編鐘里的科學

朱英潔

中國古代音樂殿堂的瑰寶——曾侯乙編鐘

年代：公元前476 一前221 年，戰(zhàn)國

尺寸：包括鈕鐘19 件，甬鐘45 件，外加楚王贈送的一件镈（bó）鐘，共65 件。最大的一件通高153.4 厘米，重203.6 千克;最小的一件通高20.4 厘米，重2.4 千克。鐘架長748 厘米，高265 厘米。整套編鐘總重達2500 多千克

材質：青銅

出土年代：1978 年

出土地：湖北省隨州市西郊擂鼓墩曾侯乙墓

曾侯乙編鐘是目前出土的保存最完好、鑄造最精美的一套編鐘， 鑄造技術之高超、音樂性能之良好，舉世罕見。

音色獨絕的“法寶”

從化學成分上看，制作鐘的金屬種類和比例不同，鐘的聲學性能和機械強度也就不同。

古代歐洲和印度的鐘一般由黃銅制成，而中國的編鐘是由青銅制成的。同樣是銅質鐘，主要區(qū)別在于：黃銅的主要成分是銅（Cu）和鋅（Zn），阻尼系數(shù)低、延音長，適合用來制造打擊樂器，例如：镲、鑼和鈸等;青銅的主要成分是銅（Cu）、錫（Sn）和鉛（Pb），阻尼系數(shù)高、延音短。

在這里起主要作用的是鉛元素。銅本身的彈性大，鉛的加入使銅的柔軟度增加。如圖所示，根據(jù)金相分析（金屬材料試驗研究的重要手段之一），鉛以獨立相的形式分布在晶粒中，割斷了銅基體對聲音的傳遞，增加了阻尼作用，在敲擊編鐘時，使編鐘振動時間變短，對鐘聲的衰減起到了重要作用。

但是，隨著鉛的含量增加，振動衰減的同時音色也會受到影響。因此，青銅中的錫元素對編鐘的貢獻也不容小覷——它調節(jié)了銅的硬度，如果含量過多，青銅被敲擊時將會碎掉，如果含量過少，青銅的軟度過大，鐘表面則會被敲擊得“坑坑洼洼”。所以，銅、錫和鉛的含量符合完美比例時才會發(fā)出樂聲。

《周禮·考工記》（中國第一部工科巨著，大部分學者認為該書成書于戰(zhàn)國末期）記載：“六分其金而錫居其一，謂之鐘鼎之齊……”這句話的意思是制作編鐘的銅、錫比例為6 ：1，根據(jù)現(xiàn)代技術分析的結果，曾侯乙編鐘的錫含量為13%，含鉛量為1.2% ～ 3%，這也是曾侯乙編鐘音色獨絕的根本原因之一。

隨著冶煉技術的發(fā)展，銅的純度越來越高，這成為了漢代以后再無編鐘的原因。而編鐘的化學成分及比例不僅影響著樂音，也是編鐘能夠保存千年的“法寶”。

一套編鐘就是一支樂隊

除了化學因素之外，編鐘的物理結構決定了其音調高低。編鐘由大小不同的合瓦形鐘按照音調的高低順序依次排列懸掛在鐘架上，用木錘或者木棒敲擊奏樂。

編鐘的音高與合瓦形鐘的體積和壁厚緊密相關：合瓦形鐘體積越小，音高越高;體積越大，音高越低。而板振動的頻率規(guī)律是板越厚越小，頻率越高;板越薄越大，頻率越低。

合瓦形鐘還有一個神奇之處，就是它可以分區(qū)振動，即敲擊其正面和側面可以演奏間隔3 個度的樂音而互不干擾，如果同時敲擊兩側則可以產(chǎn)生和聲。這是因為，合瓦形鐘體內(nèi)的“隧道”——隧，可以將振動板塊分離開來。編鐘屬于板振動，音高與板材大小、厚度和形狀等有關，隧改變了鐘壁的厚度，使編鐘振動有了分區(qū)。

編鐘凝結著樂理、化學、物理等眾多學科知識和冶金工藝，代表了中國古代的科技和藝術水平，也彰顯了中華民族的智慧和努力！