天坛
位于北京的天坛是明清两代帝王祭天、祈祷丰年的建筑,初建于明永乐十八年(1420),其中,祈年殿、皇穹宇、圜丘三座宏伟建筑座落在南北纵轴线上,在古代人“天圆地方”观念之下,这些建筑的平面均为圆形,皇穹宇围以高约6米,半径约32.5米的围墙,这个围墙,就是闻名的回音壁。圜丘为圆形的三层汉白玉石坛,最高层平台离地面约高5米,半径约11.4米,每层平台边缘均砌有石栏杆,皇穹宇和圜丘建于明嘉靖九年(1530)。
皇穹宇的围墙和圜丘石栏、地面具有奇特的声音反射现象。皇穹宇围墙以砖石砌成,墙壁面整齐、光滑,是一个优良的声音反射体,围墙内三座建筑,座落北面最大的圆形建筑就是皇穹宇,东西两边对称地各有一个长方形建筑,皇穹宇北墙与围墙最近处为2.5米,人在A处对凹墙面低语,声波沿着凹面“爬行”,另一人在B处可以听见由墙面C处反射过来的声音。皇穹宇北墙距离围墙很近,在某种情况下它会阻挡部分沿墙面爬行的声波。据测定,与凹面墙切线所成的角在22°以内入射的声射线,声波的能量就都分布在近墙面的一条狭带内,而不致被皇穹宇所吸收或反射,这时,B处能清楚地听见A处的低语声,如果在A处大声说话,在B处会听到二个声音:一个是通过空气直接传达到B;另一个是经过凹形墙面连续反射而达到B,
因此,虽然后者路程长,且稍后听见,但听起来它却要比前者响一些。
从皇穹宇到回音壁的大门有一条白石路,从皇穹宇往南数第三块砌石正处在围墙的中央,在此拍掌,可以听到三次回声,人称“三音石”。在这个中心点发出的声音,其声波等距地传到围墙,又被围墙等距地反射回到中心点,这第一次回声又等距地传到围墙、并被围墙等距地反射回到中心点,如此往复几次,直到声能耗尽为止,如果不是围墙内三座建筑反射了大部分声波,人们就可以听到更多次的回声。
在西方的教堂中也有类似回音壁的建筑。位于罗马的旧圣彼得教堂(Old Saint Peter's)是由君士坦丁大帝下令于公元326—333年间开始建造的,教堂西端圣坛是半圆形厅堂。16世纪初教堂被拆除,改建为新圣彼得教堂。
圜丘的声音效果是,人站在台中心叫一声,其本人可以听到来自其脚底地面的响亮的回声,这个声波反射过程是这样的:圜丘的平台并不水平,而是中心略高、周围略有倾斜,因此,平台栏杆与台面夹角略小于90°。人的声波传到栏杆后,被栏杆反射到平台面,再由平台面反射到人耳(图3),这样,台中心说话的人听到的回声,似乎是从脚底下传上来的一样。
位于山西省永济县的普救寺内的莺莺塔(中国古典名著《西厢记》故事发生于此)也有奇妙的声学现象,在距塔10米以内击石、拍掌可以在30米以外听到由塔上传来如蛙叫的反射声音,该塔初建于隋唐年间,重建于明嘉靖四十五年(1564)。(摘自戴念祖先生所著《中国声学史》·1994年河北教育出版社出版——编者)
北京 回音壁