古戏台陶瓮的声学技术范文

《自然科学史研究杂志》2014年第一期

1龙天庙古戏台的建造年代及陶瓮设置

重修天□庙碑记刻于“大清道光十二年七月初六日”(1832)，其中之“□”字，是个辨认不清的字。碑刻久远，抑或为“龙”字。今日坊间称为“龙天庙”，昔日称为“天龙庙”也未可知。碑文记道:酬神之愿，里俗相沿，报赛之文，播诸歌乐。是盖为功于一日，利赖于当时，而令后世享自然之福者，皆前民之惠我于无穷也。馈献之无术，其何以将乃心而答神贶乎?世敬龙天，乃后稷之神，教民稼穑之祖也。村人建庙，崇奉祭祀，其来已久。正殿居其北，两廊腋于东西，而面南则乐楼獉獉獉獉獉也。阅世以来，屡有修葺。庚寅之岁獉獉獉獉，忽遭地震之灾，将乐楼西南角倾陷。里人等不忍坐视，次年之春獉獉獉獉，合村化募，各捐己资，补偏救敝，不半载而焕然复新。是非人之力、匠之工，而实则神之德也。功成勒石，聊稽其始末而为之记。这幅碑刻记载了龙天庙修建的缘由、龙天庙正殿与乐楼的相对位置以及重修乐楼的时间和原因。碑文中指出道光庚寅年(道光十年，1830)，龙天庙所在的汾州府遭遇地震，乐楼被毁坏，当地村民在次年，即道光辛卯年(道光十一年，1831)，集资重修乐楼。“归消社债碑记”刻于“大清光绪十九年岁次癸巳九月”(1893)，碑中记道:至于咸丰间獉獉獉(1851～1861)，改建乐楼獉獉獉獉，工巨费繁，未及告竣而积债数千。兴工社首既而辞社，致索债者与社成讼，数年不决。直至同治四年獉獉獉獉獉獉(1865)，县主吴公莅任，讯断始明，将所借任常福钱壹千吊，饬社中止利归本，于每年起摊，后渐为补偿。王、宋二公，自同治九年獉獉獉獉公举办社(1870)……以至光绪十二三年獉獉獉獉獉獉(1886)，乃将零债消清。惟任姓名下，归还未讫。客岁之冬獉獉獉獉(1892)，常福业已物故，其子廷銮意欲全收讫。……至此，则数千债害消归乌有。这一幅碑文，叙述了龙天庙所在乡社历时约40年，终于在光绪十八年(1892)偿还清咸丰年间(1851～1861)改建龙天庙乐楼等建筑所积债务的诉讼。时代最近的一幅碑文为“举修大殿碑记”，它刻于“中华民国十八年十一月”(1929)。碑文中记道:甚矣，名分有尊卑之别，位置定高下之宜，人事且然，而况将乃心以奉神明也哉?……其重修乐楼，则前清咸丰年间獉獉獉獉獉獉(1851～1861)，村中领袖任厥事焉，大增式廓獉獉獉獉，比旧制洵属美观。然瞻前仰后，令人回首正殿，兴味索然。何也?尊卑高下之体制，不无缺陷。冠履倒置，岂其然乎?里人等久有举修之愿，……议定今春(1929)择吉开工，届麦秋而修筑告竣。秋后，又复庄严神像，髤饰栋梁，巍然焕然，不半载而气象一新。这一段碑文记述了咸丰年间对龙天庙乐楼“大增式廓”，改建后的乐楼与原来的乐楼相比显得“洵属美观”。相比之下，正殿却显得“兴味索然”。在此情形下，当地村社重修了大殿。由以上三幅碑文可知，龙天庙为道光十年(1830)以前的古建筑，其时已有“乐楼”。因地震毁坏，道光十一年(1831)重修乐楼。咸丰年间(1851～1861)又改建乐楼，此次改建花费颇多。光绪十九年(1893)又对乐楼进行过修葺。从戏台名称的演变和戏台与正殿的相对位置，可以推断碑文中的乐楼即本文所指的戏台。戏台和乐楼是戏剧表演场所在不同时代的不同称谓。宋元时期多称“舞厅”，明代多称“乐楼”，清代称谓多样化，有“乐舞台”、“舞楼”、“乐楼”、“戏台”等［5］。“重修天□庙碑记”所记“正殿居其北，两廊腋于东西，而面南则乐楼也”中，此处所指“正殿居其北”、“面南则乐楼”①说明乐楼位于正殿的对面。龙天庙古戏台的陶瓮镶嵌在古戏台表演区的山墙两侧。如图3所示，这些方形小孔距离戏台台面20层砖高，约1.4米。从右到左，也就是从戏台台口到侧门，7个方形小孔之间的距离依次约为1、1.5、2、1、2、1.5、2、1个砖长，约为30、45、60、30、60、45、60、30厘米。每个方形小孔均放置一个陶瓮。从图4方形小孔可清楚看出，孔内陶瓮水平放置。单个陶瓮安放纵剖面图，如图5所示。戏台拆除时，在山墙两侧的14个小孔中共拆出14个陶瓮。每侧7个陶瓮，按容积大小分为三种，容积较大的陶瓮1个(以下称大陶瓮)，容积较小的陶瓮1个(以下称小陶瓮)，容积中等的陶瓮5个(以下称中陶瓮)。14个陶瓮中，1个中陶瓮和1个小陶瓮，瓮底已缺，损毁较为严重。另外，还有1个小陶瓮，瓮口部分有缺损。其余11个陶瓮保存几近完好。14个陶瓮尺寸见表1。从外形上看，14个陶瓮都是腹大口小颈短。从做工上看，它们虽然制作粗糙，但内外施釉，内表面光滑，外表面釉呈墨绿色，部分陶瓮外表面有纵向粗条纹(图6)。除损毁严重的2个陶瓮外，其余12个陶瓮均能进行声学测量，其声学功能保留比较完好。

