声波折射现象在古诗中的体现

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光波与声波,是信息的两个主要载体;视觉与听觉,是人类接受信息的主要方式。光波从光源传到我们的眼睛,声波从波源传到我们的耳朵。它们不仅仅让我们看清了世界,听清了世界,还时时刻刻影响着我们的情感。这种影响在诗人的笔下迸发出了无穷的诗意。

唐朝、宋朝还有后来的元明清,中国的历代诗人们留下了无数脍炙人口的诗篇。不仅诗歌本身对与听觉有关的韵律有着十分苛刻的要求,诗歌的内容也大多与声音有关。既然声音对诗歌的创作有着如此巨大的影响,那么声音传播所拥有的物理学规律在诗歌中也应当是有所反应的。

声音是一种可被感知的声波;声波是一种机械波并且是一种纵波。如果大气是均匀且状态一致的,那么声音在空气中的速度大小相同,由一个点传出的声波的波前是一个球面,声音传播的方向是和波前垂直的方向即半径的方向。但是,大气的温度与高度有关,而声音传播的速度与气温有关,所以波前将不是一个球面,而发生了畸变;相应的,波速的方向也发生了变化,不再是半径的方向了,而是拐了弯。这种声音传播道路拐弯的现象,就是声波的折射现象。

在地面附近空气中,声速c(m/s)和温度t(℃)成正比关系,可以近似表示为 c=(331.45+0.61t/℃)m•s-1,即大气温度每升高一度,声速增加约0.61米/秒。白天,在太阳的照射下,靠近地面的大气层温度比高处的大气层的高,也就是近地面的声速大于高空的声速。这时声音传播路径折向高空。夜间,靠近地面空气逐渐冷却下来了,上空的气温相对高,结果高空声速比地面大,因而声音会向地面折射。因此,白天,声音在地面上传的距离较短;夜间,声音在地面上传的较远。所以诗人们在夜里就容易听见远处传来的声音了。

这种声音传播的夜间与白昼的差别,在诗人们对各种声音的感受中得到充分的体现。读唐诗,我们常可以读到夜半的钟声。

夜晚声音向地面折射

“月落乌啼霜满天,江枫渔火对愁眠。姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船。 ”这是唐朝诗人张继的一首脍炙人口的名诗,被历代人所称颂。再如较张继早的唐代诗人张说在《夜半钟声》写到“夜卧闻夜钟,夜静山更响”;还有于鹄的《送宫人入道归山》诗中的“定知别后宫中伴,应听维山半夜钟”;白居易也写到“新秋松影下,半夜钟声后”;温庭筠有“悠然旅思频回首,无复松山半夜钟”;陈羽有“隔水悠扬午夜钟”。 读着这许多诗句,我们可以想象,那悠扬的夜半钟声,可以从山上传到客船,可以隔河传到彼岸,传的既美丽又悠远。有时,那悠扬的钟声甚至可以隔着一座山传到诗人的耳中,皇甫冉在《秋夜宿严维宅》中就写到 “秋水临水月,夜半隔山钟。”

唐诗中不仅有这么多的诗写到夜里的钟声,还有写到夜间的笛声、琴声。如于鹄的 “更深何处人吹笛,疑是孤吟寒水中”;白居易的“江上何人夜吹笛?声声似忆故园春”;皇甫冉也有“邻笛哀声急,城砧朔气催。芙蓉已委绝,谁复可为媒”。在白居易的另一首长篇名诗《琵琶行》中,用“秋索索”、“江浸月”等次交代季节后,他写道 “忽闻水上琵琶声”,然后 “寻声暗问弹者谁”,说明白居易同那位弹琵琶的人还是隔着一段距离的,所以需要“寻声暗问”,最后才得以“千呼万唤始出来,犹抱琵琶半遮面”。

唐诗中很少有人写白昼、正午的钟声、笛声、琴声。不是诗人们喜欢在夜里写钟声,也不是白天没有人敲钟,更不是说夜里太安静容易听到钟声,而是因为夜晚可以把遥远的乐声送到诗人的耳中,所以才有这么多的夜半钟声。假如有谁读到了正午的钟声,那恐怕是因为他身处寺中吧,即他离声源很近。

然而,温度对声波传播的影响对诗人创作的作用不仅仅是夜晚和白天的差别。从上面选取的诗句,我们发现这些诗句大多在寒冷的秋季夜晚。这也绝不是偶然。一年四季的气温变化也在一定程度上影响了诗人的创作。

