固体传声和气腔共振在战争中的应用
宋代曾公亮在兵书《武经总要》中总结了利用固体传声及共振效应在战② 《太平寰宇记》卷130“淮南道八·海陵监·刺土成盐法”。
③ 姚宽辑:《西溪丛语》卷上。
① 周密:《武林旧事》卷2“灯品”。
② 刘侗:《帝京景物略》卷2“城东内外·灯市”。
③ 参见刘仙洲:《中国机械工程发明史》,科学出版社1962 年版,第72 页。争中进行侦探的方法——“瓮听”和“地听”:“瓮听,用七石瓮,覆于地道内,择耳聪人坐听于瓮下,以防城中凿地道迎我。”“地听,于城内八方,穴地如井,各深二丈,勿及泉,令听事聪审者,以新瓮自覆于井中,坐而听之,凡贼至,去城数百步内,有穴城凿地道者,皆声闻,瓮中可以辨方向远近。”①这两种方法与《墨子·备穴》及《太白阴经》、《通典》中所述类同,是我国古代战争中一直使用的方法。此外,《武经总要》还记述了另一种方法:“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。”②这种方法实质上是以野猪皮做成的称为“空胡鹿”的卧枕代替瓮,因此更加方便实用。沈括在《梦溪笔谈》中亦记述了以牛皮箭袋当卧枕,能听见数里内的人马声:“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。”③振动的音乐效果我国古代很早就将乐钟铸成合瓦之形,在先秦的著作中已述及编钟及其发声特性。沈括在《梦溪笔谈·补笔谈》中指出:“古乐钟皆扁,如盒(合)瓦,盖钟圆则声长,扁则声短。声短则节,声长则曲,节短处声皆相乱,不成音律。后人不知此意,悉为圆钟,急叩之多晃晃尔,清浊不复可辨。”沈括的这段文字解释了我国古代乐钟所以是扁形的道理,是合乎科学原理的。因为钟的振动是一种复杂的板振动,圆钟的振动衰减很慢,在演奏中快速敲击时,声波易发生相互干扰而不成音律;而扁钟的振动衰减较快,演奏时可避免声波相互干扰的问题。
古代对于声音的效果亦很重视。比如为了得到较洪亮的声音,在戏剧舞台下埋设大缸,以期产生共鸣。南宋赵希鹄认为:“前辈或埋瓮于地上鸣琴,此说恐妄传。盖弹琴之室宜实不宜虚,最宜重楼之下。盖上有楼板,则声不散;其下空旷清幽,则声透彻。若高堂大厦,则声散;小阁密室,则声不达;园囿亭榭,尤非所宜。若幽人逸士,于高林大木或岩洞石室之下,地幽境寂,更有泉石之胜,则琴声愈清,与广寒月殿何异也。”①他分析指出了在不同的环境之中,琴声传播的效果是不同的。
关于振动和共振及其实验“喷水鱼洗”是大约起源于唐宋年间的一种器物。现在已知的最早记载见于宋代何薳的《春渚纪闻》卷9“纪研·跃鱼见木石中”,及王明清的《挥麈录·前录》。《春渚纪闻》提到晋出帝迁黄龙府曾献鱼盆,“鱼盆则一木素盆也,方圆二尺,中有木纹成二鱼状,鳞鬣毕具,长五寸许。若贮水用,则双鱼隐然涌起,顷之遂成真鱼,覆之则宛然木纹之鱼也。”并说:“至今句容人铸铜为洗,名双鱼者,用其遗制也。”《挥麈录·前录》则提到韩似夫使金国时,金主命取磁盆一枚示之,说是晋少主献给耶律氏的礼品,“中① 《武经总要》前集卷12“守城”。
② 《武经总要》前集卷6“警备法”。
① 《洞天清录集》卷1《古琴辩》。
有画双鲤存矣,水满则跳跃如生,覆之无它矣”。这两条所记当为同一物件,但为木为瓷尚待考订。现今可见的铜洗外形似脸盆,盆内底部刻有四条鱼。当用手掌摩擦这种鱼洗的双耳时,水面会出现振动花纹,四条鱼的口沟处甚至水花喷溅达尺余,鱼洗亦发出震耳的嗡嗡声。这种器物的振动实为板振动,振动过程类似于圆钟的空气振动。喷水的原理实际上就是,振动产生的四节线振波引起了水的激荡,看上去就像鱼在水中跃动而水花喷溅一般。
沈括曾进行过弦共振的实验:“琴瑟弦皆有应声,宫弦则应少宫,商弦则应少商,其余皆隔四相应。今曲中有声者,须依此用之。欲知其应者,先调诸弦令声和,乃剪纸人加弦上,鼓其应弦,则纸人跃,他弦则不动。声律高下苟同,虽在他琴鼓之,应弦也震,此之谓正声。”①从现代振动理论可知,外力频率与振动体固有频率成简单整数比时,都能引起振动体的振幅增大,即发生共振。沈括的实验证明琴瑟的弦宫应少宫、商应少商或隔四相应,事实上它们的振动频率比恰为1∶2 或2∶3。周密在《癸辛杂识·续集》中也提到他所进行的类似的研究与实验:“琴间指以一与四,二与五、六,四与七为应。今凡动第一弦,则第四弦自然而动。试以羽毛轻纤之物,果然。此气之自然相感动之妙。”这里,周密用“羽毛轻纤之物”也证明琴弦“隔四相应”的共振现象。
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