2龙天庙陶瓮的声学测量和分析

为了模拟陶瓮的实际效果，我们将测量地点选在原址附近的露天空地上。测量时，室外气温为20度。我们采用瑞士NTiAudioAG公司生产的MiniratorMR-PRO模拟信号发生器、M4260测量麦克风以及XL2音频与声学分析仪分别作为信号发生、声音测量和音频分析工具。由于陶瓮常年在外风吹日晒，里面产生了大量污垢。为保证测量结果的科学性，测量前我们对被测陶瓮进行了清洗、晾晒处理。整个测量过程分两个阶段进行:第一阶段，测量单个陶瓮的固有频率;第二阶段，测量多个陶瓮不同组合时的声学特性。测量的第一阶段，我们分别选取声学功能完整，容积不等的大、中、小三个陶瓮(大中陶翁完好，小陶瓮瓮口有破损)作为测量对象。测量的第二阶段分两步进行:第一步，将两个容积相同的陶瓮瓮口相对分别放置，测量其声学特性;第二步，将七个陶瓮并列放置，测量其声学特性。

2.1单个陶瓮固有频率的测量我们对大、中、小三种不同容积的陶瓮分别进行测量，通过对同一声场环境中放置陶瓮和不放置陶瓮两种不同测量结果比较，求得陶瓮固有频率。测量时，音源距离陶瓮4.5米，麦克风与陶瓮相距0.2米，整个测量过程音源位置和声音测量麦克的位置固定不变。每种测量我们都重复三次，测量结果取其均值。整个扫描过程分三轮进行。第一轮测量时，我们先对大、中、小三种不同容积的陶瓮进行20Hz～20kHz的全频段扫频，信号发生器发出滑频信号，历时90秒，电平为2V。测量结果与不放置陶瓮时的扫频结果进行对比，结果显示，三种陶瓮在80Hz～300Hz之间出现明显的共振峰值。第二轮测量时，我们仅对扫频的频段进行调整，将其锁定在80Hz～300Hz，其他量测指标均未调整。第二轮的测量结果显示，大容积的陶瓮在90Hz～100Hz频段出现共振峰值，中等容积的陶瓮在150Hz～160Hz附近出现共振峰值，小容积的陶瓮在170Hz～180Hz附近出现共振峰值。第三轮测量时，我们分别调整了对三种容积不同的陶瓮的扫频信号。大陶瓮的扫频信号调整为80Hz～100Hz，中等和小陶瓮的扫频信号调整为125Hz～200Hz，其余测量指标均与第一次保持一致。测量结果分别见图7、图8和图9。从图7可以看出:在同一声场环境中，当信号发生器发出80.24Hz的纯频信号时，大陶瓮的声压级值同不放置陶瓮时的声压级值非常接近。随着扫频信号频率的不断升高，二者之间的差距在89.03Hz时，声压级开始拉大，在96.36Hz时二者之间的声压级差达到最大值，放置陶瓮时的声压级值高出不放置陶瓮时的声压级值17.5dB。96.36Hz之后，二者之间的差距又开始缩小。在100Hz时，两者声压级值的差又几乎为零。这说明声音在87Hz～100Hz频段时，可以使大容积的陶瓮发生共振。同时说明，大陶瓮在96.36Hz时振幅达到最大值，其固有频率为96.36Hz。从图8可以看出:在同一声场环境中，当信号发生器发出128.58Hz的纯频信号时，中等陶瓮的声压级值同不放置陶瓮时的声压级值非常接近。随着扫频信号频率的不断升高，二者之间的差距在138.84Hz时声压级开始拉大，在157.88Hz时二者之间的声压级差达到最大值，放置陶瓮时的声压级值高出不放置陶瓮时的声压级值15.4dB。173.99Hz之后，两者声压级差相差缩小。这说明声音在138Hz～174Hz频段时，可以使中等容积的陶瓮发生共振。