“古乐钟皆如合瓦”：千古绝唱的曾侯乙编钟一钟双音的奥秘

1978年湖北省的考古工作者在湖北随县(今随州市)擂鼓墩发掘了一座战国早期曾国国君的墓葬——曾侯乙墓。墓中出土了大量珍贵的文物，特别是全套大型曾侯乙编钟轰动了中外。

全套编钟共64件，由青铜铸就，出土时分3层8组悬挂在由两名青铜佩剑武土双手托起的曲尺形漆木钟架上，气势雄伟壮观。更为难得的是，历经2400多年沧桑，音乐性能仍然保存完好。根据声学测定，以古弦律(相当于现代国际通用的C大调)为基调，音域宽达5个半八度，中间3个半八度，12个半音齐备，可以旋宫转调，演奏各种乐曲。

这套编钟集中反映了我国古代高度发达的音乐文化成就和科学技术水平，是中国古老文明的象征，被为古代世界的“第八大奇”。

一、叹为观止的一钟双音

曾侯乙编钟最为神奇的是一钟双音。披照编钟上的错金标音铭文所示，分別敲击不同部位，同一钟可以发出两个不同的乐音，而且两个乐音之间相差三度。如中层3组第5号钟，正鼓部标音为“羽”，敲击正鼓部测的频率是427.7赫兹，其侧鼓部标音“宫”，敲击侧鼓部测得频率516赫兹，两音分别相当于现今钢琴键盘上大字4组的“A”(即简谱所记6，La)音和大学5组的“C”(即简谱所记i，do音，正鼓音比侧鼓音低88.3赫兹，亦即低一个小三度，与羽、宫间小三度音程相符（即6与i之间相差三度)。

在音乐声学上，弦乐器中的弦振动，在一根弦上只要控制弦长即可以奏出不同音高的乐音。在吹管乐器中，在管上通过计算或经验设计不同的音孔，改变管内气柱振动的长度，也可发出不同音高的乐音，但已较为复杂。而编钟属于板振动，其音高变化与板材的厚薄、质地、大小、几何形状、敲击部位等诸多因素都有密切关系，在声学上非常复杂。

二、一钟双音的原理与奥秘

让我们先来看看编钟的几何形状与钟体结构。北宋沈括在《梦溪笔谈》中曾谈到先秦编钟的一个颇引人注目的特征，即“古乐钟皆如合瓦”。所谓合瓦也就是其形状如两块瓦片合在一起，钟口如o形。这一特征是中国先秦编钟与钟口圆形的西欧教堂钟和后世的朝钟、梵钟的根本区别。研究表明这也就是先秦编钟一钟双音的奥秘之一。

合瓦形钟体，两侧有棱。而棱是两片瓦状的连接部，是钟体刚性最大的部分，钟体震动时要使棱部进入振动状态需要更大的能量，因此编钟发声时。棱能对钟声起阻尼作用，加速钟声的衰减。而且敲击同一编钟的不同部位时，因为棱的阻尼作用不同，其振动模式有很大变化。这样，就给一钟双音提供了可能。而圆形钟，则无此阻尼作用，不论敲击圆钟的哪个部位，其振动模式都固定不变，因而只可能有一个乐音，而且由于钟厚不均匀，导致产生许多复杂的泛音、分音使尾声很长(北京永乐大钟尾音长达两分钟)，很难构成音律，形成节奏，无法成为演奏旋律的乐器。

采用现代激光全息摄影技术分别拍摄敲击同一编钟正鼓部与侧鼓戴部的照片加以比较分析。可以见到两张照片清晰地呈现出正反对称的两个不同的基频振动模式，即第一基频(正鼓音)、第二基频(侧鼓音)。观察编钟振动时钟口的变化，可以看到，当敲击正鼓部，激发第一基频时，编钟进入振动状态后，棱起着明显的阻尼作用，相反敲击侧鼓部，激发第二基频时，编钟在进入振动状态后，棱所起的阻尼作用甚微。这样就出现了一钟双音的奇迹。

古代曾侯乙编钟演奏场景图

三、一钟双音的调音与调律

但是要使这两个不同的钟声成为乐音，并且其间保持三度关系却并非如此简单，还需要进一步的技术处理和调音、调律。根据声学上板振动的特点，板的厚度影响着音的高度。如何对一钟双音的编钟进行调音、调律呢？

让我们再来观察一下钟腔，钟腔壁上有凸起的音塬和呈凹状的音隧，并且他们大都经过研磨和刮削。通过全息摄影可以看到音塬、音隧正好与第一基频或第二基频的节线位置相吻合，而这正是调整音高的关键部位。古代工匠正是通过磨、刮对钟进行调音、调律，使两个乐音成三度关系的。同时音塬与音隧处于基频振动模式的节线上，在编钟振动时，鼓部正中(有隧之处)处于波腹，侧鼓音则处于波节，反之亦然，从而使敲击不同部位所产生的两个乐音能够明确区分。

?四、编钟的化学成分分析

除了以上用物理方式调整钟声外，编钟的化学成分对编钟的衰减与音色亦有着内在联系。所谓青铜就是铜与锡、铅的合金。实际检测曾侯乙编钟合金为锡青铜，含少量铅。

中国古代对青铜合金的化学成分非常讲究，《周礼?考工记》中说“六分其金，而锡居其一，谓之钟鼎之器”大意是用于铸造钟与鼎的青铜合金，要六份铜加入一份锡。采用现代科技手段对编钟的铜、锡、铅比例分析表明，含锡量在13％-16％之间，音色浑厚丰满。含锡量低于13％时，音色单调尖锐。而曾侯乙编钟的含锡量在13％左右，恰到好处。铅的含量对钟的衰减有显著作用。

通过金相分析，铅以独立相分布在晶内，割断了α基体对声音的传递起了阻尼作用，故曾侯乙编钟亦含有一定数量的铅。研究发现随含铅量增加，衰减有加快的趋势，但同时对音色又产生不良影响。曾侯乙编钟含铅量在1.2～3％之间是适宜的，既能保证钟声衰减较快以适应演奏要求，又保持了音色的和谐动听。

综上所述，曾侯乙编钟的一钟双音是由多方面因素综合促成的。我国古代劳动人民，通过长期实践，造出令人惊叹的编钟，表明中国古代音乐声学和治金、铸造以及其它有关科技综合研究与实践处于世界领先地位，使当时其它国家无法望其项背。

直至20世纪30年代，在曾侯乙编钟出土之前，美国人曾对西欧圆钟进行研究，并进行编组，为了克服圆形钟尾音过长，在配制“制音器”等方面作过不少努力，然而，他们却都没有想到把圆钟改制为合瓦形便可以解决尾音过长，音响混浊，音调不清的问题。

但是中国古代这一辉煌成就的另ー面却浸透了古代工匠的心血，一旦某一环节出了差错。便随时有废钟的危险，甚至会引来杀身之祸。历史上“钟不调”的记载屡见不鲜，如《吕氏春秋》所述“晋平公铸百大钟，……师旷曰：不调，请更铸之”。但挫折与失败并不能使他们气馁，他们一步一步地摸索前进，认识，实践再认识，再实践，终于创造了这举世闻名的奇迹。