律動“科學”

王江山

當你帶好耳機，閉目欣賞音樂，有沒有對歌曲的編排、旋律的結構產生好奇？當你吹響笛子，拉起提琴，可曾想過這美妙的音色、動人的聲響從何而來？當你參加音樂會，進入音樂廳，是否對舞臺設計產生疑惑？當你翻開物理書，打開科學家傳記，是否想過這些科學人物也愛在音樂中徜徉？

其實關于音樂的結構、聲響、設置背后，都有著深刻的物理機制，音樂和物理看似分屬藝術與科學兩個學科，卻又在許多方面緊緊相連。

音樂與物理的碰撞：聲學

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“此夜曲中聞折柳，何人不起故園情”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，但從物理學角度來看，音樂就是一種聲波。聲波是一種機械波，由物體（聲源）振動產生。聲波要素包含振幅、周期、相位、波長，這些要素對應著音樂中音高、響度、時值和音色。

音高與時值構成旋律，響度與時值構成拍子或節奏，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、調式、節奏、拍子、和弦、速度、音型、曲式，也構成了不同風格的音樂。在這些變動組合中，不同的音樂讓人產生不同的審美感受。這就是音樂和物理的碰撞，它們交匯的學科叫作聲學。音樂作為聲學的重要研究對象，使得這門科學充滿了藝術性。

音樂上講究共鳴，聲學上也有一種現象，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，其中一個振動發聲，另一個也會發聲。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美動聽。物理學在音樂中的應用，使得音樂更加富有質感，而音樂中的聲源、琴板、琴弦等也為聲學提供了實驗對象。

理樂交融：樂器中的物理機制

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

樂器按照演奏方法和演奏機制可分成吹奏樂器、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聲的物理機制分類，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聲音傳播規律的儀器。有些樂器發聲機制非常特殊，如由蘇聯物理學家利夫·特爾門（Lev Termen）教授在1928年發明的特雷門琴。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，又像一臺奇怪的收音機。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。這時，表演者就可以得到一個由自己動作引發的連續的單聲道聲音。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的大型音樂節目《我是歌手第二季》中就曾出現過。特雷門琴剛被設計出來時引起了廣泛關注，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世紀初，進行無線電真空管試驗的無線電工程師發現了差頻振蕩器的原理。差頻現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，而產生一個在可聽域范圍內（20Hz—20kHz）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，許多人想將它應用到音樂制作中。可每當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生的聲音頻率的變化。正在大家都一籌莫展時，科學家特雷門卻發現，這個缺點反而可以作為它的特色，讓人體與樂器合作演奏。物理學在音樂中的應用，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。數字時代為了減少存儲空間，CD等數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計上的巧思，其中應用的物理原理，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、演出臺的位置、擺放設計等各種因素都會對音質造成影響。

音樂廳設計要解決的核心問題是室內聲場即聲能的分布，要讓室內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？樂器停止發音后，聲音并不會馬上消失，而是伴有余音，這種現象稱為混響。混響是由于聲音在室內反射造成的，所以在音樂廳的室內布置中，要首先考慮到在房間內壁上應用吸聲材料。如果內壁是粗糙柔軟的吸聲材質，那么混響時間會短些，如果內壁是堅硬光滑的反射材質，那么混響時間會長些。為了避免混響，音樂廳的墻壁都設計的比較粗糙，甚至座椅的材質也會應用吸聲材料。

另一個需要避免的問題就是回聲，產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某個地方，形成混響。因此音樂廳的天花板通常設計一些避免回聲的裝飾，例如很多形狀不規則的吊頂。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：“音樂和物理學領域中的研究工作在起源上是不同的，可是被共同的目標聯系著，這就是對表達未知的東西的企求。它們的反應是不同的，可是它們互相補充著。”嚴謹的物理學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系，也必將相會于真理和美的峰頂。