同时说明，中等陶瓮在157.88Hz时振幅达到最大值，其固有频率为157.88Hz。从图9可以看出:在同一声场环境中，当信号发生器发出128.58Hz的纯频信号时，小陶瓮的声压级值同不放置陶瓮时的声压级值非常接近。随着扫频信号频率的不断升高，二者之间的差距在172.53Hz时声压级开始拉大，在185.71Hz时二者之间的声压级差达到最大值，放置陶瓮时的声压级值高出不放置陶瓮时的声压级值7.3dB。195.96Hz之后，二者之间的差距又开始缩小。这说明声音在127.12Hz～194Hz频段时，可以使小容积的陶瓮发生共振。同时说明，大陶瓮在185.71H时振幅达到最大值，其固有频率为185.71H。

2.2多个陶瓮不同组合的声学测量本次测量，通过将同一声场环境中放置陶瓮和不放置陶瓮两种不同的测量结果进行对比，从而求得陶瓮的声学特性。测量过程分两步，第一步我们模拟两个容积相同的陶瓮瓮口相对分别放置时的声学特性。文中仅以两个大陶瓮瓮口相对的测量为例进行测量。测量时，大陶瓮瓮口距离地面高度为1.5米，瓮口相对距离为8米，麦克风置于两瓮口中间。我们先对两个大陶瓮进行40Hz～1000Hz的扫频，扫频结果显示在100Hz附近有共振峰值，为了得到精确测量数据，我们又从85Hz～125Hz对这两个容积最大陶瓮扫频，扫频时间为90秒，测量结果见图10。由图10可知，当扫频信号在90.5Hz～100.75Hz频段时，两个大陶瓮可以产生共振，在97.82Hz振幅达到最大值。这次测量比单个陶瓮的固有频率略高1.46Hz。第二步，我们实地模拟测量戏台山墙一侧7个陶瓮并列放置时的声学特性①。瓮口距离模拟在戏台山墙上实地摆放时的距离，约为30cm～60cm，瓮口距离地面高度约1.5米，麦克风置于瓮口前4米。根据之前的测量结果，我们选取了50Hz～215Hz的频段对7个陶瓮进行扫频，扫频时间为90秒。测量结果见图11。从图11可以看出，扫频信号在96.36Hz～97.82Hz、157.88Hz～160.81Hz、181.32Hz～185.71Hz频段都有明显峰值，在50.95Hz～74.38Hz、112.47Hz～137.37Hz、143.23Hz～144.7Hz、149.09Hz～153.48Hz、168.13Hz～172.53Hz、188.64Hz～194.5Hz、203.29Hz～209.15Hz，频段之间也有明显峰值，尤其是50.95Hz～74.38Hz频段的峰值特别明显，声压级相差较大。测量结果显示:陶瓮成对、成组放置时，作为一组共鸣器，其声学特征不是单个陶瓮声学特性的简单相加，而是大于其简单的叠加，会出现许多新的耦合峰值。通过对单个陶瓮固有频率的测量，可以看出大、中、小三种容积不同的陶瓮有不同的固有频率，能分别对不同频段的声音产生共振，说明龙天庙古戏台的“设瓮”可以起到“助声”的作用。通过对多个陶瓮不同组合的声学测量结果分析，首先，我们将瓮口相对的两个陶瓮和单个陶瓮的频率响应曲线进行对比，发现频响曲线走向一致，在大陶瓮的固有频率处出现峰值，振幅最大，细微之处略有不同，再次说明了陶瓮在固有频率处能产生共振，可以“助声”。多个陶瓮单排组合的测量结果，说明了陶瓮的数量和排列方式会影响到戏台的声强。单个大陶瓮和两个大陶瓮瓮口对置时测量结果比较见图12。

