一、声学基础:长度与音高的物理关系
弦长定律
- 弦振动频率(音高)与弦长成反比:弦长减半,频率翻倍(升高八度)。
- 例:若基准音A对应弦长L,则高八度A'需弦长L/2。
管长定律
- 气柱振动频率与管长成反比,但需修正开口效应(管口校正)。
- 古代通过经验公式(如"管长三分损一")调整实际长度。
二、律尺的核心算法:三分损益法
中国古代采用三分损益法(五度相生律)计算音程,以特定尺长实现精确分割:
黄钟基准
- 以律尺设定标准音"黄钟"的弦长/管长(如9寸)。
- 《吕氏春秋》载:"黄钟之宫,长九寸"。
三分损益操作
- "损"(减1/3):弦长×2/3 → 升高纯五度(如黄钟→林钟)。
- "益"(加1/3):弦长×4/3 → 降低纯四度(如林钟→太簇)。
- 循环12次生成十二律吕(半音不平均)。
计算示例(以黄钟9寸起算):
- 林钟 = 9 × 2/3 = 6寸
- 太簇 = 6 × 4/3 = 8寸
三、律尺的物理实现
弦乐器定音
- 用律尺测量琴弦有效长度,按比例截取获得指定音高。
- 曾侯乙编钟铭文显示其音律体系完全基于三分损益法。
管乐器校正
- 律管需结合管径与开口效应:
- 晋代荀勖发现"管口校正数",制定笛律(如黄钟管长9寸-0.5寸校正值)。
- 明代朱载堉精确计算内径与长度关系。
度量衡统一
- 历代以累黍定尺(如黄钟管容1200粒黍为基准),确保音高稳定性。
- 《汉书·律历志》:"以子谷秬黍中者……为黄钟之长"。
四、历史实践与演变
- 先秦:采用"钟律"体系,曾侯乙编钟铭文佐证十二律计算。
- 汉代:京房发现三分损益法无法完美循环,创"六十律"。
- 明代:朱载堉发明十二平均律(√2等比数列),精确到尺长1.059倍递变。
五、文化意义
律尺将抽象音高转化为可视长度,融合数学、物理与礼乐文化:
- 《史记》:"六律为万事根本"
- 律尺作为度量衡标准,连接音律、天文与历法(如"律历合一"思想)。
结论:古代通过律尺的精确长度分割,将三分损益法的数学比例转化为乐器物理尺寸,实现音高标准化。这一体系体现了声学规律与人文智慧的融合,成为东方音乐理论的核心基础。