“五音六律中的物理生理與心理”：萬物皆可成樂器 科學驛站

任何物體都可變身成樂器去進行演奏？只要掌握了聲音和音樂的原理，這還真不是天方夜譚。近日，由廣州市科學技術局主辦，廣東科學中心、羊城晚報社承辦的珠江科學大講堂第124講走進番禺區育龍中學，邀請北京交通大學物理科學與工程學院副教授、中國物理學會科普委員會副主任、中國科技館科普講師團副團長陳徵作“五音六律中的物理生理與心理”科普講座。

高壓閃電也可製造音效

閃電可以拿來當樂器？沒錯！

陳徵說，他曾在他人配合下，利用特斯拉線圈產生的幾十萬伏的高壓閃電製造音效。

“我身上披着銅網，讓特斯拉線圈產生的閃電打中我，當時現場產生了震耳欲聾的聲響。”陳徵描述道。在他看來，不僅閃電，很多稀奇古怪的東西都可以用來奏樂，甚至在一定條件下，可以讓一輛行駛在公路上的汽車，通過輪胎與路面的凸起，演奏出樂曲。

陳徵說，通常來說，奏樂都需要有樂器，但是如果搞清楚了音樂背後的原理，那麼就可以知道，“萬物皆可爲樂器”。

聲音大小、高低和音色

陳徵介紹，音樂和我們的聽覺有關，而研究聽覺，則是一個涉及物理、生理和心理的過程。

獲得聲音需要振動。聲源是發出振動的物體，有了聲源之後，還需要有傳遞聲音的介質。如果把聲源放入一個真空環境中，會發現，雖然聲源在振動，但是人卻聽不到聲音。對聲音進行量化研究，最基本的指標有聲音大小、高低和音色三種，即響度、音調和特色。

陳徵說，撥動琴絃時，如果多用點力，就會發現其振動幅度變大，聲音隨之變大。而撥動不同琴絃，其音調有所不同，這是由於振動的快慢不一樣所致。這種振動的次數，則被稱爲頻率。

此外，一個聲音中往往存在着不止一個頻率，而是有許多頻率疊加在一起，聲音中包含的頻率成分即爲音色。“打一個比方，你在畫畫的時候，在紅色的顏料中添加一點其他不同的顏色，會發現總體上還是紅色，但是此紅已非彼紅。”陳徵說。

有了聲源之後，聲音就要通過介質進行傳播。這個傳播的過程就是通常所稱的“聲波”。

聽覺與發聲範圍差異

“聲音這個詞在自然語言中和在物理學中的含義其實是不一樣的。”陳徵表示，物理上所有的振動都可以被稱爲“聲”，並被歸納到聲學中；而自然語言中的“聲音”則僅僅指那些可以被人的耳朵聽見的聲響。

理論上來說，人耳所能聽到的聲音範圍是每秒鐘振動20次至2萬次之間的聲音。但實際上，大多數人的聽覺並不能全覆蓋這一振動區間。

陳徵還在現場進行了一場聽覺實驗：通過信號發生器產生一個固定頻率的聲音，讓在場聽衆來感知——隨着頻率提升，聽不到聲音的人舉手示意。

有趣的是，聽衆們的聽力似乎並不一樣。當達到15300赫茲時，有人聽不到聲音，但是其耳朵卻有不舒服的感覺。而達到16000赫茲時，更多人舉手了。當達到18217赫茲時，現場三分之二的人舉了手。

陳徵揭秘道，人的聽覺是由外界振動經過耳廓收集後進入耳道、鼓膜形成震動後，再通過聽小骨將振動傳遞到耳蝸，耳蝸形成電信號輸送到大腦。耳蝸扮演着將機械振動轉變爲神經信號的功能，這種功能的實現與耳蝸中的絨毛（毛細胞）有關。但是這種絨毛是不可再生的，隨着年齡的增長，絨毛會逐漸減少，由此聽力會不斷下降。

因此，陳徵表示，如果經常使用入耳式的耳機，又喜歡調大音量聽音樂，就容易損傷絨毛導致聽力下降。

人最高能發出多少赫茲的聲音？陳徵說，人類能發出的聲音範圍其實很窄。他經過多次測試後發現，女生尖叫的聲音最高可達3000赫茲，而成年男性通常能發出的聲音頻率最高不超過1000赫茲。

等差數列與音樂之奧秘

有了聲音，是不是就可以稱之爲“音樂”了？

陳徵對“音樂”給出了一個簡單的定義——一定頻率的聲音按照一定規則排列組合起來，形成一段能給人帶來情緒感受的連續聲音。

當年，古希臘哲學家畢達哥拉斯發現用“1”“2/3”和“1/2”長度的琴絃一起演奏出來的聲音非常好聽，而這個比例成爲了當今一切音樂的基礎。

陳徵解釋，這說明音樂與數學之間有着密切的關係。琴絃的弦長和振動頻率之間正好是一個倒數關係，當弦長分別爲1、2/3、1/2時，其振動頻率正好是一個等差數列：“1、3/2、2”。“這個等差數列就是一切聲音和諧的基本規律、基本奧秘。”

而如果把等差數列“1、2、3、4、5”倒過來變成另外一個數列，在數學中則被稱爲調和數列。也就是說，琴絃按照這個比例形成的聲音就是好聽和諧的。

中國古代有“五音六律”之說。“五音”即“宮商角徵羽”。“六律”則在出土編鐘上有很明確的顯示：編鐘在一個八度中有十二口鐘，每一口鐘的聲音爲“一律”，將其按照單雙數分爲“陰律”“陽律”，其中的“陽律”就構成了“六律”。

“宮商角徵羽”對應的音到底是什麼？陳徵說，《管子》一書中提出了“三分損益法”，其實就是1和2/3之間的關係，這個提法比畢達哥拉斯更早。如今則將其稱爲“五度相生律”。“三分損益法”認爲，“宮”是基本音，在此基礎上經過幾次的“三分損益”，其他四個音階也就產生了。

由此原理，陳徵表示，任何一個物體，只要能讓它發出固定的聲音，就可以用它來奏樂。而常見的就是在玻璃杯中裝不同量的水，就可以發出不同的聲音。

“只要大家按照這個原則去找，就會發現我們身邊能奏樂的東西非常非常多。”陳徵說道。

文/羊城晚報記者 李鋼圖/主辦方提供