3龙天庙古戏台陶瓮声学测量的结论分析

从以上测量结果还可看出多个陶瓮单排出现了许多耦合峰值，对比单个陶瓮与两个陶瓮瓮口相对的测量结果，可以推测多个陶瓮双排且瓮口相对时也会出现很多耦合峰值。下面我们主要从陶瓮的容积和瓮口的尺寸、陶瓮的摆放位置、陶瓮的数量等几个方面分析陶瓮对龙天庙古戏台声场的影响。

3.1陶瓮的容积和瓮口的直径决定了其固有频率，龙天庙三种不同容积的陶瓮对应三个成一定音程关系的音高，说明“陶瓮”的形状和大小是精心选定的陶瓮的固有频率由陶瓮容积和瓮口尺寸决定，每一个频率又对应一个音高。表2是实测陶瓮的容积、陶瓮的固有频率，以及频率与音高的对应表。表中“对应音高的标准频率”以440Hz为标准音高，按照十二平均律取值。157.88Hz，对应音高为小字组升d音。小陶瓮对应频率为185.71Hz，但瓮口破损，测得的固有频率值会比陶瓮真实的固有频率高，我们猜测小陶瓮的固有频率在174Hz左右，对应音高应为小字组f音。图13亥姆霍兹共鸣器为什么瓮口破损，使得陶瓮的固有频率值会比陶瓮真实的固有频率高?陶瓮与亥姆霍兹共鸣器的形状相似(见图5与图13)，而亥姆霍兹共鸣器固有基频的计算公式为f也与陶瓮颈部(开口)的长度与颈部(开口)的直径d呈以上关系。这样当陶瓮瓮口损坏后，使得陶瓮颈部(开口)的直径d变小，同时容器颈部(开口)的长度l变小，因而，使陶瓮的固有频率增高。大陶瓮、中陶瓮的固有频率对应的音高分别为大字组G音和小字组升d音，音程关系为增五度(也可理解为小六度);中陶瓮、小陶瓮的固有频率对应的音高分别为小字组升d音和小字组f音，音程关系为减三度(也可理解为大二度);大陶瓮、小陶瓮的频率对应音高分别为大字组G音和小字组f音，音程关系为小七度。虽然陶瓮口径大小一致，内外施釉，但可以看出其制作工艺比较粗糙。如果考虑制作工艺以及测量误差，三种不同容积陶瓮的固有频率所对应的音高音程关系可能为G—d—f。这样，大陶瓮和中陶瓮的共振频率所对应音高为G、d音，呈纯五度音程关系;中陶瓮和小陶瓮的共振频率所对应音高为d、f音，呈小三度音程关系。这种音程关系是否设计者有意为之，我们不得而知。但从山西蒲州棒子的调式来看，这种音程关系同山西蒲州梆子的调式关系密切。山西蒲州梆子音乐唱腔为G调，闰音使用较多，结音归徵。［6］G调的徵音为D，可以使五个中陶瓮和大陶瓮产生共鸣;G调的宫音G可以使大陶瓮产生共鸣;G调的闰音F可以使小陶瓮产生共鸣。这样当戏台上唱蒲州梆子时，陶瓮可以产生放大戏台声音的效果。由于陶瓮制作不够精细，设计者还试图采用控制陶瓮容积、统一陶瓮瓮口直径、内部施釉等方法获得吸声量最低的反射面等方法，得到较为精准的陶瓮固有频率，使陶瓮尽可能地对戏台声音产生美化作用。

