律動“科學(xué)”

王江山

當(dāng)你帶好耳機(jī)，閉目欣賞音樂，有沒有對歌曲的編排、旋律的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生好奇？當(dāng)你吹響笛子，拉起提琴，可曾想過這美妙的音色、動人的聲響從何而來？當(dāng)你參加音樂會，進(jìn)入音樂廳，是否對舞臺設(shè)計產(chǎn)生疑惑？當(dāng)你翻開物理書，打開科學(xué)家傳記，是否想過這些科學(xué)人物也愛在音樂中徜徉？

其實關(guān)于音樂的結(jié)構(gòu)、聲響、設(shè)置背后，都有著深刻的物理機(jī)制，音樂和物理看似分屬藝術(shù)與科學(xué)兩個學(xué)科，卻又在許多方面緊緊相連。

音樂與物理的碰撞：聲學(xué)

李商隱有詩云：“錦瑟無端五十弦，一弦一柱思華年。”李白也曾寫過“此夜曲中聞?wù)哿稳瞬黄鸸蕡@情”的句子。雖然自古文人墨客常在音樂中寄托各自的情志和想象，但從物理學(xué)角度來看，音樂就是一種聲波。聲波是一種機(jī)械波，由物體（聲源）振動產(chǎn)生。聲波要素包含振幅、周期、相位、波長，這些要素對應(yīng)著音樂中音高、響度、時值和音色。

音高與時值構(gòu)成旋律，響度與時值構(gòu)成拍子或節(jié)奏，這幾種要素在時間、空間中運動，形成了弦的連接、配器、合唱、合奏，這些運動和變化組成了旋律、調(diào)式、節(jié)奏、拍子、和弦、速度、音型、曲式，也構(gòu)成了不同風(fēng)格的音樂。在這些變動組合中，不同的音樂讓人產(chǎn)生不同的審美感受。這就是音樂和物理的碰撞，它們交匯的學(xué)科叫作聲學(xué)。音樂作為聲學(xué)的重要研究對象，使得這門科學(xué)充滿了藝術(shù)性。

音樂上講究共鳴，聲學(xué)上也有一種現(xiàn)象，叫“共振”。任何物體都有其自身的振動頻率，兩個頻率相同的音叉相互靠近時，其中一個振動發(fā)聲，另一個也會發(fā)聲。利用這個原理，許多樂器中都有共鳴箱、共鳴板等，這可以使音樂更加優(yōu)美動聽。物理學(xué)在音樂中的應(yīng)用，使得音樂更加富有質(zhì)感，而音樂中的聲源、琴板、琴弦等也為聲學(xué)提供了實驗對象。

理樂交融：

樂器中的物理機(jī)制

中國古代就有利用金、石、土、革、絲、木、鮑、竹等材質(zhì)制作樂器的傳統(tǒng)，可見，我國很早就意識到不同材質(zhì)發(fā)出的音質(zhì)和音色不同，由于它們具有不同的彈性模量、密度、張力，應(yīng)用的原理也有很大區(qū)別，另外，選用材料的密度、彈性、硬度都與發(fā)聲質(zhì)量有關(guān)。比如傳統(tǒng)樂器笛子由竹子制作而成，竹子的干濕度、內(nèi)表面光潔度都會影響笛子的音質(zhì)。

樂器按照演奏方法和演奏機(jī)制可分成吹奏樂器、拉弦樂器、彈撥樂器、吹打樂器、敲打樂器、鍵盤樂器等。我們這里可以用樂器發(fā)聲的物理機(jī)制分類，分成弦樂器（又分拉弦、撥弦、打弦樂器）、管樂器（又分無簧、有簧管樂器）、簧振樂器、膜板樂器和電子樂器等。可以說樂器是一個展示物理學(xué)聲音傳播規(guī)律的儀器。有些樂器發(fā)聲機(jī)制非常特殊，如由前蘇聯(lián)物理學(xué)家利夫·特爾門（Lev Termen）教授在1928年發(fā)明的特雷門琴。這是世界第一件電子樂器。由于他的藝名叫雷奧·特雷門（Leon Theremin），人們就以他的藝名命名這款琴。

