学文网北京天坛已列入《世界遗产名录》.天坛建造于15世纪初,是“圜丘”与“祈谷”两坛的总称,整个建筑呈“回”字形,原是明、清两朝皇帝祭天、祈谷的圣地.天坛有三大主要建筑,即祈年殿,皇穹宇,圜丘坛,由高出地面的丹陛桥大道相连.“对话石”、“回音壁”、“三音石”和“天心石”,被称为坛内四大奇观.其中具有良好声学特性的建筑物有三个:回音壁、三音石和圜丘.
天坛第一声学奇迹是回音壁,又称传声墙,是一道正圆形的墙.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”,是存放皇帝祭祀神牌用的,它与回音壁内壁间的最短距离是2.5m;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6m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45m的甲、乙两处轻声对话,彼此还是听得清清楚楚,就像同伴在跟前与你说话一般.
回音壁墙高3.72米,厚0.9米,直径61.5米,周长193.2米.墙壁是用磨砖对缝砌成的,墙头覆着蓝色琉璃瓦.围墙的弧度十分规则,墙面极其光滑整齐,只要两个人分别站在东、西配殿后,贴墙而立,一个人靠墙向北说话,声波就会沿着墙壁连续反射前进,传到一、二百米的另一端,无论说话声音多小,也可以使对方听得清清楚楚,而且声音悠长,堪称奇趣,给人造成一种“天人感应”的神秘气氛.所以称之为“回音壁”.
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也像光一样是直线前进的,遇到障碍物能反射回来.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129m,对方还能听清楚,就像打电话一样,其实听到的就是回声.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.
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.加之围墙上端覆盖着琉璃瓦使声波不至于散漫地消失,造成了回音壁的回音效果.
到底什么是回音呢?
回音又叫回声,是我们日常生活中常见的一种声现象.声波在传播过程中,碰到大的反射面(如建筑物的墙壁等)在界面会改变传播方向,物理学中叫声音的反射.人们把声音在传播过程中遇到障碍物反射回来的现象叫回声,习惯上把能够与原声区分开的反射声波叫做回声.回声常因为声音的高低不同以及障碍物的远近、多少和性质不同而改变.例如,离高层建筑一定距离喊话,在高墙或山崖间喊话都能听到回声.在雷雨天,电光闪过,雷声隆隆不绝,要经过好长时间才消失,这是声音经过地面、山岳和云层多次反射形成回声的结果.
1912年,英国大商船“泰坦尼克号”号在赴美途中发生了与冰山相撞沉没的悲剧.这次大的海难事件引起了全世界的关注,为了寻找沉船,美国科学家设计并制造出第一台测量水下目标的回声探测仪,用它在船上发出声波,然后用仪器接收障碍物反射回来的声波信号.测量发出信号和接收信号之间的时间,根据水中的声速就可以计算出障碍物的距离和海的深浅.第一台回声探测仪于1914年成功地发现了3千米以外的冰山.实际上这就是现在被广泛应用于国防、海洋开发事业的声呐装置的雏形.
第一次世界大战时,德国潜水艇击沉了协约国大量战舰、船只,几乎中断了横跨大西洋的海上运输线.当时潜水艇潜在水下,看不见,摸不着,一时横行无敌.于是利用水声设备搜寻潜艇和水雷就成了关键的问题.法国著名物理学家郎之万等人研究并造出了第一部主动式声呐,1918年在地中海首次接收到2～3千米以外的潜艇回波.这种声呐可以向水中发射各种形式的声信号,碰到需要定位的目标时产生反射回波,接收回来后进行信号分析、处理,除掉干扰,从而显示出目标所在的方位和距离.
第二次世界大战期间,由于战争需要,声呐装置更趋完善.战后,人们开始实验使用***舰上的声呐探测鱼群.不但测到了鱼群,而且还能分辨出鱼的种类和大小.人们在此基础上研制出各种鱼探机,极大地促进了渔业的发展.
回声在地质勘探中也有广泛的应用.例如在石油勘探时,常采用人工地震的方法,即在地面上埋好炸药包,放上一列探头,把炸药引爆,探头就可以接收到地下不同层间界面反射回来的声波,从而探测出地下油矿.
在建筑方面,设计、建造大的厅堂时,必须把回声现象作为重要因素加以考虑.在封闭的空间里产生声音后,声波就在四壁上不断反射,即使在声源停止辐射后,声音还要持续一段时间,这种现象叫做混响.混响时间太长,会干扰有用的声音.但是混响太短也不好,给人以单调、不丰满的感觉.所以设计师们须采取必要的措施,例如,厅堂的内部形状、结构、吸声、隔声等,以获得适量的混响,提高室内的音质.再例如,电影院的墙壁上都被装成坑坑洼洼的,像马蜂窝似的,俗称燕子泥,其目的则是为了减弱回声.