“夜半钟声到客船”蕴含哪些科学道理?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-10-31

夜半钟声为何传得远?并非因为夜深人静。

  时光飞逝,转眼已至深秋。古代文人骚客每感于时令变化和个人际遇,总会即兴赋诗一首,比如,唐朝诗人张继在一个深秋夜晚泊船苏州城外时,就写下了脍炙人口的《枫桥夜泊》:

月落乌啼霜满天,江枫渔火对愁眠。

姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船。

  这首绝句在我国家喻户晓,其意境错落清幽,静夜中渺远的钟声曾勾起无数游子的共鸣。其实,古诗中的钟声意象不胜枚举,如“万籁此俱寂,但余钟磬音”、“扁舟还北城,隐隐闻钟磬”、“声余月树动,响尽霜天空”等等。

图1 - 著名画家颜文樑所绘的《枫桥夜泊》油画(图片来源:www.bzzart.com)

著名画家颜文樑所绘的《枫桥夜泊》油画(图片来源:www.bzzart.com)

  说到这里,不知你是否想过,古刹里的钟声为何如此悠扬?又为何能从遥远的山上传到客船上呢?

钟声悠扬为哪般?

  张继诗中提及的寒山寺大钟早已遗失,我们不妨以北京觉生寺内的永乐大钟为例。该钟于明朝永乐年间铸造,虽比张继生活的时代晚六百余年,但其形制多与先秦时期的手工业技术文献《考工记》相符,有理由相信它与唐朝时期的寒山寺大钟较为相似。

图2 - 永乐大钟(图片来源:s.visitbeijing.com.cn)

永乐大钟(图片来源:s.visitbeijing.com.cn)

  如果你敲击一下永乐大钟,其深厚绵长的钟声可持续70秒以上。余音不绝的钟声总给我们一种难以言说的平静感,这种悠扬的音色主要和古钟的结构形式、化学成分等因素有关。

  我国古代的大钟通常都是“封顶、长身、收腰、口侈”的样式,永乐大钟也不例外。研究发现,永乐大钟的上下壁厚不同,最厚处的厚度是最薄处的2倍。这种结构及尺寸上的精巧设计,使大钟的振动频率十分丰富,低可至22赫兹,高可达800赫兹。如此一来,低音频率增强了钟声的穿透性,而相近频率的音则会合成低频变幅的拍(约2赫兹),使钟声呈现出起伏的状态,给人时远时近的听觉体验。

图3 - 永乐大钟的尺寸(据参考文献[2]制作)

永乐大钟的尺寸(据参考文献[2]制作)

  我国是世界上最早采用艺术铜合金的国家,铸造永乐大钟所用的便是一种艺术用锡青铜。通常,如果含锡量低于13%,钟的基音强度会很弱,音色也很单调刺耳,而当含锡量高于13%后,基音强度就会显著增强。不过,一旦含锡量过大,又易导致钟体发脆破裂。据测定,永乐大钟的化学组分主要包括铜80.54%、锡16.11%、铅1.12%,这既确保了大钟的机械强度能经受起数百年的击打,更使其音域宽广、音色优美。

钟声因何到客船?

  张继所乘的船与寒山寺距离遥远,他为何能听到钟声呢?有小伙伴可能会说是夜深人静的缘故,其实,这并非主要原因。

  我们知道,声音的传播过程实际上是声振动能量的传播过程,大气中的风场和温度场无时无刻不在变化,因此声音在空气中传播时很容易受到风场和温度场的影响。对于风场,不难理解顺风时声音传播速度更快,传播距离也更远,逆风时则相反。可温度场对声音有啥影响呢?

  首先,温度对声速影响很大,声速会随着温度的增加而线性增加。其次,温度还严重影响声音的传播路径。小伙伴们一定对光波的折射现象不陌生,声波作为一种波,在不均匀介质中传播时也存在类似的折射现象——它总是向低温区域,也就是传播速度低的区域偏折。

图4 - 声波的反射和折射(作者绘制)

声波的反射和折射(作者绘制)

  日常生活中,你一定有这样的体验:炎热的夏日午后,你和一位小伙伴站在柏油马路中央,尽管你们之间距离只有几十米,可任凭小伙伴如何呼喊,你却一直听不清楚。这既非小伙伴声音不够大,也不是你的听力问题,需要“背锅”的正是声音的折射现象。

  白天,由于地表比高空气温高,声音会向高空跑,离声源较远的地方就很难听到声音。而到了夜晚,地表气温低于高空,声波便会向地表方向偏折。张继泊船枫桥边时正值深秋之夜,地表的气温更低,声音的折射现象也更为明显,因此虽然相隔遥远,他依旧能听到清晰的钟声。

图5 - 白天(左)及夜晚(右)声音在空气中的传播路径有很大差异(图片来源:参考文献[4])

白天(左)及夜晚(右)声音在空气中的传播路径有很大差异(图片来源:参考文献[4])

 

参考文献:

[1] 周裕锴. 唐诗中的寺庙钟声[J]. 文史知识,2002(12):55-60.

[2] 田长浒. 中国金属技术史[M]. 成都:四川科学技术出版社,1988.

[3] 钟卫佳. 铜加工技术实用手册[M]. 北京:冶金工业出版社,2007.

[4] 周新祥,于晓光. 噪声控制与结构设备的动态设计[M]. 北京:冶金工业出版社,2014.

[5] 陈聃. 风场和温度场影响下空气中声波的传播特性研究[D]. 长沙:国防科学技术大学, 2009.

 

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