中国古代物理学-天坛和莺莺塔
来源：物理ok网
编辑：未知
时间：2015-01-27
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古代人常常应用声音的一些特性建造一些特殊的建筑物。在山谷中的寺庙有很好的回声效果，宫殿的高长门洞有一定的混响，以此增加它们肃穆威严气氛。北京天坛和山西永济县的莺莺塔是迄今保存完好的具有声音效果的建筑。 天坛始建于1420年，是明清两代帝王祭天的地方。其中的回音壁和圜丘建于1530年。 “回音壁”是一座高约六米的圆形围墙，半径32.5米。围墙内有三座建筑物，其中一座叫皇穹宇，处于北面，最接近围墙，距围墙最近处约2.5米。整个围墙整齐光滑，是优良的声音反射体。在墙壁近旁即使相距较远的二个人都可以小声交谈。(如图3-4)，甲紧贴围墙向北小声说话，乙不仅听得清楚，而且还误以为是从丙处发出的声音。这声音不从甲直线传到乙，而是绕围墙一周传播的。只要甲说话声对着围墙甲点切线的入射角小于22度，声波就总是受围墙的反射，而不受皇穹宇的散射。
图3-4 回音壁声音反射示意图 皇穹宇南面路上第三块石板，正处在围墙中央，传说在这里拍一掌可听到三响，故称其为“三音石”。事实上，不止听到三响，可有五六响。在三音石周围也有同样的效应，只是模糊些。之所以能听到几响，是因为掌声等距地传播到围墙之后，被围墙同时反射回中央，于是人们听到第一响回声；这第一次回声又照样传播出去，并被围墙反射回来，于是听到第二响。这样往返几次，直到声能被墙壁和空气完全吸收为止。 回音壁南面有一座由青石砌成的圆形平台，叫圜丘。它最高层离地面约五米，半径约11.5米。除东西南北四个出入口外，周边都围有青石栏杆。整个圜丘包括地面都是由反射性能良好的青石和大理石砌成的。平台并不平，而是从圆心向周边稍有倾斜的台面。它的声学奥妙就在这里。当人站在台中心叫一声，他自己听到的声音比平常的声音响。而且似乎是从他脚底石板下传上来的。这是由于声波被青石栏杆反射到稍有倾斜的台面，再从台面反射到人耳的缘故(图3-5)。 台中心 栏杆
图3-5 圜丘声音反射示意图 莺莺塔即普救寺舍利塔。因古典文学名著《西厢记》中故事发生在此，故又称为莺莺塔。初建于唐武则天时期，为七层的中空方形砖塔。后毁于明嘉靖三十四年(公元1555年)大地震。震后八年按原貌修复，并将塔高增至13层50米。该塔最为明显的声学效应是，在距塔身10米内击石拍掌，30米外会听到蛙鸣声；在距塔身15米左右击石拍掌，却听到蛙声从塔底传出；距塔2.5公里村庄的锣鼓声、歌声，在塔下都能听见；远处村民的说话声，也会被塔聚焦放大。诸如此类奇特的声学效应，原来是由于塔身的形体造成的：内部中空；外部每一层都有宽大的倒层式塔檐。前者具有谐振腔作用，可以将外来声音放大；后者可以将声音反射回地面，相距稍有差别的13层塔檐的总反射会聚于人的耳朵而形成蛙鸣之感(图3-6)。
图3-6 莺莺塔塔檐声音反射示意图 |
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