青铜编钟的科技考古学探微
引言
老子云：“大音希声。”然而这只是一种哲学范畴的意境。设若一切至大至美之音皆以无声少音为终极，那么世上何谈“音乐”二字？在上古的中国，更是以“黄钟大吕”作为追求的音乐至境！
说到“黄钟大吕”，自然而然要提到奏出音乐来的媒介物—乐器。
而说到古老的中国乐器，就不得不要言及青铜乐器，而其中又以青铜编钟格外受人瞩目。
青铜编钟的发展史概略
（一）起源期（西周以前<公元前1046年之前>）
现在一般认为，原始时代已有钟的雏形，材质为竹、木之类。而考古发现证明，最原始的钟是陶制的，[1]其最重要的特点在于具有腔体模截面且呈非正圆的形状。而青铜编钟真正的滥觞则是二里头遗址出土的铜铃(约公元前2100年)，[2]因其有“合瓦形”结构，符合中国式编钟的基本特征。而真正意义上的青铜编钟是在江西新干的大洋洲商墓中被发现的最早的鎛钟，[3]但当时尚未盛行。
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图一，二里头出土铜铃
兴盛期（西周至战国<公元前1046年—公元前221年>）
当鎛作为青铜编钟的三种形制之一（另外二种是甬钟和钮钟）开始盛行时，已是春秋战国时期。[4]考古发现，陕西眉县出土的3枚鎛属西周中期，[5]为迄今所知比较完备的一套编鎛。最早的甬钟出自陕西宝鸡伯格墓，学界有“南来”、“北来”、“南北交流”几种说法，而以“南来说”最具说服力。成型后的甬钟以其特殊的结构而常悬挂，侧悬或直悬。如此有利于甬钟的编列使用。[6]晋侯稣编钟大约作于周厉王时期，展示了西周甬钟的发展演变历程。[7]最早的钮钟是河南陕县虢太子墓出土的9枚一组，属西周末至春秋初。[8]
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图二，江西新干大洋洲商墓出土鎛钟
最蔚为壮观的一套青铜编钟，是1978年在湖北随县曾侯乙墓出土的战国早期编钟，全套编钟共计65枚，其中甬钟45枚，钮钟19枚，另有楚王赠送的鎛1枚。[9]是迄今声律最为齐备，铸造最为精良的青铜编钟。每个钟可发两个乐音。[10]
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图三，湖北随县出土曾侯乙编钟
这一时期是编钟从定型成熟到盛行的黄金时期，名副其实的兴盛期。
衰落期（秦汉至清<公元前221年—公元1911年>）
孔子曾云：“克己复礼”。从某种程度上说明到春秋时期，周礼已多少受到些许破坏。而至战国末期，则真的是礼崩乐坏了。这一时期贵族僭越礼乐制度，既使得青铜编钟得到大发展，又为其盛极而衰埋下伏笔。[11]
秦汉时代，周朝以来的礼乐制度彻底崩溃，编钟发展的兴盛期结束，双音钟制作随之失传。[12]
其后各朝代虽有想恢复周礼古制，如制造雅乐用的钟、鎛等，但均不能与先秦时代青铜编钟同日可语。如清代制作的编钟没有一套是合律的。[13]由此可见青铜编钟的衰落何其甚也！
青铜编钟的声学原理
若干年前，沪上的电视台举办家庭演唱赛，最后获得冠军的家庭采用了别具一格的伴奏形式----碗琴。碗琴的音调高低和加水的多少有关，在碗里加上不同量的水，碗里剩下的空气的量也就不同，[14]如此，即可敲击出不同的声音，并且有音阶变化，产生出美妙的乐声。同理，编钟也是采用了类似的声学原理，只是材质、制造技术不同罢了。
青铜编钟的声学原理无疑要比碗琴复杂得多。归结起来，主要有三：1、钟体结构的特殊性。
由于编钟具有合瓦形的结构，其发音机制就是弯曲板的板振动，能够产生两种基频振动的模式，使一钟双音成为可能。[15]宋沈括曾云：“古乐钟皆圆如合瓦。盖钟圆则声长，扁则声短，声短则节，声长则曲。”可认为是对编钟合瓦形特殊结构的肯定。[16]
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图四，甬钟各部位名称说明图
2、钟体各部位几何尺度的特殊性。
编钟钟体的尺寸与声学性质密切相关。可通过调整铣长及钟体厚度改变编钟的振动频率。[17]以曾侯乙编钟为例，它的定音钟频率经实测为256.4Hz，与当今钢琴上的中央C频率接近。[18]
3、钟的合金成份的特殊性。
编钟的合金成份在先秦的《考工记》中略有记载：“六分其金（即铜），而锡居一”。[19]以曾侯乙编钟为例，含锡量在12%-14.5%。含铅量在1%-3%，余为铜及少量杂质。含锡量低于13%时，音色单调、尖刻；含锡量在13%-16%时，音色丰满、悦耳。是否加铅直接影响到钟声的传递，铅能很好地起到阻尼作用，加快钟声的衰减，有利演奏，又不影响音色。[20]
青铜编钟的铸造技术
