天坛的声学奇迹

天坛的声学奇迹

坐落于北京东南部的天坛，是明、清两代皇帝每年祭天和祈祷五谷丰收的地方。它严谨的建筑布局，奇特的建筑结构，瑰丽的建筑装饰，被认为是我国现存的一组最精致、最美丽的古建筑群，尤其以回音壁、三音石和圜丘三大声学奇迹驰名中外。

天坛第一声学奇迹是回音壁。回音壁是一个圆环形的围墙，高约3.72米，直径为61.5米。在回音壁内的圆形场地上，北侧有一座圆形的建筑物叫“皇穹宇”，东西两侧对称地盖着两座房屋。通常人们讲悄悄话，一般在6米外就听不见，而在回音壁边上讲，传播却要远得多。即使你和同伴分别在直线距离为45米的甲、乙两处轻声对话，彼此还听得清清楚楚，就像面对面说话一般。

这个奇迹是怎样形成的呢?原来语音的波长只有10～300厘米，比回音壁半径要小得多，因此在这种场合下可以认为声波是直线前进的。语言在甲、乙两处之间传播，一部分以束状沿围墙连续反射前进，全程有129米;一部分沿直线直接通过空气绕播，全程才45米。因为墙面相当坚硬光洁，对声音的吸收小，是声音的优良反射体，而且在回音壁的具体条件下，声波沿墙面连续反射都是全反射，没有穿入墙体内部发生折射的部分，所以声音在传播中衰减很小。两个人在甲、乙两处发出的轻声细语，通过墙面传播的声波，尽管走了129米，对方还能听清楚，就像打电话一样;而直接通过空气传播的细语声波却衰减很快，只走6米左右就消失了，根本传不到几十米外。这就是神秘的回音壁的声学原理。

天坛的第二声学奇迹是回音壁内的三音石。它安在从皇穹宇通往围墙门口的一条石路上，从皇穹宇台阶沿这条路数到第三块石头便是。在这里，你只要鼓一下掌，就可以听到五六次回声。因为三音石正好在回音壁内圆心上，鼓掌声沿着四面八方的直径在墙间来回反射，又因为围墙为圆形，每次声波从围墙反射回来在圆心会聚，便是一次回声。只是由于声波在来回反射的过程中逐步衰减，因此回声一次比一次微弱，五六次后，便微弱到听不出来了。

天坛的第三声学奇迹是圜丘。圜丘是由青石砌筑的高台。这里是真正的祭天的祭坛。古人流行着“天圆地方”的说法，所以圜丘被砌成圆形的，它外面的围墙是方形的。圜丘是三层的石台，每层都有台阶可以拾级而登，每层台的周围都安着石栏杆，最高层离地5米多，半径为15米。

人们站在圜丘的圆心石上讲话，声音听起来特别洪亮。这又是什么缘故呢?原来圜丘的台顶不是水平的，而是从中央往四周坡下去。人们站在台中央喊话，声波从栏杆上反射到台面，再从台面反射回耳边来，或者反过来，声波从台面反射到栏杆上，再从栏杆反射回来;又因为圜丘的半径较短，所以回声比原声延迟时间短，以致相混。据测验，从发音到声波再回到圆心的时间只有0.07秒。说话者无法分辨它的原音与回音，所以站在圆心石上听起来，声音格外响亮。但是站在圆心以外说话，或者站在圆心以外听起来，就没有这种感觉了。

可以说，天坛的声学奇迹是我国古代建筑匠师的卓越创造。