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  板与壳的振动【点击数:


  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。将板弯成壳体,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,钟磬之音、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。将石块作成一定的板式,并按照音高将它们成组地编挂在乐架上,就称为编磬。它的出现不晚于殷商时期。在湖北江陵和随县发现的战国时期的编磬分别为28具和32具,其音域都在三个八度内。从这些磬的大小、厚薄及发音高低看,春秋战国时期人们已认识到,磬板越大、越薄,其振动发声越低;磬板越小、越厚,其振动发声越高。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,其发声就降低;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。将几个、十几个、甚至几十个钟按其大小和一定音调形式编挂在钟架上,就称为编钟。1978年湖北随县曾侯乙墓中发掘保存完好的编钟64件,总重量达2500多公斤,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36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。

  如果将中国传统的编钟和西方以及印度传统的教堂寺庙钟(即圆形钟)作一比较,(图3-2)人们不难发现它们结构形状各具特点:

  编钟外形为椭球壳状,其横截面为椭圆;圆形钟的外形为圆球壳状,其横截面为圆。

  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。


  图3-2 编钟及其各部分名称示意图(左);西方圆形钟(右)。

  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,特别是其嗡音不易消失,被连续敲击之后,发音相互干扰,因此,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0.5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,因此完全可以作为乐器使用,并适宜于慢速、中速以及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,尤其是沈括曾对编钟与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,即在一个钟体上敲击其正中位置发出一个乐音,称为中鼓音;敲击其旁侧又发出一个乐音,称为侧鼓音。中鼓音与侧鼓音往往构成三度谐和关系。经过科学家们的研究分析,才揭开这个古老的双音之谜。原来,这些钟都经过乐师与乐工的磨锉调音,编钟的条形声弓就是调音时磨锉的结果。从声学上看,这二个音的振动模式井然有序,互不干扰: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。反之亦然。这样,在编钟的两个敲击区分别敲击时,它们的振动波节与波腹恰巧互相错开了。因此,一个钟体能发出二个“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。


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