「夜半鐘聲到客船」蘊含哪些科學道理？

文史 11-01

時光飛逝，轉眼已至深秋。古代文人騷客每感於時令變化和個人際遇，總會即興賦詩一首，比如，唐朝詩人張繼在一個深秋夜晚泊船蘇州城外時，就寫下了膾炙人口的《楓橋夜泊》：

月落烏啼霜滿天，江楓漁火對愁眠。

姑蘇城外寒山寺，夜半鐘聲到客船。

這首絕句在我國家喻戶曉，其意境錯落清幽，靜夜中渺遠的鐘聲曾勾起無數遊子的共鳴。其實，古詩中的鐘聲意象不勝枚舉，如「萬籟此俱寂，但余鐘磬音」、「扁舟還北城，隱隱聞鐘磬」、「聲余月樹動，響盡霜天空」等等。

說到這裡，不知你是否想過，古剎里的鐘聲為何如此悠揚？又為何能從遙遠的山上傳到客船上呢？

鐘聲悠揚為哪般？

張繼詩中提及的寒山寺大鐘早已遺失，我們不妨以北京覺生寺內的永樂大鐘為例。該鐘於明朝永樂年間鑄造，雖比張繼生活的時代晚六百餘年，但其形制多與先秦時期的手工業技術文獻《考工記》相符，有理由相信它與唐朝時期的寒山寺大鐘較為相似。

如果你敲擊一下永樂大鐘，其深厚綿長的鐘聲可持續70秒以上。餘音不絕的鐘聲總給我們一種難以言說的平靜感，這種悠揚的音色主要和古鐘的結構形式、化學成分等因素有關。

我國古代的大鐘通常都是「封頂、長身、收腰、口侈」的樣式，永樂大鐘也不例外。研究發現，永樂大鐘的上下壁厚不同，最厚處的厚度是最薄處的2倍。這種結構及尺寸上的精巧設計，使大鐘的振動頻率十分豐富，低可至22赫茲，高可達800赫茲。如此一來，低音頻率增強了鐘聲的穿透性，而相近頻率的音則會合成低頻變幅的拍（約2赫茲），使鐘聲呈現出起伏的狀態，給人時遠時近的聽覺體驗。

永樂大鐘的尺寸（據參考文獻[2]製作）

我國是世界上最早採用藝術銅合金的國家，鑄造永樂大鐘所用的便是一種藝術用錫青銅。通常，如果含錫量低於13%，鐘的基音強度會很弱，音色也很單調刺耳，而當含錫量高於13%後，基音強度就會顯著增強。不過，一旦含錫量過大，又易導致鐘體發脆破裂。據測定，永樂大鐘的化學組分主要包括銅80.54%、錫16.11%、鉛1.12%，這既確保了大鐘的機械強度能經受起數百年的擊打，更使其音域寬廣、音色優美。

鐘聲因何到客船？

張繼所乘的船與寒山寺距離遙遠，他為何能聽到鐘聲呢？有小夥伴可能會說是夜深人靜的緣故，其實，這並非主要原因。

我們知道，聲音的傳播過程實際上是聲振動能量的傳播過程，大氣中的風場和溫度場無時無刻不在變化，因此聲音在空氣中傳播時很容易受到風場和溫度場的影響。對於風場，不難理解順風時聲音傳播速度更快，傳播距離也更遠，逆風時則相反。可溫度場對聲音有啥影響呢？

首先，溫度對聲速影響很大，聲速會隨著溫度的增加而線性增加。其次，溫度還嚴重影響聲音的傳播路徑。小夥伴們一定對光波的折射現象不陌生，聲波作為一種波，在不均勻介質中傳播時也存在類似的折射現象——它總是向低溫區域，也就是傳播速度低的區域偏折。