天坛声学原理

天坛三音石的声学原理

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天坛回音壁里有一块为三音石。如果你站在这块台上拍一下手，你就能听到三次回声，这是什么原因呢？

三音石又称三才石，比喻"天、地、人"三才。

三音石位于皇穹宇殿门外的轴线甬路上。从殿基须弥座开始的第一、第二和第三块铺路的条型石板就是三音石。

站在第一块石板上面向殿内说话，可以听到一次回声。

站在第二块石板上面向殿内说话，可以听到两次回声。

站在第三块石板上面向殿内说话，可以听到三次回声。

三音石的第三块石板又称"天闻若雷石"，就是说，站在第三块石板上面向殿内说话，如果大殿仅敞开面对三音石的殿门，而且殿门到殿内正中的神龛之间没有任何障碍物的话，此时听到的回音尤其响亮，似乎"人间偶语，天闻若雷"。

天坛回音壁的声学原理

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回音壁是皇穹宇的围墙，高3.72米，厚0.9米，直径61.5米，周长193.2米。

回音壁有回音的效果。如果一个人站在东配殿的墙下面朝北墙轻声说话，而另一个人站在西配殿的墙下面朝北墙轻声说话，两个人把耳朵靠近墙，即可清楚地听见远在另一端的对方的声音，而且说话的声音回音悠长。

回音壁有回音效果的原因是皇穹宇围墙的建造暗合了声学的传音原理。围墙由磨砖对缝砌成，光滑平整，弧度过度柔和，有利于声波的规则折射。加之围墙上端覆盖着琉璃瓦使声波不致于散漫地消失，更造成了回音壁的回音效果。

英国伦敦，有一条著名的圆环形“私语走廊”，你在这直径34米的走廊任何一处墙边说悄悄话，在走廊其他地方，包括直径对面的最远处的人，都能听得清清楚。如若你对着墙壁“私语”，其他的人会觉得你正在他身边“耳语”，十分奇妙。

更为著名的是北京天坛的回音壁。回音壁，是天坛中存放皇帝祭祀神牌的皇穹宇外围墙。墙高3.72米，厚0.9米，直径61.5米，周长193.2米。墙壁是用磨砖对缝砌成的，墙头覆着蓝色琉璃瓦。围墙的弧度十分规则，墙面极其光滑整齐，两个人分别站在东、西配殿后，贴墙而立，一个人靠墙向北说话，声波就会沿着墙壁连续折射前进，传到一、二百米的另一端，无论说话声音多小，也可以使对方听得清清楚楚，而且声音悠长，堪称奇趣，给人造成一种“天人感应”的神秘气氛。所以称之为“回音壁”。

回音壁直径61.5米比“私语走廊”大27.5米，而且“私语走廊”有个球形屋顶，而天坛是敞顶的环道。但是，回音壁和私语走廊回音传声的原理都是一样的，敞顶的回音壁在建筑和声学上确实更高一筹。

 

造成三音石独特效果的原因是建筑格局中的一些布置与声学原理相吻合。声波从不同之处折射回来的速度与层次造成了第一、第二和第三块石板处听到回音的次数不同。第三块石板与殿门及殿内神龛上的殿顶所构成的特有角度可以使声波折返到殿外时能够带有强烈的轰鸣。

天坛回音壁的四周围墙很高，而且坚硬光滑，能够很好地反射声音；墙又是圆形的，三音石正好放在圆的中心处。当你拍了一下手后，声音从空气中向四周传播，遇到围墙后，又给反射回来，这些经反射回来的声音又都经过位于圆心的三音石。所以，我们站在三音石上拍手，就会听到清晰的回音，而且回音特别响。

反射回来的声音还有一个特点，它经过圆心后继续向前走，一直传到对面围墙上，经过第二次反射又回到三音石。这样，我们就听到了第二次、第三次，甚至更多次的声音了，这里除你拍手的那次声音是原始声音，其余的都是回音。

当发声和回声间隔时间小于1/16秒时，我们会把这两种声音听成一个声音，回声的作用只是加强了原来的声音。声音在空气中传播的速度是每秒钟340多米。只有人与墙壁间的距离超过11米时，声音往返的距离才会超过22米（22＞340÷16），这时，我们的耳朵才能把回声分辨出来。皇穹宇室内半径才几米，当然就听不到回音了。三音石到围墙的距离是32.5米，不难算出，发声和回声的时间间隔将是1/5秒，所以能听到清晰的回声。

天坛圜丘的声学原理

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圜丘坛在天坛南部，是皇帝冬至日祭天的地方，故又称“祭天台”、“拜天台”。始建于明嘉靖九年（1530年），按照南京式样建造，用蓝色琉璃砖砌成。清乾隆十四年（1749年）扩建，栏板、望柱改用汉白玉，坛面铺石用文叶青石。

坛为露天三层圆形，象征天。它为三层汉白玉雕砌的露天圆台，坛面、栏板、栏柱为艾叶青石雕成，两道外方里圆的围墙象征着“天圆地方”。由于是祭天坛，圜丘的整个结构是对数学的巧妙运用，坛面、台阶、栏杆的石制构件，都取九或九的倍数，即阳数，用以象征天。坛中心的圆形石板，叫天心石，站在上面高喊或发出敲击声，周围即起回音，自 己听起来声音很大，好似一呼百应。古代把一、三、五、七、九单数称为“阳数”，又叫“天数”，而九则是阳数之极。所以，圆丘的层数、台面的直径、墁砌的石块、四周的栏板均用天数，表示天体至高至大。坛圆形三层，最高一层台面直径是九丈，名“一九”；中间一层十五丈，名“三五”；最下一层二十一丈，名“三七”。

第一层台面中央嵌一块圆形石板，叫“天心石”。站在天心石上高呼，回音很大，好似一呼百应。四周围绕有九重石块，第一圈是九块扇形板，为一重；第二四十八块，为第一圈的倍数，尔后依次按九的倍数递加，至第九圈为八十一块，称九重。每层四面有台阶，各九级。一层栏板七十二块，二层一百零八块，三层一百八十块，共三百六十块，正合周天三百六十度。

圜丘外面有两重谴墙，均为蓝琉璃筒瓦通脊顶，墙身涂朱。内墙是圆形，四面各有棂星门，都是六柱三门。内墙外面东南有燔柴炉一个、瘗坎一个、燎炉五个、西南有三个灯杆。外墙是方形，在东、西门的左、右，各设一个燎炉。北门外是皇穹宇，东门外东北角有神库、神厨各五间，林亭一个，祭器库、乐器库、棕荐库各三间。又东有宰牲亭、林亭一个。谴外内坛墙有四个门，东叫“泰元”，南叫“昭亨”，西叫“广利”，北叫“成贞”。昭亨门外东、西还各有一座石坊，由于祭天是在黎明前进行，灯竿高悬大灯笼，名曰“天灯”，用来照明。同时在各个燎炉焚烧松柏木、檀香木，香烟缭绕，火光可以照亮全坛，仪式非常隆重壮观。

站在圜丘台中间的圆心石上轻轻唤一声，就立即从四面八方传来回声，好似众人齐鸣，一呼百应。封建帝王附会说这是皇天上帝在向凡人发出“圣谕”。其实，这种现象是声波被阻的回音。从圆心石发出的声波传到四周的石栏以后，就同时从四周迅速反射回来，声波振动较大；又由于圜丘坛的半径较短，所以回声很快。据测试，从发音到声波返回到圆心的时间，总共只有0.07秒，所以站在圆心石上的人听起来，声音格外响亮。因此，圜丘坛上的圆心石又称为“亿兆景从石”。