中國古代共振研究與應用

1、1中國古代共振研究與應用中國古代共振研究與應用粟新華(邵陽學院物理系湖南邵陽422000)摘要：摘要：介紹了中國古代共振現(xiàn)象與共振實驗，指出共振效應在中國古代的應用.關鍵詞鍵詞：《墨子》；張華；沈括；鐘；弦；泉；共振中圖分類號：號：N09：Ｏ42文獻文獻標識碼標識碼：E1令人震駭?shù)墓舱瘳F(xiàn)象令人震駭?shù)墓舱瘳F(xiàn)象唐段成式在《西陽雜組》指出：“蜀將軍皇甫直，別音律，擊陶器能知時月。好彈琵琶，元和中，嘗造一調，乘涼臨水池彈之，本黃鐘而聲入蕤賓，因

2、更弦再三奏之，聲猶蕤賓也。直甚惑，不悅，自意為不祥。隔日，又奏于池上，聲如故。試彈于他處，則黃鐘也。直因調蕤賓，夜復鳴彈于池上，覺近岸波動，有物激水如魚躍。及下弦則沒矣。直遂集客，車水竭池，窮池索之。數(shù)日，泥下丈余得鐵一片，乃方響蕤賓鐵也?！盵1]關于共振現(xiàn)象，古籍中記載最多的是鐘不扣自鳴。如《宣室志》：“開元中，清江郡叟常牧牛于郡南田間……得一鐘……是日辰時，不擊忽自鳴，聲極震響。清江之人俱而驚嘆?！保郏玻荨短綇V記》：“永建時，殿上

3、鐘自鳴，帝甚憂之。公卿莫能解，乃問英。英曰：‘蜀岷山崩，母崩故子鳴，非圣朝災也?！盵3]“魏時，殿前鐘忽大鳴，震駭省署。華曰：‘此蜀銅山崩，故鐘鳴應之也?！駥ど鲜拢沏~山崩，時日皆如華言?！盵4]《淵鑒類函》：“天中記云，漢武帝時，未央宮前殿鐘無故自鳴，三日三夜不止。詔問太史，待詔王朔，朔言恐有兵.更問東方朔，朔曰，臣聞銅者山之子，山者銅之母，以陰陽氣類。言之子母相感，山恐有崩弛者，故鐘先鳴?！保郏担荨拔骱佑戌姡谒谢匏份m鳴，聲

4、響悲激，羈客聞而凄愴?！保郏叮荨秲愿敗罚骸疤鞂毷d六月乙亥，中書奏昨日辰時，大同殿前鐘樓上鐘自鳴?！保郏罚荨短熘杏洝罚骸肮饣甓涞碌钋扮娐暫鏊秽?。道州鐘吼躍入江?！保郏福荨稄V古今五行記》：“陜州黃河有銅鐘，水大水小常自浮出，每昧朔陰雨之日輒鳴，聲響悲亮，行客聞之莫不愴然.”［９］聞過則喜《池北偶談》：“康熙戊申六月十七日戌刻，山東、江南、浙江諸省同時地大震…….又天鼓鳴，（指的是風聲、雨聲、雷聲、潮水泛濫的吼聲、山潰的崩塌聲、

5、地殼的爆裂聲等）鐘鼓自鳴.”［１０］《三岡識略》：“寧波府新建慶云樓，中懸巨鐘.五月初四夜不叩自鳴，百勝嘩言寇至，郡守設醮以禳之.（按，明隆慶時，燕河營真武廟鐘自鳴.又平陰縣有鐘，不叩自鳴.后亦無他異）.”[11]除鐘以外，古籍中記載的還有鈴、盤、磬等金屬品有時也不扣自鳴：“元和中，翰林院有鈴，夜中文書人，則引之以代傳呼.長守中河北用兵，鈴輒自鳴，與軍中息耗相應，聲急則軍事急，聲緩則軍事緩.”[12]“晉中朝，有人畜銅澡盤，晨夕恒鳴如人

6、扣.乃問張華，華曰：‘此盤與洛鐘宮商相應，宮有朝暮撞鐘，故聲相應耳.可錯令輕，則韻乖鳴自止也.’如言后不復鳴.”[13]“洛陽有僧，房中磬子日夜輒自鳴，僧以為怪，懼而成疾.求術士百方禁之，終不能已.曹紹夔素與僧善，乃笑曰：‘明日設盛饌，余與為除之.’僧雖不信，紹夔言異或有效，乃力置饌以待.紹夔食訖，出懷中錯，鑢磬數(shù)處而去，其聲遂絕.僧問其所以，紹夔曰：‘此磬3振波在均勻媒質中傳播，并在邊界處反射，反射波與激振波相互疊加，最后形成適應特定

