天坛回音壁是如何反射声音的?

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*往四周坡下去.人们站在台*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.