上节中已提到青铜编钟的合金成份与发音相关。而正确的合金配比就是编钟铸造技术成功的关键之一。如上所述《考工记》载：“金有六齐，六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐。”[21]含锡量在七分之一，即14.3%，可见当时铸造技术已经比较规范了。另外，我国各地出土的青铜编钟均采用分范合铸法铸造。[22]现代科学鉴定表明，以曾侯乙墓出土的各种青铜器物为例，其制作工艺大致有浑铸、分铸、锡焊、铜焊、雕刻、镶嵌、铆接、熔模等铸造技术。[23]
青铜编钟的理化分析与测年方法
理化分析
根据陈铁梅《科技考古学》一书第五章《冶金考古概述》所述，对于青铜编钟之类金属遗物进行自然科学方法研究的手段主要有四种，试简略转述如下：
化学组成测量；
化学组成测量，在20世纪中叶以前，都采用传统的湿化学定量分析方法。随着分析仪器的进步，目前比较常用的仪器分析有：原子发射光谱仪（AES）；
原子吸收光谱仪（AAS）；
X荧光光谱仪（XRF）；
电子探针（EPMA）；
电感耦合等离子质谱（ICP-MS）和中子活化分析（INAA）。[24]
显微结构观察；
青铜制品的机械性能则是由其合金内部的显微结构决定的，观察、研究的仪器主要有：
实体显微镜；
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图五，实体显微镜
光学金相显微镜；
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图六，光学金相显微镜
电子显微镜。[25]
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图七，电子显微镜
物相分析；
利用青铜制品表面产生的锈蚀产物进行矿相分析，主要方法有：
X射线衍射谱仪（XRD）；
红外吸收光谱仪（IRAS）和傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）；
激光拉曼光谱仪。[26]
铅同位素分析。
测量铅同位素比值的仪器主要是质谱仪。[27]
测年方法
由于青铜器的特殊性质决定了其测年是十分困难的。包括青铜编钟的测年目前也只能通过间接法测得，比如个别青铜编钟上可能残留有黏土质或砂质的铸造模具，由此可采用热释光测年，测得青铜的制作年代。[28]
目前，许多研究单位在对青铜器具做直接测年的研究，我们有理由乐观地认为，在不久的将来，编钟等青铜制品一定会能够实现直接测年的可能。
计算机及数学在青铜编钟考古中的应用
如今，计算机的应用可谓方兴未艾，仅以青铜编钟为例，其在考古上的应用就很广泛，有发掘的计算机模拟与登记；绘图中的计算机技术；问题的计算机模拟；信息的计算机管理等等。[29]比如湖北省博物馆2007年在对馆藏编钟的修复过程中，就曾将编钟原音收集到计算机中，恢复原音成为青铜编钟修复的一个新标准。[30]
另外，数学在考古中的应用也比较常见，如：考古中的数学模型；数理统计在考古中的应用；模糊数学在考古中的应用；系统论在考古中的应用。[31]
结语
时至2017年，人类的新兴科技层出不穷。如今，人工智能已然战胜了人类的围棋高手。AR、VR等等技术不断更新。3D技术日趋成熟，谁说未来不能用3D技术修复或复制出青铜编钟呢？如前所述，实现编钟等青铜制品的直接测年日益成为可能。可以预测：各种新技术必然会应用于青铜编钟的考古中，人类会理性地应用各种新技术，解开我们的祖先许多难解的智慧之谜，造福于今人和后人。也许，这就是我以青铜编钟为例对科技考古学的意义进行些许探讨的目的所在。
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[20]同[15]，P597
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[22]同[2],P18
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[24]陈铁梅，科技考古学[M]，北京：北京大学出版社，（2008），P111-114
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[26]同[24]，P121-125
[27]同[24]，P126-139
[28]同[24]，P126
[29]潘春旭，科学技术在考古中的应用—文物的理化分析PPT-5[EB]，P57
[30]胡家喜等，青铜编钟修复中的矫形定位装置及其使用[J]，文物修复与研究，2009（00），P1
[31]同[29]，P58
文中图片均来自互联网。