7、邊界條件的穩(wěn)定駐波.此時媒質中各質元以同一頻率、不同的恒定振幅振動.在振動波腹處，水的激勵最為強烈，水濺出洗外.事實上，魚洗就像一只倒置的鐘，其振動與鐘的振動相似，屬于板振動范圍.國外最早研究板振動，直到十八世紀下半葉開始，比我國要晚二千年.除“噴水魚洗”外，我國還有一種叫做“傳聲筒”的裝置：“傳聲筒者，截竹筒兩枚，空其兩端，各以一面用皮紙冒之，膠封甚固.兩筒紙面相向，取長數(shù)丈之細線穿過之.使兩人各執(zhí)一筒，一人屬口于此筒之空面，一人屬耳

8、于彼筒之空面，相去數(shù)丈，屬口者隨意言語，屬耳者聽之了了，他人不聞也.”［２１］這種裝置，今名“土電話”，它的工作原理是：人對著話筒講話，聲音從話筒經細線傳給聽筒，使受話人接收發(fā)話人的聲音.裝置中的話筒、聽筒均為同鳴箱，對聲音起放大作用，它們與下面即將提到的“甕聽”、“地聽”相似.3共振效應的神奇運用共振效應的神奇運用“令陶者為罌，容四十斗以上，固（順）之以薄“古法以薄為矢服，臥則以為枕，取其中虛，附地枕之，數(shù)里內有人馬聲，則皆聞之，蓋虛

9、能納聲也.”[26]著革，置井中，使聰耳者伏罌而聽之，審知穴之所在，鑿穴迎之.”[22]這是記載在《墨子》中的一段話，它描述了戰(zhàn)國時，墨家運用共振效應偵察敵情的事情.這種設置，由于壇口蒙皮，其壇腔形成共振腔，可產生“交混回響”.當敵人打隧道的聲音通過泥土沙石傳給壇壁時，壇內空氣振動引起壇口蒙皮振動，這就容易為人所察覺.《墨子》一書中多次介紹了這種偵敵方法，且壇的放置位置、方法、數(shù)量、壇口蒙閉材料均根據(jù)實際需要而有所變化.宋代曾公亮（99

10、91079）也曾使用壇子偵探敵情.原理一樣但使用方法略不同：“甕聽，用七石甕，覆于地道中，擇耳聰人坐聽于甕下，以防城中鑿地道迎我.”[23]“地聽，于城中八方，穴地如井，各深二丈，勿及泉，令聽事聰審者，以新甕自覆于井處，則鑿地迎之，用熏灼法.”[24]此外，曾公亮還介紹了另外一種利用固體傳聲和共鳴進行戰(zhàn)爭偵察的方法:“選聰耳少睡者，令臥枕空胡鹿，其胡鹿必以野豬皮為之，凡人馬行在三十里以外，東西南北皆響聞.”[25]類似上述偵敵方法，沈括

11、在《夢溪筆談》中也有記載：“古法以牛革為矢服，臥則以為枕，取其中虛，附地枕之，數(shù)里內有人馬聲，則皆聞之，蓋虛能納聲也.”[26]共振效應不只是運用于軍事，在其他方面的運用也毫不遜色和含糊.如《酉陽雜俎》：“譙郡有功曹澗.天統(tǒng)初，濟南來府君出譙郡.時功曹請河崔公恕，弱冠有令德，于時春夏積旱，送別千余人，至此澗上，眾渴甚思水，升直萬錢矣，來公有思水色.恕獨見一青鳥于澗中乍飛乍止，怪而就焉.鳥起，見一石，方五六寸，以鞭撥之，清泉涌出.”［２７

12、］這話聽起來好象十分謊謬，但細細思索則不無道理.一個小石子，內部又是空的，用鞭有節(jié)奏地撥弄它時，極有可能發(fā)生共振，把泉水激出石外.這種情形就象用手磨擦魚洗使其噴水一樣.除擊鞭引水，還有以聲引水的.《小知錄》就舉出許多例子：“‘樂音泉’，強村樂音泉，唱浪淘沙曲，即得一杯.……‘咄泉’，壽州咄泉，大叫則大涌，小叫則小涌.‘撫掌泉’，昭明讀書撫掌泉，聞拍掌聲則溢.‘喜客來’，大茅峰喜客來泉，客至則出.‘笑泉’，無為州笑泉，聞笑聲則沸.‘衛(wèi)泉’