音乐之美——音乐与数学的关系 - 草稿

 

          今日小寒,唐代诗人元稹有诗曰:

      小寒连大吕,欢鹊垒新巢。

      拾食寻河曲,衔紫绕树梢。

      霜鹰近北首,雊雉隐丛茅。

      莫怪严凝切,春冬正月交。


“小寒连大吕”,黄钟大吕这个成语很多朋友可能听过,本意上说,这是指的古代音律中的十二律,语出自《周礼》。黄钟和大吕分别是阳律和阴律的第一律。同时呢,古人也分别用这十二律指代历法中的十二个月份,黄钟对应子月,也就是农历的十一月,大吕对应丑月即十二月。小寒这个节气在农历中一般是在十一月末或十二月初,这也就是诗中“小寒连大吕”的含义。

  中国传统音乐中的乐律,是以三分损益法所得出的,其所得出的十二个音(十二律),虽然彼此间五度及四度音的相对关系是正确的,但在八度之中各半音的音高位置则并非是等距的,因此不利于音乐的转调。

        这个问题,同样存在于“五度相生律”中。为了调节这个问题,我们需要一个能够让半音音高位置变为等距的,新的定调法!

        直到明代

朱载堉在《律吕精义》、《乐律全书》中发表的新法密率(即十二平均律),以复杂的数学计算及乐器的实际实验,在世界上最先算出以比率,精确到小数点后25位数,将八度音等分为十二律,且实际制造出相应的律管及弦乐器,在1581年即提出这个概念,比比利时数学家兼军事工程师西蒙·斯特芬在西方音乐史上提出类似理论还要早,此外斯特芬并未发表其论文,而且斯芬特的计算错误累累,未能算出正确的比率1.059463。直到1638年法国科学家马兰·梅森出版《和谐音概论,西方世界才第一次出现1.059463 这个数字,比朱载堉晚了数十年。

     

这里不得不夸一下古中国强大的算术工具——算盘。我猜,正是因为这个特殊的工具的存在,朱载堉才能够计算出小数点后25位的精度。这里要特别介绍一下“二分法”这个方法(来源:维基百科):

好难,我这个学渣看不懂

    朱载堉用了一个81位的双排算盘,把这事给搞定了,并且算到了小数点后20位!

朱载堉用的超级算盘


遗憾的是这项发明没有被大家发扬光大,而被埋没到历史沉淀中。

        西方人提出“十二平均律”后,开始在音乐界流传并广泛应用。十二平均律的创立,解决了困扰中西方2000多年的“非平均律不能随意转调”的问题。

    在我们的民族乐器中,琵琶、阮、柳琴、冬不拉等所有有品的乐器都在使用“十二平均律”。

      这样设计的好处是:任意歌曲旋律,升高或降低1个或多个音(即转调)后,各音相互间隔关系仍旧符合原来旋律,听觉上除了调的变化,效果跟原来旋律是一样的。

    “平均”是为了方便转调,那么“十二”又是什么原因?

这个可以说是历史的必然,原因跟人类听觉的特点有关。古代中国和西方,在研究音律的实践中,遵循前面说到的人类听觉的3个特点,以一个基准音为起点,反复使用所谓“三分损益法”、“五五相生法”等方法,实际上就是寻找小整数比的和谐音,找到一个又一个“新”的音,再从低到高组成音阶。

上述方法循环往复一定次数后,会发现生成的音是基准音的2倍频或半频,相当于跨越了一个八度。巧妙的是,在一个八度内,生成的音正好是12个(包括起始音,不包括高八度音)!读者如果不信,可以自己尝试计算一下。

可能有人不服气:我偏不按12份分是否可以?当然也可以,其实有人试过,甚至划分了200多份的也有。但是划分粗了,音不够多,音乐表现力差;划分细了,音太多,耳朵都区分不出来。关键问题是偏离小整数比太大,比如等比划成11份或13份,声音就不和谐悦耳,甚至会让人难受煎熬。

      数学的基础设定,用毕达哥拉斯的话来说,就是“万物皆数”。所有的一切都可以被量化表达,就是数学的假设。所有的数学逻辑演绎,最后都要回归到最初的基础设定,达成所谓的“自洽”。

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