天壇和鶯鶯塔

古代人常常應(yīng)用聲音的一些特性建造一些特殊的建筑物。在山谷中的寺廟有很好的回聲效果，宮殿的高長(zhǎng)門洞有一定的混響，以此增加它們肅穆威嚴(yán)氣氛。北京天壇和山西永濟(jì)縣的鶯鶯塔是迄今保存完好的具有聲音效果的建筑。

天壇始建于1420年，是明清兩代帝王祭天的地方。其中的回音壁和圜丘建于1530年。

“回音壁”是一座高約六米的圓形圍墻，半徑32.5米。圍墻內(nèi)有三座建筑物，其中一座叫皇穹宇，處于北面，最接近圍墻，距圍墻最近處約2.5米。整個(gè)圍墻整齊光滑，是優(yōu)良的聲音反射體。在墻壁近旁即使相距較遠(yuǎn)的二個(gè)人都可以小聲交談。(如圖3-4)，甲緊貼圍墻向北小聲說話，乙不僅聽得清楚，而且還誤以為是從丙處發(fā)出的聲音。這聲音不從甲直線傳到乙，而是繞圍墻一周傳播的。只要甲說話聲對(duì)著圍墻甲點(diǎn)切線的入射角小于22度，聲波就總是受圍墻的反射，而不受皇穹宇的散射。

圖3-4回音壁聲音反射示意圖

皇穹宇南面路上第三塊石板，正處在圍墻中央，傳說在這里拍一掌可聽到三響，故稱其為“三音石”。事實(shí)上，不止聽到三響，可有五六響。在三音石周圍也有同樣的效應(yīng)，只是模糊些。之所以能聽到幾響，是因?yàn)檎坡暤染嗟貍鞑サ絿鷫χ?，被圍墻同時(shí)反射回中央，于是人們聽到第一響回聲；這第一次回聲又照樣傳播出去，并被圍墻反射回來，于是聽到第二響。這樣往返幾次，直到聲能被墻壁和空氣完全吸收為止。

回音壁南面有一座由青石砌成的圓形平臺(tái)，叫圜丘。它最高層離地面約五米，半徑約11.5米。除東西南北四個(gè)出入口外，周邊都圍有青石欄桿。整個(gè)圜丘包括地面都是由反射性能良好的青石和大理石砌成的。平臺(tái)并不平，而是從圓心向周邊稍有傾斜的臺(tái)面。它的聲學(xué)奧妙就在這里。當(dāng)人站在臺(tái)中心叫一聲，他自己聽到的聲音比平常的聲音響。而且似乎是從他腳底石板下傳上來的。這是由于聲波被青石欄桿反射到稍有傾斜的臺(tái)面，再從臺(tái)面反射到人耳的緣故(圖3-5)。

臺(tái)中心欄桿

圖3-5圜丘聲音反射示意圖

鶯鶯塔即普救寺舍利塔。因古典文學(xué)名著《西廂記》中故事發(fā)生在此，故又稱為鶯鶯塔。初建于唐武則天時(shí)期，為七層的中空方形磚塔。后毀于明嘉靖三十四年(公元1555年)大地震。震后八年按原貌修復(fù)，并將塔高增至13層50米。該塔最為明顯的聲學(xué)效應(yīng)是，在距塔身10米內(nèi)擊石拍掌，30米外會(huì)聽到蛙鳴聲；在距塔身15米左右擊石拍掌，卻聽到蛙聲從塔底傳出；距塔2.5公里村莊的鑼鼓聲、歌聲，在塔下都能聽見；遠(yuǎn)處村民的說話聲，也會(huì)被塔聚焦放大。諸如此類奇特的聲學(xué)效應(yīng)，原來是由于塔身的形體造成的：內(nèi)部中空；外部每一層都有寬大的倒層式塔檐。前者具有諧振腔作用，可以將外來聲音放大；后者可以將聲音反射回地面，相距稍有差別的13層塔檐的總反射會(huì)聚于人的耳朵而形成蛙鳴之感(圖3-6)。

圖3-6鶯鶯塔塔檐聲音反射示意圖

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