奇妙的古代聲學建築
古代人常常應用聲音的一些特性建造一些特殊的建築物。比如北京天壇中的回音壁、三音石、山西普救寺內的鶯鶯塔等,以此增加它們肅穆威嚴氣魄。
這些建築物巧妙地利用了聲學上的一些原理,既有很強的使用價值,也收到了奇妙的藝術效果。表現了我國古代勞動人民的聰明才智。
利用聲學效應的建築在我國已發現不少。北京天壇和山西省永濟的鶯鶯塔是迄今保存比較完好的具有聲音效果的建築。此外,還有四川省潼南縣的石琴、河南省郊縣的蛤蟆音塔和山西省河津縣的鎮風塔等。
北京天壇是著名的明代建築。其中皇穹宇建於1530年,原名“泰神殿”,1535年改為今名。天壇的部分建築具有較高的聲學效果,使這一不尋常的“祭天”場所,更增添了神秘的色彩。
天壇建築物中最具聲學效應的是:回音壁、三音石和圜丘。回音壁是環護皇穹宇的一道圓形圍牆,高約6米,圓半徑約
32.5米。內有3座建築,其中之一是圓形的皇穹宇,位於北麵正中,它與圍牆最接近的地方隻有2.5米。回音壁隻有一個門,正對皇穹宇。
整個牆壁都砌得十分整齊、光滑,是一個良好的聲音反射體。如有甲、乙兩人相距較遠,甲貼近圍牆,麵向牆壁小聲講話,乙靠近牆壁可以聽得很清楚,聲音就像從乙的附近傳來的。
如果甲發出的聲音與甲點的切線所成的角度大於22度時,聲音就要碰到皇穹宇反射到別處去,乙就聽不清或聽不到了。
在皇穹宇台階下向南鋪有一條白石路直通圍牆門口。從台階下向南數第三塊白石正當圍牆中心,傳說在這塊白石上拍一下掌,可以聽到3響,所以這塊位於中心的白石就叫“三音石”。
事實上,情況不完全是這樣。在三音石上拍一下掌,可以聽到不止3響,而是5響或6響,而且三音石附近也有同樣的效應,隻是聲音模糊一些。這是因為從三音石發出的聲音等距離地傳播到圍牆,被圍牆同時反射回中心,所以聽到了回聲。回聲又傳播出去再反射回來,於是聽到第二次回聲。如此反複下去,可以聽到不止3次回聲,直至聲能在傳播和反射過程中逐漸被牆壁和空氣吸收,聲強減弱而聽不見。
如果拍掌的人在三音石附近,從那裏發出的聲音,傳播到圍牆,不能都反射到拍掌人的耳朵附近來,因此聽到的回音就比較模糊。圜丘是明清兩代皇帝祭天的地方。它是一座用青石建築的三層圓形高台,高台每層周圍都有石欄杆。在欄杆正對東、西、南、北方位處鋪設有石階梯。最高層離地麵約5米,半徑約11.4米。高台麵鋪的是非常光滑、反射性能良好的青石,而且圓心處略高於四周,成一微有傾斜的台麵。人若站在高台中心說話,自己聽到的聲音就比平時聽到的要響亮得多,並且感到聲音好像是從地下傳來的。這是因為人發出的聲音碰到欄杆的下半部時,立即反射至傾斜的青石台麵,再反射到人耳附近的緣故。