中国古代共振效应应用续说

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1、中国古代共振效应应用续说粟新华(邵阳学院物理系,湖南邵阳422000)摘要：介绍了中国古代巧妙应用共振效应取水、扩音、准律、娱乐、预测、防振等.从而充实了“中国古代共振研究与应用”一文的部分内容.关键词：泉；石；钟；地震；激振波；固有频率；共振；中图分类号：Ｎ０９：Ｏ42文献标识码：A“中同古代共振研究与应用”[1]一文中已介绍了共振效应的军事应用，作为补充，本文论述共振效应在其他方面的应用.1用以取水唐段成式在《酉阳杂俎》中指出：“谯郡有功曹涧.天统初，济南来府君出谯郡.时功曹清河崔公恕，弱冠有令德，于时春夏积旱，送别千余

2、人，至此涧上，众渴甚思水，升直万钱矣，来公有思水色.恕独见一青鸟于涧中乍飞乍止，怪而就焉.鸟起，见一石，方五六寸，以鞭拨之，清泉涌出.”[2]这话听起来好象十分谎谬，但仔细想想不无道理.一个小石子，内部又是空的，用鞭有节奏地拨弄它时，极有可能发生共振，把泉水激出石外.从振动与波的角度看，以鞭拨弄石子，使石子振动，激振波在均匀媒质中传播，并在边界处反射，反射波与激振波相互叠加，最后形成适应特定边界条件的稳定驻波.此时媒质中各质元以同一频率、不同的恒定振幅振动.在振动波腹处，水的激励最为强烈，溅出石外.除击鞭引水外，还有以声引水

3、的.《小知录》就举出不少例子：“‘乐音泉’，强村乐音泉，唱浪淘沙曲，即得一杯.……‘咄泉’，寿州咄泉，大叫则大涌，小叫则小涌.‘抚掌泉’，昭明读书抚掌泉，闻拍掌声则溢.‘喜客来’，大茅峰喜客来泉，客至则出.‘笑泉’，无为州笑泉，闻笑声则沸.‘卫泉’，西宁卫泉，闻足音则溢.”[3]此外，清陆蕃在《粤西偶记》还记载泗洲城有“骂泉”，游客们想饮此泉之水，只要给牧童几文钱，牧童们则对着泉眼破口大骂，片刻间就有泉水涌出.上述各泉，泉身是共振腔，泉壁为振源，唱歌、拍掌、踏足、叫喊声使泉壁振动，从而激励泉水作受迫振动.在泉壁振动的入射波与

4、泉水振动的反射波叠加后的波峰处，泉水跳溅而出.2用于扩音我国古代也懂得空腔扩音技术.他们在乐器上装上共鸣箱，将声音放大.如战国时流行的秦筝，音箱是木制长方形的.面上张弦，用手指拨动丝弦，“木声丝声均其所自出”，此处柳宗元所谓“木声”，指的就是乐器木质部分的共鸣声.共鸣箱不仅具有放大作用，而且能改善音色.如琴弦振动，琴匣除了随弦的频率振动外，还要发出泛音，并且改变原来弦的基音和各个泛音之间的强度比.例如音箱的固有频率在低音范围，演奏某些音调时，由于共鸣的作用，泛音可以很强，使音色优美动听.《长物志》载：“古人有于平屋中埋一缸，

5、缸悬铜钟，以发琴声者.然不知层楼之下,盖上有板则声不散，下空旷则声透彻.或于乔木修竹、岩洞石室之下，地清境绝，更为雅称耳.”[4]可见共鸣效应也应用于琴室.以缸助琴的秘密，很快就为唱戏的人所注意.我国古代剧场在舞台下常常埋上几口缸.北京故宫畅音阁下，就挖有五口井，舞台上发出的“畅音”4宏亮而圆润，有余音绕梁的效果.这是因为这种建筑系统可以造成反射、共鸣等声学效应.中国古代具有这种声学效应的建筑还有许多，如初建于明代永乐十八年(1420年)的北京天坛公园，就保存着我国古代建筑声学里光彩夺目的丰碑—－回音壁.三音石、圜丘天心石和

6、新发现的对话石.与上述相反，明代方以智记载，有些私铸金钱的人，为了避免被人发现，“匿于湖（地洞）中，人犹闻其锯锉之声，乃以翁为秋秋瓦，累而墙之，其口向内，则外过者不闻其声.何也？声为瓮所收也.”清代郑光祖也有类似记载：“人家墙壁以空翁横砌而成，使口尽向内，则室中所作之声尽收入瓮，而贴邻不闻.”这种诮音技术，正是空腔扩音技术的逆运用.3用以准律我国古代的度量衡是用一根管子做标准的，叫“黄钟律管,”它有一定的管长、管经，也有一定容积.把黄钟律管翻造以后分发全国各地当作度量衡标准.如果谁弄虚作假.只要把国家保存的黄钟律管跟他的律管

7、一此，真象就能戳穿.因为一定长度的空气柱能和一定频率的声源发生共鸣.假如黄钟律管内空气柱长度与国家的标准黄钟不一，该黄钟就无法发生共鸣.检定黄钟律管的长度，通常是在缇室里进行的:“候气之法，为室三重，户闭，涂衅必周，密布缇缦.室中以木为案，每律各一，内庳外高，从其方位，加律其上，以葭莩灰抑其内端，案历而候之，气至者灰动.”[5]缇是一种素色无纹的丝织品，用它来布置一间帐房，帐房外面有三层套间，还有三重曲折的门径，使室内听不到外来的声响，吹不进外来的风.做实验的人在缇室中央，四周摆一圈木桌.桌上微微倾斜地放着那些一端开口一端封

8、闭的圆形待测管.每根待测的管子里都放一点轻灰，轻灰是用芦苇杆里的薄膜烧成的，稍有振动就会移动位置.做实验的人在缇室中心位置吹笛，发出标准的黄钟音.凡是共鸣的管子，都会把管内的轻灰振成一小堆一小堆的，不会共鸣的管子里，轻灰依然不动.这样真假就分清了.缇室不仅可为各种乐器定音，在制造乐器和调整