǎng)相等
,它們的發(fā)音音高也一致
。事實(shí)上,由于受慣性影響
,管內(nèi)空氣柱的振動(dòng)要延伸到管外(見(jiàn)圖3-1)
,所以要使管振動(dòng)與弦振動(dòng)的音高一致
,管長(zhǎng)就不能等同于弦長(zhǎng)
,而是要比弦長(zhǎng)稍微短一些
;或者使管內(nèi)徑縮小。這種校正管樂(lè)器發(fā)音的方法在中國(guó)古代都曾被討論過(guò)
。特別是朱載堉成功地創(chuàng)造了縮小管內(nèi)徑的校正方法,他所得到的律管管內(nèi)徑的系統(tǒng)的校正公式及校正數(shù)據(jù)
,直到19世紀(jì)還受到西方音樂(lè)家和聲學(xué)家的極大推崇

圖3-1弦與管的振動(dòng)模式

(1)兩端固定的弦振動(dòng)

;(2)閉口管內(nèi)空氣柱振動(dòng);(3)開(kāi)口管內(nèi)空氣柱振動(dòng)。

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