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- 第九十章物理学
第三节声学
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。