王江山

當(dāng)你帶好耳機(jī)，閉目欣賞音樂(lè)，有沒(méi)有對(duì)歌曲的編排、旋律的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生好奇？當(dāng)你吹響笛子，拉起提琴，可曾想過(guò)這美妙的音色、動(dòng)人的聲響從何而來(lái)？當(dāng)你參加音樂(lè)會(huì)，進(jìn)入音樂(lè)廳，是否對(duì)舞臺(tái)設(shè)計(jì)產(chǎn)生疑惑？當(dāng)你翻開(kāi)物理書(shū)，打開(kāi)科學(xué)家傳記，是否想過(guò)這些科學(xué)人物也愛(ài)在音樂(lè)中徜徉？

其實(shí)關(guān)于音樂(lè)的結(jié)構(gòu)、聲響、設(shè)置背后，都有著深刻的物理機(jī)制，音樂(lè)和物理看似分屬藝術(shù)與科學(xué)兩個(gè)學(xué)科，卻又在許多方面緊緊相連。

音樂(lè)與物理的碰撞：聲學(xué)

李商隱有詩(shī)云：“錦瑟無(wú)端五十弦，一弦一柱思華年。”李白也曾寫(xiě)過(guò)“此夜曲中聞?wù)哿?，何人不起故園情”的句子。雖然自古文人墨客常在音樂(lè)中寄托各自的情志和想象，但從物理學(xué)角度來(lái)看，音樂(lè)就是一種聲波。聲波是一種機(jī)械波，由物體（聲源）振動(dòng)產(chǎn)生。聲波要素包含振幅、周期、相位、波長(zhǎng)，這些要素對(duì)應(yīng)著音樂(lè)中音高、響度、時(shí)值和音色。

音高與時(shí)值構(gòu)成旋律，響度與時(shí)值構(gòu)成拍子或節(jié)奏，這幾種要素在時(shí)間、空間中運(yùn)動(dòng)，形成了弦的連接、配器、合唱、合奏，這些運(yùn)動(dòng)和變化組成了旋律、調(diào)式、節(jié)奏、拍子、和弦、速度、音型、曲式，也構(gòu)成了不同風(fēng)格的音樂(lè)。在這些變動(dòng)組合中，不同的音樂(lè)讓人產(chǎn)生不同的審美感受。這就是音樂(lè)和物理的碰撞，它們交匯的學(xué)科叫作聲學(xué)。音樂(lè)作為聲學(xué)的重要研究對(duì)象，使得這門(mén)科學(xué)充滿(mǎn)了藝術(shù)性。

音樂(lè)上講究共鳴，聲學(xué)上也有一種現(xiàn)象，叫“共振”。任何物體都有其自身的振動(dòng)頻率，兩個(gè)頻率相同的音叉相互靠近時(shí)，其中一個(gè)振動(dòng)發(fā)聲，另一個(gè)也會(huì)發(fā)聲。利用這個(gè)原理，許多樂(lè)器中都有共鳴箱、共鳴板等，這可以使音樂(lè)更加優(yōu)美動(dòng)聽(tīng)。物理學(xué)在音樂(lè)中的應(yīng)用，使得音樂(lè)更加富有質(zhì)感，而音樂(lè)中的聲源、琴板、琴弦等也為聲學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

理樂(lè)交融：

樂(lè)器中的物理機(jī)制

中國(guó)古代就有利用金、石、土、革、絲、木、鮑、竹等材質(zhì)制作樂(lè)器的傳統(tǒng)，可見(jiàn)，我國(guó)很早就意識(shí)到不同材質(zhì)發(fā)出的音質(zhì)和音色不同，由于它們具有不同的彈性模量、密度、張力，應(yīng)用的原理也有很大區(qū)別，另外，選用材料的密度、彈性、硬度都與發(fā)聲質(zhì)量有關(guān)。比如傳統(tǒng)樂(lè)器笛子由竹子制作而成，竹子的干濕度、內(nèi)表面光潔度都會(huì)影響笛子的音質(zhì)。

樂(lè)器按照演奏方法和演奏機(jī)制可分成吹奏樂(lè)器、拉弦樂(lè)器、彈撥樂(lè)器、吹打樂(lè)器、敲打樂(lè)器、鍵盤(pán)樂(lè)器等。我們這里可以用樂(lè)器發(fā)聲的物理機(jī)制分類(lèi)，分成弦樂(lè)器（又分拉弦、撥弦、打弦樂(lè)器）、管樂(lè)器（又分無(wú)簧、有簧管樂(lè)器）、簧振樂(lè)器、膜板樂(lè)器和電子樂(lè)器等?？梢哉f(shuō)樂(lè)器是一個(gè)展示物理學(xué)聲音傳播規(guī)律的儀器。有些樂(lè)器發(fā)聲機(jī)制非常特殊，如由前蘇聯(lián)物理學(xué)家利夫·特爾門(mén)（Lev Termen）教授在1928年發(fā)明的特雷門(mén)琴。這是世界第一件電子樂(lè)器。由于他的藝名叫雷奧·特雷門(mén)（Leon Theremin），人們就以他的藝名命名這款琴。

