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陈征 |
文/羊城晚报记者 李钢 图/主办方提供 任何物体都可变身成乐器去进行演奏？只要掌握了声音和音乐的原理，这还真不是天方夜谭。近日，由广州市科学技术局主办，广东科学中心、羊城晚报社承办的珠江科学大讲堂第124讲走进番禺区育龙中学，邀请北京交通大学物理科学与工程学院副教授、中国物理学会科普委员会副主任、中国科技馆科普讲师团副团长陈征作“五音六律中的物理生理与心理”科普讲座。 高压闪电也可制造音效 闪电可以拿来当乐器？没错！ 陈征说，他曾在他人配合下，利用特斯拉线圈产生的几十万伏的高压闪电制造音效。 “我身上披着铜网，让特斯拉线圈产生的闪电打中我，当时现场产生了震耳欲聋的声响。”陈征描述道。在他看来，不仅闪电，很多稀奇古怪的东西都可以用来奏乐，甚至在一定条件下，可以让一辆行驶在公路上的汽车，通过轮胎与路面的凸起，演奏出乐曲。 陈征说，通常来说，奏乐都需要有乐器，但是如果搞清楚了音乐背后的原理，那么就可以知道，“万物皆可为乐器”。 声音大小、高低和音色 陈征介绍，音乐和我们的听觉有关，而研究听觉，则是一个涉及物理、生理和心理的过程。 获得声音需要振动。声源是发出振动的物体，有了声源之后，还需要有传递声音的介质。如果把声源放入一个真空环境中，会发现，虽然声源在振动，但是人却听不到声音。对声音进行量化研究，最基本的指标有声音大小、高低和音色三种，即响度、音调和特色。 陈征说，拨动琴弦时，如果多用点力，就会发现其振动幅度变大，声音随之变大。而拨动不同琴弦，其音调有所不同，这是由于振动的快慢不一样所致。这种振动的次数，则被称为频率。 此外，一个声音中往往存在着不止一个频率，而是有许多频率叠加在一起，声音中包含的频率成分即为音色。“打一个比方，你在画画的时候，在红色的颜料中添加一点其他不同的颜色，会发现总体上还是红色，但是此红已非彼红。”陈征说。 有了声源之后，声音就要通过介质进行传播。这个传播的过程就是通常所称的“声波”。 听觉与发声范围差异 “声音这个词在自然语言中和在物理学中的含义其实是不一样的。”陈征表示，物理上所有的振动都可以被称为“声”，并被归纳到声学中；而自然语言中的“声音”则仅仅指那些可以被人的耳朵听见的声响。 理论上来说，人耳所能听到的声音范围是每秒钟振动20次至2万次之间的声音。但实际上，大多数人的听觉并不能全覆盖这一振动区间。 陈征还在现场进行了一场听觉实验：通过信号发生器产生一个固定频率的声音，让在场听众来感知——随着频率提升，听不到声音的人举手示意。 有趣的是，听众们的听力似乎并不一样。当达到15300赫兹时，有人听不到声音，但是其耳朵却有不舒服的感觉。而达到16000赫兹时，更多人举手了。当达到18217赫兹时，现场三分之二的人举了手。 陈征揭秘道，人的听觉是由外界振动经过耳廓收集后进入耳道、鼓膜形成震动后，再通过听小骨将振动传递到耳蜗，耳蜗形成电信号输送到大脑。耳蜗扮演着将机械振动转变为神经信号的功能，这种功能的实现与耳蜗中的绒毛（毛细胞）有关。但是这种绒毛是不可再生的，随着年龄的增长，绒毛会逐渐减少，由此听力会不断下降。 因此，陈征表示，如果经常使用入耳式的耳机，又喜欢调大音量听音乐，就容易损伤绒毛导致听力下降。 人最高能发出多少赫兹的声音？陈征说，人类能发出的声音范围其实很窄。他经过多次测试后发现，女生尖叫的声音最高可达3000赫兹，而成年男性通常能发出的声音频率最高不超过1000赫兹。 等差数列与音乐之奥秘 有了声音，是不是就可以称之为“音乐”了？ 陈征对“音乐”给出了一个简单的定义——一定频率的声音按照一定规则排列组合起来，形成一段能给人带来情绪感受的连续声音。 当年，古希腊哲学家毕达哥拉斯发现用“1”“2/3”和“1/2”长度的琴弦一起演奏出来的声音非常好听，而这个比例成为了当今一切音乐的基础。 陈征解释，这说明音乐与数学之间有着密切的关系。琴弦的弦长和振动频率之间正好是一个倒数关系，当弦长分别为1、2/3、1/2时，其振动频率正好是一个等差数列：“1、3/2、2”。“这个等差数列就是一切声音和谐的基本规律、基本奥秘。” 而如果把等差数列“1、2、3、4、5”倒过来变成另外一个数列，在数学中则被称为调和数列。也就是说，琴弦按照这个比例形成的声音就是好听和谐的。 中国古代有“五音六律”之说。“五音”即“宫商角徵羽”。“六律”则在出土编钟上有很明确的显示：编钟在一个八度中有十二口钟，每一口钟的声音为“一律”，将其按照单双数分为“阴律”“阳律”，其中的“阳律”就构成了“六律”。 “宫商角徵羽”对应的音到底是什么？陈征说，《管子》一书中提出了“三分损益法”，其实就是1和2/3之间的关系，这个提法比毕达哥拉斯更早。如今则将其称为“五度相生律”。“三分损益法”认为，“宫”是基本音，在此基础上经过几次的“三分损益”，其他四个音阶也就产生了。 由此原理，陈征表示，任何一个物体，只要能让它发出固定的声音，就可以用它来奏乐。而常见的就是在玻璃杯中装不同量的水，就可以发出不同的声音。 “只要大家按照这个原则去找，就会发现我们身边能奏乐的东西非常非常多。”陈征说道。