3.2龙天庙陶瓮的摆放位置是经过精心设计的龙天庙陶瓮的摆放位置对戏台声音的影响表现在如下几个方面:陶瓮镶嵌于戏台两侧的山墙上。通常来讲，传说和文献记载的“设瓮助声”中的陶瓮均置于戏台台板或台基底下。王季卿教授在《析古戏台下设瓮助声之谜》一文中指出由于类似于“亥姆霍兹共鸣器”的陶瓮对共振具有选择性，因此“设瓮助声”要起作用至少需要满足两个条件:一方面，要有一系列大小不同的瓮;另一方面，要在露天空旷之地，而且要距离较近［2］。龙天庙古戏台的陶瓮摆放位置正好满足这两个条件，一方面，它由三种容积不同的陶瓮组合而成，这一点本文已经做过论述;另一方面，它们镶嵌的位置在戏台表演区卷棚顶部分两侧的山墙上，而非戏台台板或台基底下。陶瓮居于龙天庙古戏台表演区部分两侧的山墙上，有利于戏台声波的传入与反射。龙天庙面阔三间，长10米，其中约6米宽的区域为演员表演区域，两侧各约2米宽的区域为伴奏乐队活动区域。演员和乐队作为激发声源，与陶瓮之间没有任何隔声设施;陶瓮镶嵌在距离台面约1.4米左右的两侧山墙上，这个高度恰好使乐器声源和演员声源在高度上近似相等。通常演员是站立演唱，口腔的高度距离台面约1.5米左右，距离陶瓮最远约5米。乐队通常坐在凳子上演奏，由于山西梆子文场伴奏乐器主要为“十一根弦”，武场伴奏乐器主要为锣、鼓等“打击乐器”，这些声源距离台面为0.7米左右，距离陶瓮比较近，约在1米左右。陶瓮距离戏台台面高度约1.4米，这个高度与距离较远的声源演员口腔的高度接近，为入射声波最佳入射角，有利于演唱的声波直射入陶瓮，保持声波入射强度。同时这个高度又能使距离较近的伴奏乐器演奏声波斜射入陶瓮，使其与距离较远演员演唱声波直射入陶瓮的角度大致平衡。龙天庙的14个陶瓮，分别镶嵌于表演区卷棚顶部分的两侧山墙上，且沿戏台中轴线成瓮口相对的排列方式，这样的数量和排放方式除在固有频率共振外，其在其他频率混响放大声音的效果是不可忽视的。

4结论

从龙天庙及其戏台的修建时间看，该戏台将陶瓮用作共鸣器以扩大声音的技术，晚则起源于咸丰年间(1851～1861)，或早在道光十一年(1831)，或在道光十年(1830)之前。具体时间尚难确定。在中国声学史上，以陶瓮作共鸣器由来已久。战国时期，墨家最早用作“地听器”，以识别远方来袭的军马。其后，历代军事家或用陶瓮，或用箭套，或用空心枕，以此造成地面声音传播的空穴效应［7］。宋元之际，勾栏瓦舍盛行于城镇，“舞厅”、“乐厅”或今称“戏台”、“戏楼”应用而起。据考察，在晋中南、西南地区，有分布极广的相关遗址、遗迹［8］。鉴于古琴声微，在公共表演中为使听众有所闻，从宋代起便在“琴室”或弹琴之处地下埋设陶瓮，以助乐声。此声学技术在宋代赵希鹄所著《洞天清录•古琴辩》中有所记载，而明代文人屠隆和文震亨等人肯定这一技术［9］。这些历史记载都属于在地下埋置陶瓮以扩大音响。明代姚广孝在洪武三十一年(1398)于燕王宫以陶瓮建造了隔声建筑，是为近代消声室的肇始［9］。声学家马大猷先生曾指出“用陶瓮在舞台下或墙壁上作共鸣器以扩大声音或对声音的吸收，则是历代常用的音质控制技术”［10］。除姚广孝的发明之外，龙天庙乐楼中的陶瓮是中国历史上迄今唯一发现的将陶瓮置于反射墙面的技术，它放大声音或利于听闻的效果，无疑比陶瓮置于地面要优越的多。这是中国舞台声学技术进步的标志之一。本文不否定陶瓮置于地面或戏台台面下扩大声音的可能。古琴的演奏方式及其本身的音色特点，置陶瓮于地下，不是不可取，问题在于《析古戏台下设瓮助声之谜》中提出的质疑，龙天庙戏台却对其一一做出了答疑。龙天庙戏台陶瓮的设计和建造者应当是吸取了历史上相关的建筑经验，吸取了明清时期晋中南和晋西南的戏台建筑技术，抑或受到明代姚广孝以陶瓮砌墙的技术的启发。因此，这一声学技术起于清道光十年(1830)之的龙天庙戏台古建筑中，亦不无可能。

作者：杨阳高策丁宏单位：山西大学科学技术史研究所山西大学音乐学院太原理工大学政法学院