這些建築巧妙地運用了聲學的壹些原理,不僅具有很強的使用價值,還能收到奇妙的藝術效果。它顯示了中國古代勞動人民的智慧。
在中國已經發現了許多利用聲學效應的建築。北京的天壇和山西永濟的迎影塔都是保存完好的建築,音響效果很好。此外,還有四川潼南縣的秦時,河南郊縣的蟾音塔,山西河津縣的貞豐塔。
北京的天壇是明代著名的建築。其中皇穹宇建於1530,原名“泰殿”,1535年改為現名。天壇的壹些建築具有很高的聲學效果,這給這個不同尋常的祭天場所增添了神秘的色彩。
天壇的建築聲學效果最多的是:回音壁、三音石、穹頂。
回音壁是環繞帝國拱頂的圓形墻,高約6米,圓形半徑約32.5米。裏面有三個建築,其中壹個是圓形的皇穹宇,位於北面中間,它離城墻最近的地方只有2.5米。回音壁只有壹扇門,正對著帝國拱頂。
整個墻面非常整齊光滑,是很好的聲音反射器。
如果有兩個相距很遠的人,A靠近墻壁,對著墻壁竊竊私語,B在墻壁附近聽得很清楚,聲音就像是從B附近傳來的,只要A發出的聲音與A點切線的夾角大於22度,聲音就會碰到帝國拱頂反射到其他地方,B就聽不清楚或者聽不到。
在帝國拱頂的臺階下,壹條白色的石板路直接通向圍墻的大門。從臺階底部往南,第三塊白石就在柵欄的正中央。據說在這塊白石上拍手可以聽到三聲響動,所以中間這塊白石就叫“三音石”。
其實也不完全是這樣。在三陰石上拍手,不僅能聽到3響,5響,6響,三陰石附近也有同樣的效果,只是聲音有點模糊。
這是因為來自三陰石的聲音向柵欄等距離傳播,同時被柵欄反射回中心,所以聽到了回聲。回聲再次散開,又反射回來,於是我聽到了第二次回聲。
如此重復,可以聽到三次以上的回聲,直到聲能在傳播和反射的過程中逐漸被墻壁和空氣吸收,聲強減弱,聽不到為止。
如果響板在三陰石附近,從那裏發出的聲音會傳到柵欄上,但不能全部反射到響板的耳朵裏,所以回聲會很模糊。
圓丘是明清皇帝祭天的地方。它是壹個用青石建造的三層圓形平臺。高臺的每壹層周圍都有石欄桿。欄桿的東、西、南、北各鋪有石階。最高樓層離地5米左右,半徑約11.4米。
高臺用非常光滑的、反光性能好的青石鋪成,圓心略高於四周,形成微微傾斜的桌面。如果人站在高臺中央說話,聽到的聲音比平時大很多,感覺好像是從地下傳來的。
這是因為當人們觸摸欄桿下部時,會立即反射到傾斜的青石桌上,然後反射到人的耳朵附近。
迎迎塔是山西永濟普救寺的佛塔。因為經典《西廂記》中張生和鶯鶯的故事發生在普救寺,所以被稱為鶯鶯塔。
該塔始建於唐代武則天時期,為七層空心方磚塔。毀於明代1555地震。地震八年後,恢復原樣,在13層將塔高提高到50米。
鶯鶯塔最明顯的聲學效果是,在離塔10米範圍內砸石頭可以拍手,30米外就能聽到蛙聲。在離塔約15米處,我打了石頭拍手,卻聽到塔底傳來蛙聲。塔下可聽到塔外2500米外村落的鑼鼓聲和歌聲;遠處村民的聲音也會被塔聚焦放大。
這樣奇怪的音響效果,原來是塔的形狀造成的:塔是中空的,有共振腔的作用,可以放大外界的聲音。塔外每層都有寬大的倒塔檐,可以將聲音反射回地面。13層的塔檐反射的聲音,略有不同,匯聚到30米外的人耳朵裏,形成青蛙的感覺。
秦時位於重慶潼南縣大佛寺右側的壹條山路上。它由36級石階組成,像壹面巨大的石墻。從下部正門自下而上的第四級石階到第十九級石階,每壹級都像壹根弦。如果爬上臺階,它會發出悠揚悠揚的聲音,音色頗似古琴。
石踏板發音的聲學原理是踏石階產生受迫振動,在空氣中形成聲波。其中,兩側巖壁頂端的7級石階發出的聲音最大,腳下的聲音猶如鋼琴聲,引人入勝。古人稱之為“七步彈琴”,題之為“石踏板彈琴之聲”。
蛤蟆音塔在河南省的郊區。音塔很醜,卻用奇怪的聲音把人帶走。在塔的任何壹側,距離塔10米,無論是拍手還是敲擊石頭,都能聽到青蛙的回聲。比如春天池塘裏有成千上萬只蟾蜍在耳膜裏唱歌,讓人遐想。
分析的結論是,蛤蟆塔本身排列有序,其屋檐對聲音有會聚反射作用,從而產生回聲。
貞豐塔,位於山西省河津縣康家莊,是壹座回音效果比世界名塔永濟鶯鶯塔更好的回音塔。
鎮風塔平面呈方形,為實心塔,檐密。有***13層,周長18.4米,高約30米。每層樓的屋檐和拱門處都懸掛著壹個小鐵鈴,風吹得叮當作響。
寶塔是葫蘆形的,頂部有壹只垂直的鳳凰。站在塔下,拍手跺腳,敲磚撞石,小青蛙大蟾蜍不同的叫聲,還有清脆悅耳的鳥鳴聲,從塔中上部傳來。如果10以上的人壹起拍手,聽起來就像夏天晚上青蛙在池塘邊競相唱歌,美不勝收,妙不可言!
中國古代建築是利用聲學效應的科學寶庫。聲學建築的許多成果體現了聲學與音樂、聲學與哲學、聲學與建築、軍事等的結合。這也是中國古代物理學發展的根本特征之壹。
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