中国的气候特点,秋天昼夜的温差大,所以在秋季的夜里折射的作用较明显。同样,夏天白天由于强烈的太阳辐射,使得地表的温度急剧上升到一个较大的值,与高空的低温形成强烈的反差,也能引起明显的折射作用。但是,秋天夜里的折射把远处的声音带到诗人的耳边,而夏天白天的折射则是把较近处的声音也带离了耳边,所以夏天,尤其是在白天,常常有一种安静无声的感觉。夏日午后的安静是人人都有所体验的。这种安静的味道在诗人的笔下充满了诗意。

白天声音向上折射

“绿阴生昼静,孤花表春余”,零星的“孤花”,表明春天到了尽头,就是春末夏初的时节,在绿荫下感受到了白天的安静。宋代的曾几在《三衢道中》中有 “水晶帘动微风起,满架蔷薇一院香”,很少人写菊花之香,却有很多人写夏花之香,因为夏天分子热运动剧烈,香气常会四处扩散,当然,也只有在夏日的安静里,才能把微风的感觉写的如此透彻。再有杜牧的“静拂琴床席,香开酒库门”,就只闻酒香不闻声了。“蝉鸣林愈静,鸟鸣山更幽”,夏日林静得就只听见蝉鸣了。读诗句,往往可以感受夏日的宁静。“泉眼无声惜细流,树荫照水弄轻柔。小荷才入尖尖角,早有蜻蜓立上头。”只有在夏日的宁静中,才能听到泉眼无声,才能看到尖尖角,才能感受到小小的蜻蜓立上头,才能有宋代杨万里的这首《小池》。

夏天的夜晚是丰富的,到处充满着各种各样的虫鸣鸟叫。所以自然也有描写夏天夜晚的声音的诗句,但是,与秋天夜里的声音不同的是,夏天写的常是自然的声音,也是近处的声音,如蛙声、蝈蝈声等。写在春天,冬天的有关声音的诗,由于温差相对较小,所以折射现象的影响不是那么明显。

由于声音的折射现象与大气的温度密切相关。温度的昼夜及季节性的变化让诗人创作的有关声音的作品呈现出一定的规律。声波传播的折射现象在诗歌中的间接体现,不仅让人感受到物理的无处不在以及对人们生活与情感体验的息息相关,也让人感到诗歌这种高度艺术化的文学手段也有着它的物理情结。

“雷声千嶂落,雨色万峰来”,这是描写雷雨的经典诗句,其中包含的声学知识也是耐人寻味的。雷雨前的闪电只是一瞬间的事,而一次闪电之后,往往是雷声,要持续好一段时间,这便是诗人笔下的“千嶂落”。“十分潋滟金尊凸,千杖敲铿羯鼓催。唤起谪仙泉洒面,倒倾鲛室泻琼瑰”,也用到了“千杖敲铿羯鼓催”来表现雷声的这种隆隆不绝。

从物理学的角度看待“千嶂落”,它是声波传播的折射与反射共同作用的结果。

大气温度随高度的变化

大气温度在对流层随高度的增加而减小,在平流层则是随高度的增加而增大,在更高的大气中间层有随高度的增加而减小。因此在平流层与对流层之间存在着一个温度随高度的局部极小值,也是声速的极小值。在声速极小的这个高度,由于折射的作用,无论怎样,声音的传播方向都会向这个高度的水平线偏折。同时,在平流层与中间层间又存在着一个温度局部极大值,也是声速的极大值,当声音传播接近这个高度时,有一部分会折射返回声波来的那一侧,犹如波的反射。

除了声波传播速度的沿高度变化之外,夏天雷雨前的大风以及富含水蒸汽的云层使得声速也沿着水平变化。可见夏天雷雨前的声速变化是相当复杂的,所以打雷时,在高层大气的反射所用下,又在低层大气的折射下,雷声可以几次传入我们的耳朵,而这些雷声的相互重叠,让我们感觉雷声是不间断的“隆隆不绝”,过“千嶂”后方才“落”下。

从诗人笔下对雷声的描写的物理解释,我们感受到尽管诗人是最富文采与想象力的文学家,尽管诗人的文采驰骋五湖四海,想象力飞跃十万八千里,却也飞不出物理这个如来佛的手掌心。诗歌,无论从内容或形式上,都与声音有着极其密切的关系。一首违背了声波传播的基本规律的诗,无论它如何的精彩,也站不住脚,不被人接受的糟糠之作,而无法成为经典被世人所传诵。

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