建筑上的声学知识

北京天坛是著名的明代建筑。其中皇穹宇建于明嘉靖九年(1530年),原名泰神殿,1535年改名为今。天坛的部分建筑具有较高的声学效果,使这一不寻常的“祭天”的场所,更增添了神秘的色彩。

天坛建筑物中最具声学效应的是:回音壁、三音石和圜丘。

回音壁是环护皇穹宇(安放祭天牌位的所在)的一道圆形围墙,高约6米,圆半径约32.5米。内有三座建筑,其中之一是圆形的皇穹宇,位于北面正中,它与围墙最接近的地方只有2.5米。回音壁只一个门,正对皇穹宇。整个墙壁都砌得十分整齐、光滑,是一个良好的声音反射体。如有甲、乙二人相距较远,甲贴近围墙,面向墙壁小声讲话,乙靠近墙壁可以听得很清楚,声音就像从乙的附近传来的。只要甲发出的声音与甲点的切线所成的角度大于22℃时,声音就要碰到皇穹宇反射到别处去,乙就听不清或听不到。

在皇穹宇台阶下向南铺有一条白石路直到围墙门口。从台阶下向南数第三块白石正当围墙中心,传说在这块白石上拍一下掌,可以听到三响,所以这块位于中心的白石就叫三音石。事实上,情况不完全是这样。在三音石上拍一下掌,可以听到不止三响,而是五响、六响,而且三音石附近也有同样的效应,只是声音模糊一些。这是因为从三音石发出的声音,等距离地传播到围墙,被围墙同时反射回中心,所以听到了回声。回声又传播出去再反射回来,于是听到第二次回声。如此反复下去,可以听到不止三次回声,直至声能在传播和反射过程中逐渐被墙壁和空气吸收,声强减弱而听不见。如果拍掌的人在三音石附近,从那里发出的声音,传播到围墙,不能都反射到拍掌人的耳朵附近来,因此听到的回音就比较模糊。

圜丘是明、清两代皇帝祭天的地方。它是一座用青石建筑的三层圆形高台。高台每层周围都有石栏杆。在栏杆正对东、西、南、北方位处铺设有石阶梯。最高层离地面约5米。半径约11.4米。高台面铺的是非常光滑、反射性能良好的青石,而且圆心处略高于四周,成一微有倾斜的台面。人若站在高台中心说话,自己听到的声音就比平时听到的要响亮得多,并且感到声音好像是从地下传来的。这是因为人发出的声音碰到栏杆的下半部时,立即反射至倾斜的青石台面,再反射到人耳附近的缘故。