這款琴看起來就像一臺插著兩根天線的電腦主機(jī)，又像一臺奇怪的收音機(jī)。它是世上唯一不需要身體接觸的電子樂器。初代的特雷門琴將一個留聲機(jī)柜裝在四條腿上，輔以一根金屬天線和一個金屬圈。演奏這個樂器時，表演者在金屬圈附近移動手來控制音量，同時在天線附近移動手來控制音調(diào)。這時，表演者就可以得到一個由自己動作引發(fā)的連續(xù)的單聲道聲音。特雷門琴的音色比較奇怪，這種奇怪的音色早就出現(xiàn)在了許多科幻和恐怖電影的配樂中，甚至音樂比賽的配音中也有它的身影，如2014的大型音樂節(jié)目《我是歌手第二季》中就曾出現(xiàn)過。特雷門琴剛被設(shè)計出來時引起了廣泛關(guān)注，連愛因斯坦都曾參觀過，也許是特雷門琴背后物理原理吸引了他，那么它的原理到底是什么呢？

20世紀(jì)初，進(jìn)行無線電真空管試驗的無線電工程師發(fā)現(xiàn)了差頻振蕩器的原理。差頻現(xiàn)象是指由兩個相似但頻率不同的無線電高頻聲波信號相混合，而產(chǎn)生一個在可聽域范圍內(nèi)（20 Hz～20 kHz）的、頻率等于兩個原始信號頻率之差的新聲音信號。由于音色特殊，許多人想將它應(yīng)用到音樂制作中。可每當(dāng)人的身體靠近真空管，人體電容所帶來的變化就會影響其所產(chǎn)生的聲音頻率的變化。正在大家都一籌莫展時，科學(xué)家特雷門卻發(fā)現(xiàn)，這個缺點反而可以作為它的特色，讓人體與樂器合作演奏。物理學(xué)在音樂中的應(yīng)用，得到了一個“怪胎”，但是這怪胎卻以它的獨特得到了人們的喜愛。

音樂與建筑：

音樂廳中的物理巧思

音樂的頻率范圍很廣，而人類的耳朵只能聽到其中很小的一部分頻率。數(shù)字時代為了減少存儲空間，CD等數(shù)字媒體就只記錄了人們能夠聽見的頻率。但這些“聽不見”的頻率不等于我們感受不到，科學(xué)實驗證明人們聽不到的低頻和高頻也會影響人體的心跳、情緒和感覺等。音樂廳中還有許多設(shè)計上的巧思，其中應(yīng)用的物理原理，讓人們能更好的在音樂廳中欣賞音樂。

音樂廳可以看作是一個巨大的音響，因此它的形狀、建筑的材質(zhì)、演出臺的位置、擺放設(shè)計等各種因素都會對音質(zhì)造成影響。

音樂廳設(shè)計要解決的核心問題是室內(nèi)聲場即聲能的分布，要讓室內(nèi)不能有聲音的盲點或焦點，避免某些角落的聲能密度過小或過大，實際上就是解決混響和回聲的問題。

那么，什么是混響呢？樂器停止發(fā)音后，聲音并不會馬上消失，而是伴有余音，這種現(xiàn)象稱為混響。混響是由于聲音在室內(nèi)反射造成的，所以在音樂廳的室內(nèi)布置中，要首先考慮到在房間內(nèi)壁上應(yīng)用吸聲材料。如果內(nèi)壁是粗糙柔軟的吸聲材質(zhì)，那么混響時間會短些，如果內(nèi)壁是堅硬光滑的反射材質(zhì)，那么混響時間會長些。為了避免混響，音樂廳的墻壁都設(shè)計的比較粗糙，甚至座椅的材質(zhì)也會應(yīng)用吸聲材料。

另一個需要避免的問題就是回聲，產(chǎn)生回聲的主要原因在于聲音的反射體，如果反射體很平滑，那么聲音會作鏡面反射，如果凹凸不平，那么聲音會作漫反射，同一束聲線被反射到不同的方向，然后以不同的時間到達(dá)某個地方，形成混響。因此音樂廳的天花板通常設(shè)計一些避免回聲的裝飾，例如很多形狀不規(guī)則的吊頂。所以音樂廳的華麗不僅有審美的考慮，也有基于物理層面的考慮。

愛因斯坦曾說：“音樂和物理學(xué)領(lǐng)域中的研究工作在起源上是不同的，可是被共同的目標(biāo)聯(lián)系著，這就是對表達(dá)未知的東西的企求。它們的反應(yīng)是不同的，可是它們互相補(bǔ)充著。”嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)與和諧的音樂雖然是兩條不同的通往未知山峰的道路，但這一路上它們一直在彼此聯(lián)系，也必將相會于真理和美的峰頂。