天壇——是傳音魔法，還是古代科技？

天壇，是古代皇帝祭天、祈求五谷豐登的地方。

它體現(xiàn)的“天圓地方”的理念，尤其出名。

天壇的主要建筑如祈年殿、圜丘壇、皇穹宇都是圓形的結(jié)構(gòu)，象征著“天圓”。

可誰能想到，這種象征背后，還隱藏著古代科技的秘密，讓天壇擁有了許多聲學(xué)奇觀。

1.回音壁：古代的電話

圍繞皇穹宇的圍墻，被稱為回音壁，它的設(shè)計(jì)和構(gòu)造巧妙地運(yùn)用了聲學(xué)原理，呈現(xiàn)出了神奇的效果：兩個(gè)人只要貼著墻輕聲說話，就算隔著中間的大殿，也能聽得清清楚楚，就像在打電話一樣。這種奇妙的現(xiàn)象源于回音壁的精確設(shè)計(jì)。原來，這圍墻不是簡(jiǎn)單地圍成近似的圓，而是建成了一個(gè)超級(jí)精密的圓形。而墻壁，是用明代山東臨清產(chǎn)的澄江磚砌成的，這種磚的質(zhì)地非常細(xì)密，據(jù)說“敲之有聲，斷之無孔”，真是古代材料的神作。無論是硬度、密度，還是它的光滑表面，都為回音壁的聲學(xué)效果提供了理想的基礎(chǔ)，材料的選用再合適不過了。

由于圍墻的弧度極其標(biāo)準(zhǔn)，墻面又光滑平整，就形成了一個(gè)圓形聲場(chǎng)，使得聲波沿著墻面反射時(shí)，能量損失很小，所以就算是悄悄話，也能傳那么遠(yuǎn)。

在現(xiàn)代冰雕藝術(shù)里，人們用具有類似特性的冰磚，結(jié)合同樣的構(gòu)造，再現(xiàn)了天壇神奇的聲學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)然，天氣轉(zhuǎn)暖就融化的冰磚，只能短暫復(fù)刻古人的巧思，自然沒法像澄江磚一樣把聲學(xué)奇觀保留幾百年了。

2.三音石的回聲魔法

在皇穹宇前面，有三塊特別的石板，分別叫天石、地石和人石。別看它們平平無奇，站上去說話試試——立刻就能感受到聲學(xué)設(shè)計(jì)的“魔法”。

“人石”又被稱作三音石，站在上面小聲說話，也能聽到很大回音。古人把這種現(xiàn)象說成是“人間私語，天聞如雷”，象征人們的聲音能傳遞到天上。雖然古人賦予這種回聲神秘的象征意義，但其實(shí)，這個(gè)效果全靠聲波的多重反射。

三音石恰好位于回音壁中心，站在三音石上，說話時(shí)，聲波在圍墻的范圍內(nèi)彈來彈去，沿著回音壁的曲面不斷反射，最終傳遞回石板的位置，陸陸續(xù)續(xù)回到你耳朵里。

你要是站在石頭上拍手一次，甚至能聽到三次回聲！這三次回聲其實(shí)都是來自一個(gè)聲音，只是“兵分幾路”后走的路程長(zhǎng)短不同，導(dǎo)致到達(dá)你耳朵的時(shí)間不同。

簡(jiǎn)單來說，聲波經(jīng)過不同的路徑回到圓心，會(huì)形成微小的時(shí)間差。而你的耳朵會(huì)被“欺騙”，分不清相隔太近的回聲，會(huì)把它們合并成幾組響亮的回聲。

現(xiàn)代人經(jīng)過了精準(zhǔn)的測(cè)量和推算，發(fā)現(xiàn)第一個(gè)回聲，是皇穹宇兩個(gè)配殿的墻和墻基的反射波疊加形成的，第二、三個(gè)回聲則是由回音壁圍墻的第一、二次反射聲波會(huì)聚形成的。

這些聲學(xué)奇觀，體現(xiàn)了古代匠人們對(duì)聲學(xué)和材料的深刻理解，循著這些奇妙現(xiàn)象，就能發(fā)現(xiàn)古人的巧思。通過巧妙的設(shè)計(jì)和精湛的工藝，古人不僅創(chuàng)造了具有美學(xué)價(jià)值的建筑，更運(yùn)用了科學(xué)原理，將自然界的聲音傳播規(guī)律融入到建筑中，以達(dá)到美與科技的完美融合。

所以即使是年代久遠(yuǎn)的古建筑，也有滿滿的科技元素。

作者：希卡石板修復(fù)組
審核：北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院 副教授 劉捷
出品：中國科協(xié)科普部
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