回音壁的声学原理

回音壁的声学原理
回音壁
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。

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10～300cm，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129m；一部分沿直线直接通过空气传播，全程才45m。

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6m就消失了，根本传不到45m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5m多，半径15m。

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，而是从中央往四周坡下去。

人们站在台中央喊话，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。