天坛声学【天坛声学现象的新解释和新发现】
维普资讯 北京天坛建 于 １ ６世纪 ， 它以宏伟庄严的建筑风格著 生的。如 图 １）这也就是汤定元先 生对三音石的解释。 （ ” 按 此解释不 难得 出 ３声 回声 的时间和 声强的特点。三音石 到回音壁 的距 离是 ３ ． ｍ，从 声音发出到回音壁墙壁面 ２５ 反射 回的 回声 ， 每次走过 的都是 ６ ， ５ ｍ 因此 ， 回声的时间 特点应是 ３声 回声 时间间隔相等 ；回声的声强特点应遵 守球 面波 的衰减规律 ， ３声回声应一 声比一声 弱， 是 ， 但 近 年来俞文光教授和他 的同事 们用仪器测得的结果却不是 这样的。仪器记录如图 ２ 所示 ， 图中 ０ 波是开始实验击掌 声的记录 ， 图中 １、 、 、 、 ’ ２ ３４都是 回声时间和 强度 的记录。 １ 从这 个仪 器记 录可 以看出 ， ３声回声时间间隔是不等 称于世 ， 以其奇特的声学现象享誉世界。关于这些声学 更现象 的科学说 明最早见于 １ ５ 年 第 ２期 《 ３ ９ 科学通 报》 上 汤定元先生的文章中 ，Ｏ多年来 ， ４ 我国教科 书和科学普及 杂 志上都以此为根 据去说 明天坛回音壁 、三音石等 的声 学现象 。 黑龙江大学的俞文光教 授、 哈尔滨理工 大学 的贾 陇生教 授及 国家地震局工程力学所的付正心等六位科学 工作 者 ，用现代 实验 仪器和测试手段到现场进行 多次 实 验和考察 ，对天坛这座古老的声学建筑提 出了新 的解释 和 发现 。 三 音 石 多年来 ，很多教材上写到 ，三音石是 回音壁 的内圆 “ 心， 是甬道上从皇穹宇的台阶向南数的第 ３块石头 ， 站在 这块石头上击一下掌 ，可 以听到 ３ 次甚至更 多次 击掌回 音声 ，这是 由击掌 声被 圆形 围墙 多次反射 回来的回声产 的 ， 回声 强度也 不是 从开始 就递 减 的 ， 而 而是 强 、 更强 、 弱， 这是为什 么呢？根据俞文光教 授的解释是 ： 图中标号 １和 １的合成为第 １个 回波 ， 这是击掌后 １ ３７ｍ 记 录 ０． ｓ 到的回波 ， 波走 的路 程是 ３ ．８ ｍ 离三音 石 １２路 程 此 ４８ ， ／ （８８ 的反射物就 是东西配殿（ ３ ．８ ｍ） 东西配殿 的前墙 到三 回波标号 时间（ ｓ 声波走过的路程（ 反向物与声源的距离（ ｍ） ｍ） ｍ）１ ２ ３ ４ １３７ ０． ０ １１ ０ ９． ０ ３ ２８ ８． ０ ５ ８５ ７－ ０ ３ ．８ ４８ ６ ．５ ４２ １８７ ２ ．７ １４６ ９ 、１ １． ７４ ４ ３． ２１ ３ ３ ．０ ２２ ３ ３ ２４ 反向物与 ０ 点实际距离（ ｍ）东西配殿 １． ７３ 回音壁一次反射 ３ ．０ ２５ 回音壁二次 反射 ３ ． ２５ ０ 回音壁三次 反射 ３ ． ２５ ０三音石击掌回波数据表 Ｎ ｅ ｅ ｐｏ Ｓ ｉｎｃ ｗ Ｔ ｍ ｃｅ ｅ３ ６维普资讯 音 石 中心 距 离 为 １ ． ， 以可 以 认 ３ ｍ）所 ７Ｏ二 音 石 和 一 音 石 俞 文 光 教 授 等 人 不 但 对 三 音 石 的成 定第 １个 回波是 由皇穹宇的东西 ２个配 殿 的墙和 墙基反 射 回来 的声音 形成 的。 标号 ２是 第 ２个 回 波 ，它 才 是 由 回音 壁 因作 了科学 的测试 和令人 信服 的解释 ， 还科学地解释 了一 音石和二音石 ２ 声 个学 现 象 。 