天坛

介绍天坛公园的几处声学现象

李春捷

驰名中外的北京天坛公园，是明清两代皇帝祈谷、祈雨、祈天的地方。天坛不仅以严谨的建筑布局、奇特的建筑构造和瑰丽的建筑装饰著称于世，其中有几处建筑，其美妙的声学现象也令人惊叹不已。

天坛公园总占地面积约 270万平方米，分为内坛和外坛。主要建筑物在内坛，南有圜丘坛、皇穹宇，北有祈年殿、皇乾殿，由一条贯通南北的甬道——丹陛桥，把这二组建筑连接起来。

圜丘在天坛公园的南部，是座分成三层的圆形平台，每层周边都有汉白玉栏杆，每个栏杆和栏板都有精雕细刻的云龙图案，每层平台的台面都由光滑的石板铺成。第三层台面高出地面约5m,半径约11.5m，中心是一块圆形大理石，俗称天心石，当你站在天心石上说话时，会觉得声音特别洪亮。其实这时建筑师利用声音反射造成的音响效果。如下图所示，圜丘第三层台面实际并不是水平的，其中心略高，四周稍微向下倾斜。人在天心石发出的声音传向周围，一部分被周围的石栏板反射，射到稍微倾斜的台面后又反射回天心石。由于圜丘第三层台面的半径仅11.5m，从发声到回声返回仅有0.07s,所以回声跟原声混在一起，显得声音格外响亮。

图 圜丘声音反射示意图

圜丘的北面有皇穹宇，它是平日供奉存放神牌的地方。回音壁就是皇穹宇的外围墙。回音壁为圆形，直径 65.1 米，厚 0.9 米，墙面光洁平整。如图 所示，如果两人分别站在东西两侧墙根，甲面向北低声说话，乙所听到甲的声音就像听电话一样清晰。原来，墙面内圆，表面又极平滑，声波波长比回音壁半径小得多，声波以束状沿墙面有规则地连续反射前进，传到对方所站的地方，所以能听得很清楚。

三音石就是皇穹宇殿前的第三块路面石。人站在第一块石板上拍手，可以听到一个回声；站在第二块石板上拍手，可以听到二个回声；而站在三音石上拍手，则可以听到三个以上的回声。正是由于每块石板距周围墙壁距离不等，发声的位置不同，所以能听到次数不同的回音。如图 所示，三音石恰好位于回音壁的圆心，从三音石发出的声音向周围传播，沿半径方向传到回音壁，经回音壁垂直反射又沿半径

反射回三音石，于是听到第一次回声；声波继续向前传播到对面的回音壁，又再次被反射回圆心......这样，人们就听到三个或更多的回声。

以上几处美妙的声音现象，归根结底，都是利用声音反射造成的音响效果。