帝都這處“敢接話茬”的地方，藏了哪些科學原理？

北京天壇，是明、清兩代帝王祭祀皇天祈禱五穀豐登的場所，始建於明永樂十八年（1420年），以後經過不斷的改擴建，至清朝乾隆年間最終建成。

而相比這些乾巴巴的歷史典籍文字，天壇最讓人好奇的還是這裡有4個能“接人話茬”的建築結構~

- 迴音壁 -

這是很多小夥伴到天壇後都會去體驗的“遊玩專案”，當你站在東配殿的牆下面朝北牆輕聲說話，而另一個人站在西配殿的牆下，兩個人把耳朵靠近牆，就可以清楚地聽見遠在另一端的對方的聲音，而且說話的聲音迴音悠長，有一種“天人感應”的神秘氛圍！

迴音壁

說起來，其中的科學原理非常簡單：聲音從迴音壁的一端，被迴音壁多次連續反射後，傳遞到另一端。

圖片來源：黑龍江大學自然科學學報

上圖就是有關回音壁的一次測試圖，圖中長波為說話聲的脈衝波，1為直達聲，2為說話聲經過迴音壁多次連續反射後的聲音，3是此聲再前進達到宮門又被反射再返回的聲音。

你可能要問了：“為什麼只有在天壇才會產生這種效果呢？一般的院子不行嗎？”

這就涉及到了另外一項技術：磨磚對縫。

磨磚對縫是我國磚石古建中所用的一種高階堆砌工藝，其技巧在於將毛磚砍磨成邊直角正的形狀，砌築成牆時，磚與磚之間幹擺灌漿，牆面不掛灰不塗紅，整個牆面光滑平整，嚴絲合縫。聲波在某方向傳播的過程中遇到障礙物時會發生反射，而光滑牆面對聲音的吸收很小，能比較完整且規則地反射聲波。

以上均屬於磨磚對縫建築

- 三音石 -

三音石，皇穹宇殿前御路的第三塊石板，石如其名，當你站在石板上拍1下手掌，就能聽到3個回聲，非常神奇！

三音石

據研究，第1個回聲是由東、西配殿反射波形成的，第2個回聲是由迴音壁第一次反射波形成的，第3個回聲則是由迴音壁第2次反射波形成的。

圖片來源：黑龍江大學自然科學學報

- 圜丘天心石 -

圜丘壇是皇帝冬至日祭天的地方，第一層臺面中央嵌一塊圓形石板，叫“天心石”。如果你站在天心石上高呼，在特別安靜的環境下，同樣能夠聽到3個回聲。

天心石

第1個回聲：一部分擊掌聲碰到欄杆的下部沒有雕花的石面上，被反射走向檯面，再經檯面的一次反射，回到臺中心；第2個回聲：擊掌聲從天心石中心到欄杆，再到檯面，再到欄杆，再返回天心石中心，其路徑走過四邊形的四條邊，後返回天心石；此後，回聲再傳到欄杆，被散射後，再反射返回天心石，這就是第3個回聲。

圖片來源：黑龍江大學自然科學學報

- 皇穹宇對話石 -

皇穹宇對話石指皇穹宇前甬道第18塊石板，若有1人站在皇穹宇大殿前甬道第18塊石板上說話或擊掌，則站在距此約36米遠的東配殿東北角或西配殿西北角的另一個人，可以清晰地聽到在第18塊石板上的人的說話聲或擊掌聲。

圖片來源：黑龍江大學自然科學學報

更有意思的是，這4處看似包含豐富聲學知識的建築結構，其實是古人在無意中創造出來的……

迴音壁是為了附會“天圓地方”的宇宙觀；三音石正好處在皇穹宇的正中心；對話石也是因為位置合適，才使得聲波反射路線不被建築物阻擋；天心石與三音石原理相似，只是欄杆的效果不如磨磚對縫的效果好……

天壇聲學現象的現代應用

天壇聲學原理雖然沒有在古人眼中得到重視，但在現代卻有了用武之地。在劇院、音樂廳等封閉空間，聲波在四壁上不斷反射，即使在聲源停止發射後，聲音還會持續一段時間，這種現象就叫做混響。

不同用途的廳堂，最佳混響時間不同，因此混響也成為了建築聲學領域的一個重要組成部分。

我們眼中的國家大劇院

建築設計師眼中的國家大劇院

看到最後，是不是感覺對天壇又有了新的認識呢？下次想去玩的話，不如挑一個安靜的時間，帶上小夥伴，一起感受下帝都這處“敢接你話茬”的神奇地方吧！