這款琴看起來(lái)就像一臺(tái)插著兩根天線(xiàn)的電腦主機(jī)，又像一臺(tái)奇怪的收音機(jī)。它是世上唯一不需要身體接觸的電子樂(lè)器。初代的特雷門(mén)琴將一個(gè)留聲機(jī)柜裝在四條腿上，輔以一根金屬天線(xiàn)和一個(gè)金屬圈。演奏這個(gè)樂(lè)器時(shí)，表演者在金屬圈附近移動(dòng)手來(lái)控制音量，同時(shí)在天線(xiàn)附近移動(dòng)手來(lái)控制音調(diào)。這時(shí)，表演者就可以得到一個(gè)由自己動(dòng)作引發(fā)的連續(xù)的單聲道聲音。特雷門(mén)琴的音色比較奇怪，這種奇怪的音色早就出現(xiàn)在了許多科幻和恐怖電影的配樂(lè)中，甚至音樂(lè)比賽的配音中也有它的身影，如2014的大型音樂(lè)節(jié)目《我是歌手第二季》中就曾出現(xiàn)過(guò)。特雷門(mén)琴剛被設(shè)計(jì)出來(lái)時(shí)引起了廣泛關(guān)注，連愛(ài)因斯坦都曾參觀過(guò)，也許是特雷門(mén)琴背后物理原理吸引了他，那么它的原理到底是什么呢？

20世紀(jì)初，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電真空管試驗(yàn)的無(wú)線(xiàn)電工程師發(fā)現(xiàn)了差頻振蕩器的原理。差頻現(xiàn)象是指由兩個(gè)相似但頻率不同的無(wú)線(xiàn)電高頻聲波信號(hào)相混合，而產(chǎn)生一個(gè)在可聽(tīng)域范圍內(nèi)（20 Hz～20 kHz）的、頻率等于兩個(gè)原始信號(hào)頻率之差的新聲音信號(hào)。由于音色特殊，許多人想將它應(yīng)用到音樂(lè)制作中?？擅慨?dāng)人的身體靠近真空管，人體電容所帶來(lái)的變化就會(huì)影響其所產(chǎn)生的聲音頻率的變化。正在大家都一籌莫展時(shí)，科學(xué)家特雷門(mén)卻發(fā)現(xiàn)，這個(gè)缺點(diǎn)反而可以作為它的特色，讓人體與樂(lè)器合作演奏。物理學(xué)在音樂(lè)中的應(yīng)用，得到了一個(gè)“怪胎”，但是這怪胎卻以它的獨(dú)特得到了人們的喜愛(ài)。

音樂(lè)與建筑：

音樂(lè)廳中的物理巧思

音樂(lè)的頻率范圍很廣，而人類(lèi)的耳朵只能聽(tīng)到其中很小的一部分頻率。數(shù)字時(shí)代為了減少存儲(chǔ)空間，CD等數(shù)字媒體就只記錄了人們能夠聽(tīng)見(jiàn)的頻率。但這些“聽(tīng)不見(jiàn)”的頻率不等于我們感受不到，科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明人們聽(tīng)不到的低頻和高頻也會(huì)影響人體的心跳、情緒和感覺(jué)等。音樂(lè)廳中還有許多設(shè)計(jì)上的巧思，其中應(yīng)用的物理原理，讓人們能更好的在音樂(lè)廳中欣賞音樂(lè)。

音樂(lè)廳可以看作是一個(gè)巨大的音響，因此它的形狀、建筑的材質(zhì)、演出臺(tái)的位置、擺放設(shè)計(jì)等各種因素都會(huì)對(duì)音質(zhì)造成影響。

音樂(lè)廳設(shè)計(jì)要解決的核心問(wèn)題是室內(nèi)聲場(chǎng)即聲能的分布，要讓室內(nèi)不能有聲音的盲點(diǎn)或焦點(diǎn)，避免某些角落的聲能密度過(guò)小或過(guò)大，實(shí)際上就是解決混響和回聲的問(wèn)題。

那么，什么是混響呢？樂(lè)器停止發(fā)音后，聲音并不會(huì)馬上消失，而是伴有余音，這種現(xiàn)象稱(chēng)為混響?；祉懯怯捎诼曇粼谑覂?nèi)反射造成的，所以在音樂(lè)廳的室內(nèi)布置中，要首先考慮到在房間內(nèi)壁上應(yīng)用吸聲材料。如果內(nèi)壁是粗糙柔軟的吸聲材質(zhì)，那么混響時(shí)間會(huì)短些，如果內(nèi)壁是堅(jiān)硬光滑的反射材質(zhì)，那么混響時(shí)間會(huì)長(zhǎng)些。為了避免混響，音樂(lè)廳的墻壁都設(shè)計(jì)的比較粗糙，甚至座椅的材質(zhì)也會(huì)應(yīng)用吸聲材料。

另一個(gè)需要避免的問(wèn)題就是回聲，產(chǎn)生回聲的主要原因在于聲音的反射體，如果反射體很平滑，那么聲音會(huì)作鏡面反射，如果凹凸不平，那么聲音會(huì)作漫反射，同一束聲線(xiàn)被反射到不同的方向，然后以不同的時(shí)間到達(dá)某個(gè)地方，形成混響。因此音樂(lè)廳的天花板通常設(shè)計(jì)一些避免回聲的裝飾，例如很多形狀不規(guī)則的吊頂。所以音樂(lè)廳的華麗不僅有審美的考慮，也有基于物理層面的考慮。

愛(ài)因斯坦曾說(shuō)：“音樂(lè)和物理學(xué)領(lǐng)域中的研究工作在起源上是不同的，可是被共同的目標(biāo)聯(lián)系著，這就是對(duì)表達(dá)未知的東西的企求。它們的反應(yīng)是不同的，可是它們互相補(bǔ)充著?！眹?yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)與和諧的音樂(lè)雖然是兩條不同的通往未知山峰的道路，但這一路上它們一直在彼此聯(lián)系，也必將相會(huì)于真理和美的峰頂。