天坛公园回音壁应用的声学原理

一、北京天坛三大声学奇迹

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3．72m，直径61．5m．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，