第五节 波的衍射

天坛建筑声学现象的新解释和新发现

　　北京天坛建于16世纪，它以宏伟庄严的建筑风格著称于世，更以其奇特的声学现象享誉世界。关于这些声学现象的科学说明最早见于1953年2期《科学通报》上的汤定无先生文章中，40多年来，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。最近，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6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的实验和考查，对我国这些古老建筑的声学现象的研究有了很多新的发现，进行了新的说明和解释。这里介绍他们对天坛“回音壁”、“三音石”回声的研究和提出的最新解释。
一、三音石
　　多年来很多教材上写到“三音石是回音里内圆心，是甬道上从皇穹宇的台阶向南数的第三块石头，站在这块石头上击一下掌，可以听到三次甚至更多次击掌回音声；这是由于击掌声被圆形围墙多次反射回来的回声而产生的．”（图1）这也就是汤定元先生对三音石的解释．按此解释不难得出三声回声的时间和声强的特点。三音石到回音壁的距离是32.5米、声音发出到回音壁墙壁面反射周的回声，每次走过的都是65米，因此，回声的时间特点应是三声回声时间间隔相等的；回声的声强特点，应遵守球面波的衰减规律，三声回声应一声比一声弱．但是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O波是开始实验击掌声的记录，图中1′、1、2、3、4都是回声时间和强度的记录。

　　 回波标号 时间（ms） 声波走过的路程 反向物与声源的距离（m） 反向物及与O点实际距离（m）
　　1 103.70 34.88 17.44 东西配殿17.30
　　2 191.00 64.25 32.13 回音壁墙一次反射32.50
　　3 382.80 128.77 32.20 回音壁墙二次反射32.50
　　4 578.50 194.61 32.43 回音壁墙三次反射32.50
　　从这个仪器记录看出：三声回声时间间隔是不等的，而回声强度也不是从开始就递减的，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的合成为第一个回波，这是击掌后103.7毫秒记录到的回波，此波走的路程是34.88米，离三音石一半路程（38.88米）的反射物就是东西配殿（东西配殿的前墙到三音石中心距离为17.30米），所以可以认定第一个回波是由皇穹宇的东西两个配殿的墙和墙基反射回来声音形成的，标号2是第二个回波．它才是由回音壁墙面第一次反射声音汇聚而成的，由于声音的会聚这个回声强度最强；由记录数据知道：它是击掌后191毫秒记录到的回波，此波走的路程应是64.5米，反射物离发声中心距离应为32.13米，而回音壁的半径为32.50米，所以认定回声由回音壁墙面第一次反射声音，反射面很大，反射强度就最强。标号为3的回波是由回音壁墙面第二次反射的声音汇聚而成的；学生们看看数据表就会得到这个结论．标号为4的回波是由回音壁墙面第三次反射声音汇聚而成。只是因为声强太小，人耳无法听到而已。

二、二音石和一音石
　　俞文光教授他们不但对三音石的成因做了科学的测试和令人信服的科学解释，还科学地解释了“一音石”和“二音石”两个新声学现象，所谓“二音石”是“三音石”北面的那块石板，在其上击掌会有两声回音，仪器记录如图3，图中标号为1的回波是二音石的第一个回声，是击掌后100毫秒听到的回声，根据计算声波所走路程约34米，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二个回声，是击掌后380毫秒所听到的回声，其路程约为130米，它约为回音壁圆墙半径32.5米的4倍，据科学工作者分析，声音走的是O2CDO2的三角形，即从O2点出发经C处墙面反射到对面的墙面D处反射回到O2处，恰好走了约等于4倍半径路程，这就是二音石的回声机理。

　　有意思的是在二音石北面的一块石板也能听到回声，不过只能听到一个回音，俞文光教授叫它“一音石”，图5是仪器记录，图中标号为1的回波是在一音石上击掌后经过380毫秒后的回波，其行程约为130米，它也约为回音壁半径的4倍，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1中可以看出，如果从一音石中心向东西方向划一条水平线，这条线是不会碰到东西配殿；显然，O1发出的击掌声也就在水平方向上不会遇到配殿的墙，当然也就不能再有反射波回到O1点产生第二个回声了。