二音 石 是 三 音 石 北 面 的 一块 石 板 ， 其 上 击 掌 会 有 ２声 回 音 ， 器 记 录 在 仪 如图 ３ ，图 中标 号 为 １的 回 波 是 二 音 石 图 １ 墙面第 １次反射声音汇 聚而成 的 ，因此 这个 回声强度也是最强 的；由记录数 据 知道 ，它是击 掌后 １ １ ｍ ９ ｓ记录到 的回 波， 此波走 的路程应是 ６ ． ｍ 反射物离 ４５ ， 发 声 中心距离 应为 ３ ．３ ｍ ２１ ，而 回音壁 的半径为 ３ ． 所 以认定 回声是 回音 ２５ ｍ， Ｏ的第 １个 回声 ， 是击掌后 １ ０ ｍ 听到 的 Ｏ ｓ 回声 ， 据计算 ， 根 声波所 走路程约 ３ ， ４ ｍ 这个回声显然是 由东西 配殿 壁墙面反射 回来产生 的 ：图中标号 为 ２的 回波是 二 音石 的第 ２ 回声 ， 个 是击 掌后 ３ ０ ｍ 所 ８ ｓ 听到 的回声 ， 其路程 约为 １ Ｏ ｍ， ３ 它约 为 ｏ ２． ６３Ｖ ｌ１ １ ２ ３ 壁墙面第 １次反射 的声音 ， 反射面越 大 ， 反射 强度就越 强。标号 为 ３的 回波是 由 回音壁墙 面第 ２次反射的声音汇聚而 成 的 ， 是 因为 声 强 太 小 ， 耳 无 法 听 到 而 只 人已 Ｌ＿ － －一 － － Ｔ＿ ．－ － ［ －回音壁 圆墙半径 的 ４倍。据科学 工作 者 分析 ， 声音走 的是 Ｏ Ｄ ２ ｚ Ｏ 的三角形 ， Ｃ 即从 ２． ６３Ｖ ３４ ４ ｍ 图２ Ｏ 点出发经 Ｃ处墙 面反射 到对 面的墙面 Ｄ ， 处 再反射 回到 Ｏ 处 ， 好走了约等 于 恰 ４倍 回音壁圆墙半径路程 ， 就是二音 石 这的 回声机 理 （ 图 ４） 如 。 有 意思 的是 ， 二音 石北 面 的一 块 石 在方 向上 不 会 遇 到配 殿 的墙 ， 然也 就 不 再 当有反射波回到 Ｏ 点产生第 ２个回声 了。 对 话 石 更 有意思 的是 ， 天坛皇穹宇 ， 文 在 俞光 教 授 等 人 发 现 了一 块 起 名为 “ 话 石 ” 对 板也能 听到回声 ，不过只能 听到 １个 回 音 ， 文 光 教 授 叫它 一 音 石 。 图 ５是仪 器 俞 记 录 ， 中标 号 为 １的 回波 是 在 一 音石 上 图的石板 ，它是从一音石 向南大 门数第 １ ８块 石板 ， 这 块 对话 石上 说 话 可 以在 东 西 在配殿的后墙北 角处听到很清楚的说话 声。 同样 ， 东 西 配 殿 的 后墙 北 角处 和 站 在 对 在击 掌后经过 ３ ０ ｍ 后的回波 ，其行程约 ８ ｓ 为 １ Ｏｍ，它也约为 回音壁半径的 ４倍 ， ３ 看来走的也是一个三角形。那么为什么一 音石上没有东西配殿 的反射波呢？从图 ４ 中可以看出 ， 如果从 一音 石中心 向东西方 向划一条水平线 ， 这条线 不会碰 到东西配 殿 ；显然 ， Ｏ 点发 出的击掌声也就在水平 话石上的人进行对话 时， 互相都 听得很清 楚， 其声音如 同和站在七步远处 的人说话 一样 。 又 是为 什 么呢 ？ 文光 教 授 指 出 ， 这 俞 图４ 这是 由于 回音壁墙面反射 汇聚 的结果 ， 如 图 ６ 示 。 一 发现 更 充 分 体 现 了我 国 古 所 这 代 劳 动人 民在 建 筑 声 学 方 面 的聪 明 才智 。 ２２ Ｖ ．１ １ ．２ Ｊ． 一 Ｉ１ ． 一 』 ． Ｊ ０ Ｉ ｒ 。 ｒ— 。 一Ｓｅ ｃ。。 １９ ３．０ １４６ 图３ ５６ ７ｍＳｃ ｅ 图５ 图 ６ ３ 学 友２６ ７科 之 ０． ０１ ２