天坛——是传音魔法,还是古代科技?

天坛,是古代皇帝祭天、祈求五谷丰登的地方。

它体现的“天圆地方”的理念,尤其出名。

天坛的主要建筑如祈年殿、圜丘坛、皇穹宇都是圆形的结构,象征着“天圆”。

可谁能想到,这种象征背后,还隐藏着古代科技的秘密,让天坛拥有了许多声学奇观。

1.回音壁:古代的电话

围绕皇穹宇的围墙,被称为回音壁,它的设计和构造巧妙地运用了声学原理,呈现出了神奇的效果:两个人只要贴着墙轻声说话,就算隔着中间的大殿,也能听得清清楚楚,就像在打电话一样。这种奇妙的现象源于回音壁的精确设计。原来,这围墙不是简单地围成近似的圆,而是建成了一个超级精密的圆形。而墙壁,是用明代山东临清产的澄江砖砌成的,这种砖的质地非常细密,据说“敲之有声,断之无孔”,真是古代材料的神作。无论是硬度、密度,还是它的光滑表面,都为回音壁的声学效果提供了理想的基础,材料的选用再合适不过了。

由于围墙的弧度极其标准,墙面又光滑平整,就形成了一个圆形声场,使得声波沿着墙面反射时,能量损失很小,所以就算是悄悄话,也能传那么远。

在现代冰雕艺术里,人们用具有类似特性的冰砖,结合同样的构造,再现了天坛神奇的声学现象。当然,天气转暖就融化的冰砖,只能短暂复刻古人的巧思,自然没法像澄江砖一样把声学奇观保留几百年了。

2.三音石的回声魔法

在皇穹宇前面,有三块特别的石板,分别叫天石、地石和人石。别看它们平平无奇,站上去说话试试——立刻就能感受到声学设计的“魔法”。

“人石”又被称作三音石,站在上面小声说话,也能听到很大回音。古人把这种现象说成是“人间私语,天闻如雷”,象征人们的声音能传递到天上。虽然古人赋予这种回声神秘的象征意义,但其实,这个效果全靠声波的多重反射。

三音石恰好位于回音壁中心,站在三音石上,说话时,声波在围墙的范围内弹来弹去,沿着回音壁的曲面不断反射,最终传递回石板的位置,陆陆续续回到你耳朵里。

你要是站在石头上拍手一次,甚至能听到三次回声!这三次回声其实都是来自一个声音,只是“兵分几路”后走的路程长短不同,导致到达你耳朵的时间不同。

简单来说,声波经过不同的路径回到圆心,会形成微小的时间差。而你的耳朵会被“欺骗”,分不清相隔太近的回声,会把它们合并成几组响亮的回声。

现代人经过了精准的测量和推算,发现第一个回声,是皇穹宇两个配殿的墙和墙基的反射波叠加形成的,第二、三个回声则是由回音壁围墙的第一、二次反射声波会聚形成的。

这些声学奇观,体现了古代匠人们对声学和材料的深刻理解,循着这些奇妙现象,就能发现古人的巧思。通过巧妙的设计和精湛的工艺,古人不仅创造了具有美学价值的建筑,更运用了科学原理,将自然界的声音传播规律融入到建筑中,以达到美与科技的完美融合。

所以即使是年代久远的古建筑,也有满满的科技元素。

作者:希卡石板修复组

审核:北京交通大学建筑与艺术学院 副教授 刘捷

出品:中国科协科普部

监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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