北京天坛三大声学奇迹

　　在首都北京市区的东南部，座落着一个驰名中外的天坛公园。那里本来是明清两代帝王祭天和祈祷丰年的祭坛，最初建设于明代永乐十八年(1420年)。天坛是我国最壮观、最有特色的古建筑之一。不过，从声学上看，我们最感兴趣的是回音壁、三音石和圜丘。

　　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 m，直径61.5 m。在回音壁内的圆形场地上，偏北有一座圆形的建筑物叫“皇穹宇”，它与回音壁内壁间的最短距离是2.5 m;同时东西对称地盖着两座房屋。人们一进回音壁，往往第一件事便是与同伴贴着围墙作远距离的耳语。人们讲悄悄话，一般在6 m以外就听不见。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 m的甲、乙两处轻声对话，彼此还听得清清楚楚，就像同伴在跟前与你说话一般。

　　这个声学奇迹是怎样形成的呢?原来语音的波长只有10~300 cm，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。语音在甲、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 m;一部分沿直线直接通过空气传播，全程才45 m。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、乙两处发出轻声细语，通过墙面传播的声波，尽管走了129 m，对方还能听清楚，就像打电话一样。而直接经过空气传播的声波却衰减很快，只走6 m就消失了，根本传不到45 m外的对方耳朵里。这就是神秘的回音壁的声学原理。

　　天坛的第二声学奇迹是三音石。它在从皇穹宇通往围墙门口的一条白石铺成的路上，从皇穹宇台阶沿这条路数到第三块石头便是。游人们一到这里就鼓掌，鼓掌一下，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。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渐衰减，因此回声一次比一次微弱，五、六次后，回声就微弱到听不出来。

　　天坛的第三声学奇迹是圜丘。圜字是圆字的古体，丘字原意是小山、土堆子。不过，圜丘不是圆形土堆子，而是青石砌成的高台，这里是真正的祭天的祭坛。因为古人流行着“天圆地方”的不正确说法，所以圜丘砌成圆的，它外面的围墙筑成方的。圜丘是三层的石台，每层都有台阶可以拾级而登。每层台的周围都有石栏杆，最高层离地5 m多，半径15 m。

　　人们登上台顶，站在圜丘的圆心石上，往往又是喊话，又是拍手，这时听到的声音特别洪亮。这又是什么缘故呢?原来台顶不是真正水平的，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，再从栏杆反射回耳边来。又因为圜丘的半径较短，所以回声比原声延迟时间很短，以致相混。据测验，从发音到声波再回到圆心的时间，只有零点零七秒。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。

　　天坛的声学奇迹是我国古代建筑匠师的卓越创造。