【音乐畅谈】音乐中的数学(二)

　　这表明对于同一根弦（材质、粗细相同）频率与弦的长度成反比，一对八度音的频率之比等于2∶1。

　　现在我们可以描述音与音之间的高度差了：假定一根空弦发出的音是do，则二分之一长度的弦发出高八度的do；8/9长度的弦发出re，64/81长度的弦发出mi，3/4长度的弦发出fa，2/3长度的弦发出so，16/27长度的弦发出la，128/243长度的弦发出si等等类推。例如高八度的so应由2/3长度的弦的一半就是1/3长度的弦发出。

　　为了方便将c音的频率算作一个单位，高八度的c音的频率就是两个单位，而re音的频率是9/8个单位，将音名与各自的频率列成下表：

　　表一：

　　音名CDEFGABC

　　频率19/881/644/33/227/16243/1282

　　二

　　知道了do,re,mi,fa,so,la,si的数字关系之后，新的问题是为什么要用具有这些频率的音来构成音阶？实际上首先更应回答的问题是为什么要用7个音来构成音阶？

　　这可是一个千古之谜，由于无法从逝去的历史进行考证，古今中外便有形形色色的推断、臆测，例如西方文化的一种说法基于“7”这个数字的神秘色彩，认为运行于天穹的7大行星（这是在只知道有7个行星的年代）发出不同的声音组成音阶。我们将从数学上揭开谜底。

　　我们用不同的音组合成曲调，当然要考虑这些音放在一起是不是很和谐，前面已谈到八度音是在听觉和谐效果上关系最密切的音，但是仅用八度音不能构成动听的曲调——至少它们太少了，例如在音乐频率范围内c1与c1的八度音只有如下的8个：C2（16.35赫兹）、C1（32.7赫兹）、C（65.4赫兹）、c（130.8赫兹）、c1（261.6赫兹）、c2（523.2赫兹）、c3（1046.4赫兹）、c4（2092.8赫兹），对于人声就只有C、c、c1、c2这4个音了。

　　为了产生新的和谐音，回顾一下前面说的一对八度音和谐的理由是近似于共鸣。数学理论告诉我们：每个音都可分解为由一次谐波与一系列整数倍频率谐波的叠加。仍然假定c的频率是1，那么它分解为频率为1，2，4，8，…的谐波的叠加，高八度的c音的频率是2，它分解为频率为2，4，8，16，…的谐波的叠加，这两列谐波的频率几乎相同，这是一对八度音近似于共鸣的数学解释。由此可推出一个原理：两音的频率比若是简单的整数关系则两音具有和谐的关系，因为每个音都可分解为由一次谐波与一系列整数倍谐波的叠加，两音的频率比愈是简单的整数关系意味着对应的两个谐波列含有相同频率的谐波愈多。

　　次于2∶1的简单整数比是3∶2。试一试，一根空弦发出的音（假定是表1的C，且作为do）与2/3长度的弦发出的音无论先后奏出或同时奏出其效果都很和谐。可以推想当古人发现这一现象时一定非常兴奋，事实上我们比古人更有理由兴奋，因为我们明白了其中的数学道理。接下来，奏出3/2长度弦发出的音也是和谐的。它的频率是C频率的2/3，已经低于C音的频率，为了便于在八度内考察，用它的高八度音即频率是C的4/3的音代替。很显然我们已经得到了表1中的G（so）与F（fa）。

　　问题是我们并不能这样一直做下去，否则得到的将是无数多音而不是7个音！