编钟里的科学

朱英洁

年代：公元前476 一前221 年，战国

尺寸：包括钮钟19 件，甬钟45 件，外加楚王赠送的一件镈（bó）钟，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。钟架长748 厘米，高265 厘米。整套编钟总重达2500 多千克

材质：青铜

出土年代：1978 年

出土地：湖北省随州市西郊擂鼓墩曾侯乙墓

曾侯乙编钟是目前出土的保存最完好、铸造最精美的一套编钟，铸造技术之高超、音乐性能之良好，举世罕见。

从化学成分上看，制作钟的金属种类和比例不同，钟的声学性能和机械强度也就不同。

古代欧洲和印度的钟一般由黄铜制成，而中国的编钟是由青铜制成的。同样是铜质钟，主要区别在于：黄铜的主要成分是铜（Cu）和锌（Zn），阻尼系数低、延音长，适合用来制造打击乐器，例如：镲、锣和钹等;青铜的主要成分是铜（Cu）、锡（Sn）和铅（Pb），阻尼系数高、延音短。

在这里起主要作用的是铅元素。铜本身的弹性大，铅的加入使铜的柔软度增加。如图所示，根据金相分析（金属材料试验研究的重要手段之一），铅以独立相的形式分布在晶粒中，割断了铜基体对声音的传递，增加了阻尼作用，在敲击编钟时，使编钟振动时间变短，对钟声的衰减起到了重要作用。

但是，随着铅的含量增加，振动衰减的同时音色也会受到影响。因此，青铜中的锡元素对编钟的贡献也不容小觑——它调节了铜的硬度，如果含量过多，青铜被敲击时将会碎掉，如果含量过少，青铜的软度过大，钟表面则会被敲击得“坑坑洼洼”。所以，铜、锡和铅的含量符合完美比例时才会发出乐声。

《周礼·考工记》（中国第一部工科巨着，大部分学者认为该书成书于战国末期）记载：“六分其金而锡居其一，谓之钟鼎之齐……”这句话的意思是制作编钟的铜、锡比例为6 ：1，根据现代技术分析的结果，曾侯乙编钟的锡含量为13%，含铅量为1.2% ～ 3%，这也是曾侯乙编钟音色独绝的根本原因之一。

随着冶炼技术的发展，铜的纯度越来越高，这成为了汉代以后再无编钟的原因。而编钟的化学成分及比例不仅影响着乐音，也是编钟能够保存千年的“法宝”。

除了化学因素之外，编钟的物理结构决定了其音调高低。编钟由大小不同的合瓦形钟按照音调的高低顺序依次排列悬挂在钟架上，用木锤或者木棒敲击奏乐。

编钟的音高与合瓦形钟的体积和壁厚紧密相关：合瓦形钟体积越小，音高越高;体积越大，音高越低。而板振动的频率规律是板越厚越小，频率越高;板越薄越大，频率越低。

合瓦形钟还有一个神奇之处，就是它可以分区振动，即敲击其正面和侧面可以演奏间隔3 个度的乐音而互不干扰，如果同时敲击两侧则可以产生和声。这是因为，合瓦形钟体内的“隧道”——隧，可以将振动板块分离开来。编钟属于板振动，音高与板材大小、厚度和形状等有关，隧改变了钟壁的厚度，使编钟振动有了分区。

编钟凝结着乐理、化学、物理等众多学科知识和冶金工艺，代表了中国古代的科技和艺术水平，也彰显了中华民族的智慧和努力！